"Физика", Изергин Э.Т.
Электрический ток — основа работы ламп, нагревательных приборов и многих электрических устройств. Чтобы объяснять поведение цепи, нужно знать условия существования тока, смысл силы тока, напряжения и сопротивления, а также закон Ома. Особое внимание уделяется последовательному и параллельному соединениям: от способа соединения зависят ток, напряжение, мощность приборов и работа цепи при неисправности одного элемента.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. В металлах его создают свободные электроны, а в растворах и расплавах — положительные и отрицательные ионы. Это понятие нужно, чтобы описывать действие электрических цепей.
Сила тока — величина, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени: I = q/t. Её обозначают буквой I и измеряют в амперах (А). Она показывает, насколько интенсивно движутся заряды.
Электрическое напряжение — работа электрического поля по перемещению единичного заряда: U = A/q. Напряжение обозначают буквой U и измеряют в вольтах (В). Оно характеризует, какую энергию получает каждый кулон заряда.
Электрическое сопротивление — свойство проводника препятствовать движению зарядов. Его обозначают буквой R и измеряют в омах (Ом). Сопротивление нужно учитывать, чтобы определить силу тока в цепи.
Свободные заряженные частицы необходимы потому, что связанные заряды не могут перемещаться по проводнику на заметные расстояния. Электрическое поле заставляет свободные частицы двигаться преимущественно в одном направлении. Замкнутая цепь обеспечивает непрерывный путь, поэтому без неё устойчивого тока не будет.
Источник тока разделяет заряды и поддерживает между своими полюсами разность потенциалов. Во внешней цепи электрическое поле направляет заряды от одного участка к другому. Пока источник действует и цепь замкнута, он восполняет разделение зарядов и поддерживает движение.
При увеличении напряжения поле сильнее действует на заряженные частицы, поэтому за то же время через сечение проходит больший заряд. Увеличение сопротивления, наоборот, сильнее затрудняет движение зарядов. Поэтому для участка цепи справедлив закон Ома: I = U/R.
При последовательном соединении элементы образуют один путь для тока, поэтому сила тока в них одинакова, а напряжение источника распределяется между элементами. При параллельном соединении появляются отдельные ветви: напряжение на них одинаково, а общий ток складывается из токов ветвей. Эти свойства следуют из устройства цепи, а не являются отдельными правилами без объяснения.
Электрическая энергия при прохождении тока превращается в работу двигателя, свет и тепло. Мощность показывает, как быстро происходит это превращение: P = UI, а работа за время t равна A = Pt. Нагрев проводника увеличивается при большем токе, сопротивлении и времени прохождения тока: Q = I²Rt.
| Свойство | Последовательное соединение | Параллельное соединение |
|---|---|---|
| Сила тока на участках | Одинакова во всех элементах: I = I₁ = I₂ | Общий ток равен сумме токов ветвей: I = I₁ + I₂ |
| Напряжение на участках | Складывается: U = U₁ + U₂ | Одинаково на всех ветвях: U = U₁ = U₂ |
| Общее сопротивление | R = R₁ + R₂ | 1/R = 1/R₁ + 1/R₂; для двух резисторов R = R₁R₂/(R₁ + R₂) |
| Зависимость работы отдельных приборов | Изменение одного элемента влияет на ток и работу остальных | Приборы получают напряжение источника и работают более независимо |
| Поведение цепи при отключении одного элемента | Цепь размыкается, ток прекращается во всех элементах | Ток прекращается только в отключённой ветви |
Сначала определите, есть ли у тока один путь или несколько ветвей. Затем выберите строку таблицы, соответствующую способу соединения, и примените нужное правило. Для сложной цепи полезно отдельно рассмотреть каждый участок и только потом сравнить их работу.
Задача 1. Две одинаковые лампы соединены последовательно с источником тока. Что произойдёт с первой лампой, если вторую вывернуть из патрона? Важно рассуждать не о запасе тока в лампах, а о наличии замкнутого пути. Выворачивание лампы создаёт разрыв цепи.
Ответ: первая лампа погаснет, потому что разрыв последовательной цепи прекращает ток во всех её элементах.
Задача 2. Две одинаковые лампы сначала подключили последовательно, а затем параллельно к одному источнику. В каком случае лампы будут светить ярче и почему? Сопротивление лампы считаем одинаковым в обоих опытах, хотя при нагревании оно может изменяться. Сравним напряжение на каждой лампе и её мощность.
Ответ: ярче лампы светят при параллельном соединении. При этом источник отдаёт больший общий ток, потому что токи двух ветвей складываются.
Задача 3. К источнику подключены две ветви: в первой находится одна лампа, во второй — две одинаковые лампы, соединённые последовательно. Сравним токи и яркость при идеальном источнике. Пусть сопротивление каждой лампы равно R, а напряжение источника — U.
Ответ: ток в ветви с одной лампой в два раза больше тока в ветви с двумя лампами. Одиночная лампа светит ярче, а две лампы во второй ветви светят одинаково и слабее.
Ошибка: считать, что ток расходуется по мере прохождения через прибор. Так думают, потому что прибор получает энергию, но заряд в обычной последовательной цепи не исчезает. Проверка: сравните токи на разных участках одного пути — они одинаковы.
Ошибка: путать напряжение и силу тока. Эти величины связаны законом Ома, но измеряют разные свойства и подключаются разными приборами. Проверьте себя: амперметр включают последовательно, вольтметр — параллельно.
Ошибка: применять I = U/R без указания участка цепи. Напряжение, ток и сопротивление должны относиться к одному и тому же участку. Перед вычислением найдите границы участка и только затем подставляйте величины.
Ошибка: считать сопротивление параллельных проводников суммой. Сумма относится к последовательному соединению, а при параллельном соединении общее сопротивление меньше каждого отдельного. Проверка: используйте формулу 1/R = 1/R₁ + 1/R₂.
До изучения темы нужны представления об электрическом заряде и поле, а также о работе и энергии. Эти понятия объясняют, почему ток переносит энергию и как действует источник. Единицы физических величин помогают правильно читать формулы.
Тема опирается на умение читать электрические схемы и различать узлы, ветви и участки цепи. По схеме можно определить способ соединения и выбрать формулу. Закон Ома связывает основные характеристики каждого участка.
Полученные знания понадобятся при изучении магнитного действия тока и электрической мощности. Они применяются для анализа бытовых цепей, предохранителей и приборов. Понимание цепей также помогает соблюдать правила электробезопасности.
Почему электрический ток не идёт в разомкнутой цепи?
В разомкнутой цепи между её частями есть разрыв, поэтому заряды не могут двигаться по замкнутому пути. Электрическое поле может существовать, но непрерывного направленного движения зарядов в цепи не возникает.
Почему при параллельном соединении приборы работают независимо друг от друга?
Каждый прибор подключён к источнику своей ветвью и получает напряжение источника. Если одна ветвь разрывается, ток прекращается только в ней, а в остальных ветвях путь для движения зарядов сохраняется.
Почему увеличение сопротивления уменьшает силу тока?
По закону Ома I = U/R при неизменном напряжении сила тока обратно пропорциональна сопротивлению. Чем сильнее проводник препятствует движению зарядов, тем меньший заряд проходит через его сечение за единицу времени.
Как определить, где в цепи нужно подключить амперметр, а где вольтметр?
Амперметр включают последовательно с прибором, чтобы через него проходил тот же ток. Вольтметр подключают параллельно участку, напряжение на котором измеряют.
Почему лампа при большем напряжении светит ярче?
При увеличении напряжения возрастает сила тока и обычно увеличивается мощность лампы: P = UI. Поэтому за одну и ту же секунду в свет и тепло превращается больше электрической энергии.
Вопросы и качественные задачи повышенной сложности к главе III
