Раздел 2. Электрические явления

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность частиц и тел участвовать в электрическом взаимодействии. Заряды бывают положительными и отрицательными; заряд обозначают q и измеряют в кулонах (Кл). Знак показывает, как заряд взаимодействует с другими зарядами, а численное значение позволяет сравнивать величину этого свойства.

Электрическое поле — создаваемая зарядами форма материи, которая действует на другие заряженные тела. Поле нельзя увидеть непосредственно, но его действие обнаруживают по силе, возникающей на пробный заряд. Это понятие объясняет, как заряды могут влиять друг на друга на расстоянии.

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Для существования тока нужны свободные носители заряда и электрическое поле, направляющее их движение; в замкнутой цепи ток может поддерживаться длительно. Понятие тока помогает описывать перенос заряда по проводникам.

Сила тока I показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени: I = q/t; её единица — ампер (А). Напряжение U характеризует работу электрического поля, приходящуюся на единицу заряда: U = A/q; единица — вольт (В). Эти величины описывают разные стороны процесса: перенос заряда и энергетическое действие поля.

Как это устроено

Знак заряда определяет характер электрического взаимодействия: заряды одного знака отталкиваются, а противоположных знаков — притягиваются. Это правило проявляется потому, что создаваемые зарядами поля по-разному действуют друг на друга. Поэтому, узнав знаки двух зарядов, можно определить направление их взаимного действия, не зная их величин.

Заряженное тело изменяет окружающее пространство, создавая электрическое поле. Когда в эту область попадает другой заряд, поле действует на него силой: положительный и отрицательный заряды испытывают силы противоположных направлений. Так взаимодействие передаётся без непосредственного контакта тел, а напряжённость поля в каждой точке связана с силой, приходящейся на единичный положительный заряд.

Чтобы возник ток, в веществе должны быть свободные носители заряда: например, электроны в металле или ионы в растворе. Одного наличия носителей недостаточно — электрическое поле должно заставлять их двигаться упорядоченно, иначе их тепловое движение остаётся хаотичным. Наконец, цепь должна быть замкнута: при разрыве непрерывный путь исчезает, заряды перераспределяются, и длительное движение прекращается.

Источник тока поддерживает движение зарядов, разделяя их и создавая разность электрических состояний между своими полюсами. В замкнутой цепи поле воздействует на носители и направляет их движение; без источника энергия постепенно рассеивается, и устойчивый ток не поддерживается. Напряжение показывает, какую работу поле совершает при перемещении единичного заряда, поэтому при большем напряжении на том же участке обычно возникает больший ток.

Сопротивление показывает, насколько проводник препятствует току. Оно зависит от материала, длины и площади поперечного сечения: для данного материала длинный проводник обычно имеет большее сопротивление, а толстый — меньшее. Поэтому сила тока зависит и от напряжения, и от сопротивления: для участка цепи закон Ома записывается I = U/R, то есть повышение напряжения увеличивает ток, а повышение сопротивления уменьшает его.

Основные электрические величины и их обозначения

Сначала определите, какую величину требуется найти, и выпишите её связь с известными данными. Затем проверьте, что значения выражены в согласованных единицах СИ: например, время — в секундах, а заряд — в кулонах. Закон Ома применяют для участка цепи, когда известны напряжение и сопротивление либо сила тока и одна из этих величин.

Разбор задач

Задача 1. Два точечных заряда имеют значения 2 мкКл и 3 мкКл. Определить, притягиваются они или отталкиваются, если оба заряда положительные. Для ответа не нужно вычислять силу взаимодействия: достаточно сравнить знаки зарядов. Микрокулоны указывают величину, а характер взаимодействия определяется именно знаками.

1. Запишем знаки: q₁ > 0 и q₂ > 0.
2. Сравним знаки зарядов: оба заряда одноимённые.
3. Применим правило взаимодействия: одноимённые заряды отталкиваются.

Ответ: заряды отталкиваются.

Задача 2. За 2 минуты через поперечное сечение проводника прошёл заряд 60 Кл. Найти силу тока. Сила тока показывает заряд, проходящий за единицу времени, поэтому используем I = q/t. Перед подстановкой переведём минуты в секунды, поскольку заряд задан в кулонах.

1. Запишем данные: q = 60 Кл, t = 2 мин.
2. Переведём время: t = 2 · 60 = 120 с.
3. Подставим величины в формулу: I = q/t = 60/120 = 0,5 А.

Ответ: сила тока равна 0,5 А.

Задача 3. К резистору сопротивлением 12 Ом подключили напряжение 6 В. Найти силу тока, а затем заряд, прошедший за 5 минут. Сначала найдём ток по закону Ома, поскольку известны напряжение и сопротивление. Затем используем связь между током, зарядом и временем, предварительно переведя минуты в секунды.

1. Запишем данные: R = 12 Ом, U = 6 В, t = 5 мин.
2. По закону Ома I = U/R = 6/12 = 0,5 А.
3. Переведём время: t = 5 · 60 = 300 с.
4. Найдём заряд: q = It = 0,5 · 300 = 150 Кл.

Ответ: сила тока равна 0,5 А, прошедший заряд — 150 Кл.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что электрическое поле существует только внутри проводника с током. Его создают электрические заряды, в том числе неподвижные, поэтому поле может существовать и вокруг заряженного тела вне цепи. Проверка: представьте заряд без проводника и спросите, будет ли он действовать на другой заряд.

Иногда направление движения электронов принимают за направление электрического тока. Путаница возникает потому, что в металлах именно электроны являются подвижными носителями, но условное направление тока установлено противоположно их движению. Проверяйте себя, уточняя, о чём говорится: о направлении тока или о движении электронов.

Силу тока и напряжение можно ошибочно считать одной и той же величиной. Ток характеризует перенос заряда за время и измеряется в амперах, а напряжение связано с работой поля на заряд и измеряется в вольтах. Проверка проста: сверьте смысл искомой величины и её единицу с определением и формулой.

Подстановка минут в формулу I = q/t без перевода в секунды даёт неверный результат в единицах СИ. Ошибка появляется, когда время записывают как число, не проверяя его единицу. Перед вычислением переведите минуты в секунды и убедитесь, что кулоны делятся на секунды, получая амперы.

Связь с другими темами

Для понимания электрических явлений нужны представления о строении вещества и заряженных частицах. Также пригодится умение работать с физическими величинами и единицами СИ: без него легко ошибиться при расчётах тока и заряда. Эти знания помогают связать микроскопическое движение частиц с наблюдаемыми явлениями.

Электрическое поле и взаимодействие зарядов служат основой электростатики — раздела, изучающего неподвижные заряды. Представления о токе, напряжении и сопротивлении позволяют анализировать работу электрических устройств и цепей. Закон Ома понадобится при расчёте силы тока и электрической мощности, а также при дальнейшем изучении электромагнитных явлений.

Что запомнить

• Существуют положительные и отрицательные электрические заряды.
• Одноимённые заряды отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Электрическое поле действует на заряженные тела.
• Ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Сила тока равна заряду, проходящему за единицу времени.
• Для участка цепи сила тока, напряжение и сопротивление связаны законом Ома: I = U/R.
• В расчётах важно использовать согласованные единицы СИ.