Тема 3. 2. Закони постійного струму.

Основні питання, що вивчаються в даній темі:

1. Електронна провідність металів. Постійний електричний струм. Умови його виникнення та існування. Характеристики струму. Одиниці їх вимірювання.

2. Джерела і споживачі електричного струму. Закон Ома для ділянки кола. Опір провідника. Спад напруги. Залежність опору провідника від його розмірів та матеріалу. Залежність опору металевого провідника від температури.

3. Послідовне і паралельне з’єднання провідників. Заходи техніки безпеки під час роботи з електричними пристроями.

4. Електрорушійна сила (ЕРС). Закон Ома для повного кола.

5. Робота і потужність струму.

Теоретичні відомості з теми:

Електричним струмом називається напрямлений (упорядкований) рух заряджених частинок. У металевих провідниках це напрямлений рух вільних електронів. За напрям струму беруть напрям, у якому рухаються (або могли б рухатися) позитивно заряджені частинки. Першою умовою існування електричного струму є наявність вільних зарядів – так називають заряджені частинки, здатні переміщуватись у речовині. Другою умовою існування електричного струму є наявність електричного поля в провідниках, з яких складається електричне коло. Пристрій, що постійно створює електричне поле між двома провідниками (електродами, полюсами), називають джерелом струму. Джерела струму, у яких розділення зарядів спричинене хімічними реакціями, називають гальванічними елементами; до них відносяться і акумулятори.

Сила струму І – фізична величина, яка дорівнює відношенню заряду q, перенесеного через поперечний переріз провідника за проміжок часу t, до цього проміжку часу: I = . Або І= , де N – кількість електронів, щопройшли через поперечний переріз провідника за час t, |e|=1,6·10^-19 Кл – модуль заряду електрона.

У системі СІ силу струму вимірюють в амперах (А). За сили струму 1 А через поперечний переріз провідника щосекунди проходить заряд 1 Кл.

Існують хімічна, теплова та магнітна дії електричного струму. Ці дії використовують у різноманітних споживачах електроенергії….

І = - закон Ома для ділянки кола, де U – напруга (різниця потенціалів)на кінцях ділянки, вимірюється у В, а R – опір ділянки кола, вимірюється в Ом. IR – спад напруги – та частина енергії електричного поля, що йде на подолання опору провідників, в результаті чого вони нагріваються, вимірюється у В, (бо U=IR). Опір металевого провідника залежить від розмірів та матеріалу провідника: R = ρ , де ρ – питомий опір провідника, вимірюється в Ом·м, та залежить від матеріалу провідника і температури провідника; l – довжина провідника (м); S – площа поперечного перерізу провідника (м²).

Опір металів при підвищенні температури збільшується. Зростання опору металів з температурою зумовлено тим, що нагрівання посилює теплові коливання йонів, унаслідок цього збільшується розсіювання електронних хвиль на нерегулярностях кристалічних граток. Або дуже спрощено: – зростає "тертя" електронів об кристалічну гратку металу. Під час охолодження провідника до температур близьких до абсолютного нуля (Т=0К) може наступити надпровідність – опір провідника дорівнює нулю.

Закони послідовного та паралельного з’єднання провідників (споживачів):

1. І_посл=І₁=І₂=І₃= … =const 1. U_пар=U₁=U₂=U₃=…=const

2. U_посл=U₁+U₂+U₃+… 2. I_пар =I₁+I₂+I₃+…

3. R_посл= R₁+R₂+R₃+… 3.

4. 4.

Роботу, яку електричне поле виконує над вільними зарядами в провіднику, називають роботою струму: А=qU, де q – заряд, що перемістився уздовж провідника (Кл), U – різниця потенціалів на кінцях провідника (напруга, В). Оскільки q = It, то А = UIt. Якщо єдиною дією струму є теплова, то кількість теплоти, що виділилась в провіднику, згідно із законом збереження енергії, та враховуючи закон Ома для ділянки кола: Q=A. Отже, Q = UIt = I²Rt = . Одиниці вимірювання роботи струму, кількості тепла: Дж =В·А·с = А²·Ом·с = ·с

При послідовному з’єднанні провідників більша кількість теплоти виділиться в провіднику, що має більший опір: .

При паралельному з’єднанні провідників більша кількість теплоти виділяється в провіднику, що має менший опір: . Потужністю струму Р називають відношення роботи струму А до проміжку часу t, протягом якого цю роботу було виконано: Р = . Потужність дорівнює 1 Вт, якщо за 1 с виконується робота 1 Дж. Тобто Вт = . Враховуючи формули роботи струму, маємо формули потужності: Р = UI = I²R = . Звідки одиці вимірювання потужності: Вт=В·А = А²·Ом = . Знаючи потужність струму в провіднику, знаходимо роботу струму: А = Рt.

Всередині джерела вільні заряди рухаються проти сил електричного поля. Це означає, що всередині джерела струму на вільні заряди діють сили неелектростатичного походження, які називають сторонніми силами. Відношення роботи сторонніх сил з переміщення заряду всередині джерела до значення зараду називають електрорушійною силою джерела (ЕРС): ξ= . ЕРС вимірюється у В = .

Закон Ома для повного кола: сила струму в замкнутому колі, що містить одне джерело, дорівнює відношенню ЕРС джерела до повного опору кола: І = , де R – опір зовнішнього кола, r – внутрішній опір джерела. Коли зовнішній опір кола дорівнює нулю R=0 (полюси джерела доторкнулись один одного) цей випадок називають коротким замиканням: І_кз= - струм короткого замикання. Коли коло розімкнуте то R ∞, і І=0 – струм в колі відсутній. При цьому напруга між розімкнутими полюсами джерела дорівнює ЕРС цього джерела. Дійсно, закон Ома для повного кола записується у вигляді: ξ = IR+Ir = U+Ir, (бо IR=U). Тому, коли І=0, то Іr=0, і ξ = U.

Питання теоретичного змісту:

3стр1. Що таке електричний струм? Які умови необхідні для існування струму? Яка природа електричного струму в металах? Яка роль джерела струму? Що ви про нього знаєте? Як визначається фізична величина – сила струму? Якими одиницями вона вимірюється? Наведіть приклади різних дій електричного струму.

3стр2. Запишіть і сформулюйте закон Ома для ділянки кола. Як визначається опір провідника? Якими одиницями він вимірюється? Що таке спад напруги на ділянці кола? Як визначити спад напруги? Якими одиницями вимірюється?

3стр3. Яка природа електричного опору металевих провідників? Як залежить опір металевих провідників від їх розмірів, виду металу, температури? Записати та пояснити відповідні формули та одиниці вимірювання. Що ви знаєте про надпровідність?

3стр4. Який вид з’єднання провідників (споживачів) називається послідовним? Намалювати відповідну схему. Як розподіляється при такому з’єднанні сила струму, напруга? Як обчислюється загальний опір кола? Чому амперметри можна вмикати в коло тільки послідовно із споживачами електричної енергії?

3стр5. Який вид з’єднання провідників (споживачів) називається паралельним? Намалювати відповідну схему. Як розподіляється при такому з’єднанні напруга, сила струму? Як обчислюється загальний опір кола? Чому вольтметри можна вмикати в коло тільки паралельно до ділянки де вимірюється напруга?

3стр6. Як можна обчислити роботу електричного струму? Як можна обчислити кількість тепла, що виділяється в провіднику зі струмом? Записати та пояснити відповідні формули (їх чотири). Записати одиниці вимірювання роботи струму (чотири варіанти).

3стр7. Що називають потужністю струму? Якими одиницями вона вимірюється? Записати та пояснити формули потужності (їх чотири). Записати одиниці вимірювання потужності струму (чотири варіанти).

3стр8. За якої умови струм може текти в замкнутому колі? Що таке сторонні сили в джерелі струму? Що називають електрорушійною силою джерела струму (її формула)? Якими одиницями вона вимірюється? Що таке зовнішній опір, внутрішній опір, повний опір кола? Сформулюйте і запишіть закон Ома для повного кола. Дайте аналіз цього закону – коротке замикання, розімкнуте коло, як можна виміряти ЕРС, і т.д.

Задачі рівня А:

3стр9. Який заряд q пройде в провіднику за t=1 хв за сили струму І=2 А?

3стр10. Визначити силу струму І в провіднику, якщо за t=3 хв через поперечний переріз провідника пройшло N=3,6·10²² електронів.

3стр11. Визначити силу струму І в ділянці кола опором R=17 Ом, якщо напруга на її кінцях U=5,1 В.

3стр12. Який опір R ділянки кола, якщо в ній при напрузі U=120 В тече струм І= 3 А?

3стр13. Знайдіть опір R мідного провідника довжиною l= 50 см і площею поперечного перерізу S=1 мм². Питомий опір міді ρ=1,7 ·10^-8 Ом·м.

3стр14. Сила струму в колі І=2 А. Яку роботу А виконує електричний струм в колі за t=20 с, якщо напруга на клемах джерела U=24 В?

3стр15. Яка кількість тепла Q виділиться за t=3 хв в реостаті з опором R=20 Ом, якщо сила струму в ньому І=5 А?

3стр16. Яка кількість теплоти Q виділиться в електричній плитці, якщо її опір R=242 Ом, а напруга на її клемах U=220 В?

3стр17. Яка потужність Р струму в колі при напрузі U=12 В і силі струму І=60 А?

3стр18. Яку потужність Р споживає електрична лампочка розжарення в колі з напругою U=220 В, якщо її опір R=400 Ом?

3стр19. За t=5 хв в електричному чайнику виділилось Q=60 кДж тепла. Яка потужність струму Р?

3стр20. Визначити потужність P струму в ділянці кола опором R=50 Ом при силі струму І=4 А.

3стр21. Потужність лампочки розжарення Р=100 Вт. Скільки тепла Q виділиться в лампочці за t=0,5 год її роботи?

3стр22. Визначити ЕРС джерела струму ξ в якому сторонні сили при перенесенні заряду в q=3 Кл виконують роботу А_ст=0,66 кДж.

3стр23. ЕРС батареї акумуляторів ξ=12 В, а внутрішній опір r =1 Ом. Визначити силу струму І в колі, якщо до батареї під’єднати споживач опором R=23 Ом.

3стр24. Замкнуте коло складається із акумуляторної батареї із внутрішнім опором r =1 Ом та споживача з опором R=23 Ом. Яка ЕРС батареї ξ, якщо в колі тече струм І=0,2 А?

3стр25. ЕРС батареї акумуляторів ξ=6 В, а внутрішній опір батареї r =0,25 Ом. Знайти струм короткого замикання І_кз.

Задачі рівня В:

3стр26. Скільки електронів N пройде через поперечний переріз провідника протягом t=2 хв за сили струму І= 0,5 А?

3стр27. Електричний водонагрівач, під’єднаний до мережі напругою U=220 В, за t=4 год нагріває m=200 кг води від t₁=10 °С до t₂=80 °С. Знайдіть силу струму в нагрівачі, вважаючи, що тепловими втратами можна знехтувати.

3стр28. При почерговому під’єднанні до одного й того ж джерела струму на першому резисторі виділяється потужність P₁=100 Вт, а на другому – Р₂=200 Вт. Яка потужність виділиться на обох резисторах разом, якщо під’єднати їх до того самого джерела струму: а) паралельно; б) послідовно?

3стр29. Є три резистори опорами R₁=1 Ом, R₂=2 Ом, R₃=3 Ом. Накресліть всі можливі схеми під’єднання їх (не обов’язково всіх одразу) до джерела струму і розрахуйте для кожного випадку потужність, що виділяється в колі. Напругу джерела струму візьміть такою, що дорівнює U=6 В.

3стр30. При під’єднанні лампи до батареї елементів з ЕРС ξ=4,5 В вольтметр показав напругу на лампі U=4 В, а амперметр – силу струму І=0,25 А. Чому дорівнює внутрішній опір джерела струму?

3стр31. До генератора постійного струму з ЕРС 200 В і внутрішнім опором r = 0,6 Ом під’єднано нагрівач опором R=14 Ом. Яка кількість теплоти виділяється в нагрівачі за t=1 хв?

3стр32. Алюмінієвий і мідний дроти однакової довжини і площі перерізу з’єднано послідовно і під’єднано до електричного кола. У якому дроті виділилася більша кількість теплоти? У скільки разів більша? Питомий опір алюмінію ρ_а =2,8·10^-8 Ом·м, міді – ρ_м=1,7·10^-8 Ом·м.

3стр33. Знайдіть силу струму в сталевому дроті завдовжки l= 10 м і площею поперечного перерізу S=2 мм², на який подано напругу U=0,012 В. Питомий опір сталі ρ=12·10^-8 Ом·м.

3стр34. ЕРС джерела струму ξ = 6 В. При зовнішньому опорі R=1 Ом сила струму в колі І=3 А. Чому дорівнює внутрішній опір джерела та струм короткого замикання І_кз?

Дата добавления: 2015-08-13