"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц, которое возможно в замкнутой цепи при наличии свободных носителей заряда и электрического поля. Чтобы описывать ток, используют силу тока, напряжение и сопротивление, а связь между ними задаёт закон Ома. Знание этих величин помогает понять работу источников и потребителей тока, рассчитать простые цепи и разобраться, как соединение проводников влияет на ток и напряжение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Для него нужны свободные носители заряда и электрическое поле, которое заставляет их двигаться направленно. Без свободных зарядов или поля ток не возникнет. Это определение помогает отличать ток от беспорядочного движения частиц.
Сила тока — физическая величина, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Её обозначают I и находят по формуле I = q/t, где q — заряд, а t — время. Единица силы тока — ампер (А). Эта величина показывает, насколько интенсивно переносится заряд.
Напряжение — физическая величина, характеризующая работу электрического поля по перемещению заряда. Его обозначают U и вычисляют по формуле U = A/q, где A — работа поля, q — заряд. Единица напряжения — вольт (В). Напряжение позволяет сравнивать, какую работу поле совершает при переносе одинаковых зарядов.
Электрическое сопротивление — свойство проводника препятствовать электрическому току. Его обозначают R, а единицей служит ом (Ом); для участка цепи R = U/I. Сопротивление показывает, насколько трудно току проходить через участок. Оно нужно, чтобы рассчитать ток при известном напряжении или напряжение при известном токе.
При электризации тела получают избыток или недостаток электронов, то есть заряды разделяются. Разделённые заряды создают электрическое поле, которое действует на другие заряды. Если в проводнике есть свободные носители, поле приводит их в направленное движение. Поэтому одного заряда недостаточно: для тока нужны и подвижные частицы, и поле.
Источник тока разделяет заряды и поддерживает электрическое поле в цепи. Потребитель, например лампа, преобразует электрическую энергию в другие виды, а провода соединяют элементы и дают зарядам путь. Ключ позволяет замкнуть или разомкнуть этот путь. При разрыве цепи движение зарядов не может поддерживаться непрерывно, поэтому ток прекращается.
Сила тока показывает, сколько заряда проходит через сечение проводника за выбранное время, а напряжение — сколько работы поля приходится на единицу заряда. Силу тока измеряют амперметром, который включают последовательно, чтобы через него проходил тот же ток, что и через участок. Вольтметр подключают параллельно концам участка, поскольку он измеряет разность потенциалов между ними. Измерительные приборы включают с соблюдением полярности, указанной на схеме.
Закон Ома связывает три величины: I = U/R. Если сопротивление не меняется, увеличение напряжения вызывает пропорциональное увеличение силы тока. Если напряжение постоянно, рост сопротивления уменьшает ток. Из формулы также получают U = IR и R = U/I, поэтому можно находить любую одну величину, если известны две другие.
При последовательном соединении у зарядов только один путь, поэтому через каждый проводник проходит одинаковый ток, а общее напряжение складывается из напряжений на отдельных участках. Общее сопротивление равно сумме: Rобщ = R₁ + R₂ + … . При параллельном соединении концы всех ветвей подключены к одним и тем же узлам, значит, напряжение на них одинаково, а общий ток равен сумме токов ветвей. Эквивалентное сопротивление находят по формуле 1/Rобщ = 1/R₁ + 1/R₂ + …; эти правила позволяют заменять группу проводников одним эквивалентным сопротивлением при расчётах.
| Свойство | Последовательное соединение | Параллельное соединение |
|---|---|---|
| Схема соединения | Проводники соединены один за другим, без разветвлений | Проводники образуют отдельные ветви между общими узлами |
| Сила тока на участках | Одинакова: 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 | Rобщ = R₁ + R₂ | 1/Rобщ = 1/R₁ + 1/R₂ |
| Что происходит при отключении одного потребителя | Цепь разрывается, ток прекращается во всех элементах | Отключённая ветвь перестаёт работать, остальные могут продолжать |
Сначала найдите на схеме узлы и проверьте, есть ли разветвления: это помогает определить тип соединения. Затем примените к нему соответствующие правила для тока, напряжения и сопротивления. В смешанной цепи сначала выделяют отдельные последовательные или параллельные части.
Через проводник за 2 минуты проходит заряд 240 Кл. Найдите силу тока. Здесь известны заряд и время, поэтому подходит определение силы тока I = q/t. Важно привести время к секундам, чтобы получить ответ в амперах.
Ответ: сила тока равна 2 А. Проверка единиц показывает, что Кл/с соответствует амперу. Заряд, проходящий за одну секунду, составляет 2 Кл.
К участку цепи приложено напряжение 12 В, сила тока равна 0,5 А. Найдите сопротивление участка. Из закона Ома I = U/R выражаем сопротивление: R = U/I. Деление напряжения на силу тока даёт сопротивление в омах.
Ответ: сопротивление участка равно 24 Ом. Проверка единиц: В/А = Ом. Результат согласуется с законом Ома: при токе 0,5 А на сопротивлении 24 Ом напряжение составляет 12 В.
Два резистора сопротивлениями 4 Ом и 6 Ом соединены параллельно и подключены к источнику напряжением 12 В. Найдите общее сопротивление и ток через каждый резистор. При параллельном соединении напряжение на каждой ветви равно напряжению источника. Сначала найдём сопротивление цепи, затем применим закон Ома отдельно к ветвям.
Ответ: общее сопротивление равно 2,4 Ом, токи через резисторы — 3 А и 2 А. Проверить результат можно по закону Ома для всей цепи: 12 В/2,4 Ом = 5 А. Это совпадает с суммой токов в ветвях.
Иногда считают, что ток «расходуется» в проводнике или потребителе. Так могут рассуждать, потому что лампа получает энергию, но заряд при этом не исчезает. В последовательной цепи через все участки проходит один и тот же ток. Проверяйте расчёт по закону сохранения заряда: входящий ток не может постоянно отличаться от выходящего.
Амперметр и вольтметр иногда путают или подключают одинаково. Причина ошибки — оба прибора включают в электрическую цепь, хотя измеряют они разные величины. Амперметр ставят последовательно, а вольтметр — параллельно участку. Перед измерением проверьте, какую величину нужно найти и куда подключаются выводы прибора.
При параллельном соединении могут ошибочно сложить сопротивления. Вероятно, смешивают его правило с последовательным соединением, где Rобщ = R₁ + R₂. Для параллельного соединения складывают обратные сопротивления: 1/Rобщ = 1/R₁ + 1/R₂. Проверьте здравым смыслом: общее сопротивление параллельной цепи должно быть меньше сопротивления каждой ветви.
В формулу I = q/t иногда подставляют время в минутах, а заряд оставляют в кулонах. Ошибка возникает, когда не проверяют единицы до вычисления. Для тока в амперах время должно быть выражено в секундах, поскольку 1 А = 1 Кл/с. Перед подстановкой запишите все величины в согласованных единицах и проверьте единицу ответа.
Чтобы объяснить, откуда берутся носители тока и почему они взаимодействуют, нужны знания о строении вещества, электрическом заряде и взаимодействии заряженных тел. Эти представления помогают понять роль свободных зарядов и электрического поля в проводнике. Знание законов цепей пригодится дальше при изучении работы и мощности электрического тока. Оно также нужно для объяснения теплового действия тока и расчёта бытовых электроприборов.
Почему электрический ток не может долго существовать в разомкнутой цепи?
В разомкнутой цепи нет непрерывного пути для движения зарядов, поэтому установившийся ток прекращается. Источник может поддерживать ток только в замкнутом контуре.
Чем сила тока отличается от напряжения?
Сила тока показывает, какой заряд проходит через сечение проводника за единицу времени. Напряжение характеризует работу электрического поля, приходящуюся на единицу заряда.
Почему амперметр включают последовательно, а вольтметр — параллельно?
Амперметр должен измерить ток через участок, поэтому его включают в общий путь движения зарядов — последовательно. Вольтметр сравнивает напряжение между концами участка, поэтому его подключают к этим концам — параллельно.
Как определить, какое соединение проводников изображено на схеме?
При последовательном соединении через проводники можно пройти по одной ветви, без разветвлений. При параллельном соединении есть узлы, где ток разделяется на несколько ветвей, а затем снова соединяется.
Почему при параллельном соединении общее сопротивление меньше сопротивления каждой ветви?
При подключении новых параллельных ветвей у зарядов появляется больше путей для движения. Цепь пропускает больший общий ток при том же напряжении, поэтому её эквивалентное сопротивление становится меньше сопротивления любой отдельной ветви.
Основное в главе 3
