Главная

ЕГЭ

ОГЭ

Как уже говорилось, одним из основных условий существования электрического тока, является - замкнутость проводника. В обычных условиях говорят не об отдельном проводнике, а об электрической цепи, которая должна быть замкнута. Электрическая цепь это совокупность устройств, элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение. Различают электрические цепи постоянного тока и электрические цепи переменного тока.

Изображение электрической цепи с помощью условных обозначений называют электрической схемой.

Рассмотрим электрические цепи постоянного тока, такая цепь состоит из источника тока, потребителей (нагрузка) и соединительных проводов. Источник тока создает электрическое поле, заставляющее свободные заряженные частицы двигаться упорядоченно. Соединительные провода - обеспечивают соединение потребителей и источника тока, а также обеспечивают замкнутость цепи. В качестве потребителя (нагрузки) могут выступать различные элементы. Перечислим некоторые элементы электрических цепей и приведем их обозначения в электрических схемах.

Конечно же, приведенный список не является исчерпывающим, имеются и другие элементы.

Рис. 5.1

Пример простейшей электрической цепи постоянного тока и соответствующая ей схема цепи.

На предыдущем уроке говорилось о том, что для существования тока необходимо создать электрическое поле, которое будет действовать на заряженные частицы с некоторой силой. Основная характеристика электрического поля - напряженность связана с разностью потенциалов равенством:

Из этого равенства следует, что чем больше разность потенциалов, тем больше напряженность электрического поля, следовательно на свободные заряды действует большая сила, тем большее ускорение приобретают частицы, следовательно за единицу времени через поперечное сечение проводника проходит больший заряд, следовательно больше сила тока.

Таким образом, можно утверждать, что сила тока пропорциональна приложенной разности потенциалов. Зависимость силы тока в проводнике от приложенной разности потенциалов называют вольт-амперной характеристикой этого проводника.

Наиболее простой вид имеет вольт-амперная характеристика для металлических проводников и электролитов. Впервые для металлов ее  экспериментально установил  немецкий физик Георг Ом в 1826 году, поэтому зависимость силы тока от напряжения носит название закон Ома.

Рассмотрим простейший участок цепи, состоящий из проводника и приборов для измерения силы тока и напряжения. Любой участок или элемент электрической цепи можно охарактеризовать при помощи трёх характеристик: силы тока, напряжения и сопротивления.

Записывая показания амперметра при различных значениях напряжения, легко убедиться в том, что сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению при неизменном сопротивлении проводника.

Рис. 5.2.

Вольт-амперная характеристика металлического проводника.

Изменим ход эксперимента и при неизменном напряжении на концах проводника будем менять проводники. Каждый проводник характеризуется электрическим сопротивлением. На опыте убедимся, что сила тока обратно пропорциональна сопротивлению проводника, т.е., чем больше сопротивление проводника, тем меньше сила тока.

Рис 5.3.

Зависимость силы тока от сопротивления проводника.

Объединяя обе пропорциональности в одно равенство получим уравнение, являющееся по сути математической записью закона Ома. Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

Для удобства применения закона Ома в различных вычислениях часто применяют так называемый магический треугольник.

Рис 5.4.

Магический треугольник Ома и правила его применения.

Как использовать треугольник Ома: закрываем искомую величину - два других символа дадут формулу для её вычисления. Кстати, законом Ома называется только одна формула из треугольника – та, которая отражает зависимость тока от напряжения и сопротивления. Две другие формулы, хотя и являются её следствием, физического смысла не имеют.  Расчеты, выполняемые с помощью закона Ома для участка цепи, будут правильны в том случае, когда напряжение выражено в вольтах, сопротивление в Омах и ток в Амперах. Если используются кратные единицы измерений этих величин (например, миллиампер, милливольт, мегаом и т. д.), то их следует перевести соответственно в Амперы, Вольты и Омы.

Неоднократно уже мы встречались с таким понятием как сопротивление проводника. Сопротивление проводника является такой же неотъемлемой характеристикой проводника как и его масса. Причина электрического сопротивления заключается в том, что электроны при своем движении испытывают соударения с ионами металла, находящимися в узлах кристаллической решетки и совершающими колебательное движение. Эти соударения производят такой же результат, как и действие некоторой постоянной силы трения, стремящейся тормозить движение электронов.

Сопротивление проводника не зависит ни от силы тока в проводнике, ни от напряжения на его концах, а зависит только от рода вещества, из которого изготовлен проводник и его геометрических размеров:

где: l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника, ρ - удельное сопротивление проводника, показывающее каким сопротивлением будет обладать проводник длиной 1 м и площадью сечения 1 м², изготовленный из данного материала. Удельное сопротивление вещества является табличным значением.

Каждое вещество имеет свое удельное сопротивление. Причем сопротивление будет зависеть от температуры проводника. Убедимся в этом, проведя следующий опыт. Пропустим ток через стальную спираль. В цепи со спиралью подключим последовательно амперметр. Он покажет некоторое значение. Теперь будем нагревать спираль в пламени газовой горелки. Значение силы тока, которое покажет амперметр, уменьшится. То есть, сопротивление проводника, а следовательно и сила тока будет зависеть от температуры проводника. Зависимость сопротивления проводника от температуры имеет вид:

где: R - сопротивление проводника при температуре Т, R₀ - сопротивление проводника при температуре 0ºС, α - температурный коэффициент сопротивления, он характеризует зависимость сопротивления, которым обладает вещество, от температуры. Температурный коэффициент численно равен относительному изменению сопротивления проводника при нагревании его на 1 Кельвин.

При повышении температуры увеличивается амплитуда колебаний ионов в узлах кристаллической решетки. Следовательно, свободные электроны будут чаще с ними сталкиваться. При столкновении они будет терять направленность своего движения. Следовательно, сила тока будет уменьшаться.

В 1911 году датский физик Камерлинг-Оннес открыл явление сверхпроводимости, заключающееся в резком падении до нуля сопротивления проводника при достижении некоторой критической температуры, различной для различных веществ. Так, например ртуть переходит в сверхпроводящее состояние при температуре 4,1 К, а алюминий при 1,2 К.

Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах. В то же время такие «хорошие» проводники, как медь и серебро, не становятся сверхпроводниками при низких температурах.

Рис. 5.5.

Зависимость удельного сопротивления ρ от абсолютной температуры T при низких температурах:

a – нормальный металл; b – сверхпроводник.

Сверхпроводники обладают исключительными свойствами,  наиболее важным из них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток, возбужденный в сверхпроводящей цепи. Интерес к сверхпроводникам возрастает по мере возрастания критической температуры перехода вещества в сверхпроводящее состояние. Сегодня сероводород является самым высокотемпературным сверхпроводником с критической температурой 203 К.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости.   Согласно классической электронной теории, удельное сопротивление металлов должно монотонно уменьшаться при охлаждении, оставаясь конечным при всех температурах. Такая зависимость действительно наблюдается на опыте при сравнительно высоких температурах. При более низких температурах порядка нескольких кельвинов возникает расхождение теории о опыта, удельное сопротивление многих металлов перестает зависеть от температуры и достигает некоторого предельного значения. Объяснение механизма этого явления было дано только через 60 лет после его открытия на основе квантово-механических представлений.

Амперметр — это прибор для измерения силы электрического тока.

Рис. 5.6.

Внешний вид школьного лабораторного амперметра, схема электрической цепи с амперметром для измерения силы тока в лампе и обозначение амперметра в электрических схемах.

Большинство аналоговых амперметров работает за счёт поворота катушки с током в магнитном поле. Это возможно, так как угол поворота катушки пропорционален силе тока, протекающего через неё.

Амперметр включается в цепь последовательно, чтобы через него протекал весь измеряемый ток, с соблюдением полярности подключения (см схему на рис. 5.6.). Как и любой электроприбор, амперметр имеет сопротивление, следовательно, после включения его в цепь её полное сопротивление увеличится, а сила тока уменьшится, поэтому амперметр покажет силу тока меньшую, чем та, которая была до его включения в цепь. Следовательно, амперметр должен иметь очень маленькое сопротивление, во много раз меньшее, чем сопротивление цепи, чтобы как можно меньше изменять параметры цепи.

 Предельный угол поворота катушки в конструкции прибора ограничивает максимальную силу тока, измеряемую с помощью данного амперметра. Для измерения большей силы тока параллельно амперметру присоединяют шунт, через который проходит часть измеряемого тока. Шунт — это проводник, присоединяемый параллельно амперметру для увеличения предела его измерений.

Вольтметр — прибор для измерения электрического напряжения.

Рис. 5.7.

Внешний вид школьного лабораторного вольтметра, схема электрической цепи с вольтметром для измерения напряжения на лампе

 и обозначение вольтметра в электрических схемах.

Принцип действия вольтметра такой же, как и у амперметра. Вольтметр включается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение, соблюдая полярность подключения (см. схему на рис 5.7.), но при этом сопротивление уменьшается, следовательно, уменьшается и напряжение, поэтому вольтметр покажет напряжение меньшее, чем то, которое было на участке до его подключения. Следовательно, вольтметр должен иметь большое сопротивление, значительно превосходящее сопротивление цепи, чтобы как можно меньше изменять параметры цепи.

Для увеличения предела измерений вольтметра, последовательно ему подключают дополнительное сопротивление. Дополнительное сопротивление — это проводник, присоединяемый последовательно с вольтметром для увеличения предела его измерений.

Содержание

Центр компьютерного обучения МБОУ СШ №2 © 2001 - 2026 г.