Презентация по физике на тему «Законы постоянного тока» | Презентация к уроку по физике на тему:

Слайд 1

Тема занятия: «Законы постоянного тока» Преподаватель физики Оболенская Н.С.

Слайд 2

Электрический ток Электрический ток –упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Слайд 5

Постоянный ток Ток называется постоянным, если сила тока и его направление не изменяется с течением времени.

Слайд 6

Действия тока Тепловое Химическое Магнитное Проводник, по которому течет ток, нагревается Э. т. может изменять химический состав проводника (выделять его хим. составные части) Магнитная стрелка вблизи проводника с током поворачивается

Слайд 7

Условия для существования электрического тока Наличие свободных заряженных частиц (электроны, положительные и отрицательные ионы).

Слайд 8

2. Наличие поля в проводнике. На заряженные частицы действует электрическое поле с силой, под действием которой заряженные частицы начинают упорядоченно двигаться. 3. Замкнутость цепи. Если проводник не будет замкнутым, то под действием поля разноименные заряды будут скапливаться на противоположных концах, создавая свое поле, которое накладывается на исходное по принципу суперпозиции и ослабляет его. Поэтому необходима замкнутость цепей. Однако так как работа поля по замкнутому контуру равна нулю, то необходим источник тока химического или физического принципа действия .

Слайд 9

Сила тока Главной физической величиной, характеризующей ток, является сила тока. Сила тока – физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени, за который этот заряд прошел. Обозначение: I Единица измерения: А – ампер (в честь французского физика Андре-Мари Ампера ) Иначе говоря, сила тока определяет скорость прохождения зарядов сквозь проводник.

Слайд 10

— + — е

Слайд 11

Прибор для измерения силы тока — амперметр Это электрический прибор, который необходимо подключить в цепь последовательно тому участку, силу тока на котором необходимо измерить. Обозначение амперметра на электрической схеме

Слайд 12

Закон Ома для участка цепи В 1826 году немецкий физик Георг Ом экспериментально установил: Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению. V А

Слайд 13

«Магический треугольник» закона Ома для участка цепи:

Слайд 14

Графические зависимости силы тока I от напряжения U ( вольт — амперная характеристика ) и от сопротивления R в соответствии с законом Ома представлены на рисунках:

Слайд 15

Сопротивление Физическая величина, характеризующая противодействие, оказываемое проводником электрическому току. Проводник имеет сопротивление в 1 Ом, если при разности потенциалов 1В сила тока в нем 1А.

Слайд 16

Сопротивление проводника

Слайд 17

Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединения проводников

Слайд 18

Для передачи энергии от источника тока к потребителям этой энергии с помощью соединительных проводов составляют электрическую цепь .

Слайд 20

3. Пример расчёта сложной цепи

Слайд 21

Работа и мощность постоянного тока

Слайд 22

Применяя формулу закона Ома для участка цепи, запишем несколько вариантов формулы для расчета работы тока: РАБОТА ТОКА — это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника. Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась:

Слайд 23

МОЩНОСТЬ ТОКА — отношение работы тока за время t к этому интервалу времени: В системе СИ мощность измеряется в ваттах:

Слайд 24

При прохождении тока по проводнику он нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам. По закону сохранения энергии: работа равна изменению энергии участка цепи, поэтому выделяемая проводником энергия равна работе тока:

Слайд 26

Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику: ЗАКОН ДЖОУЛЯ –ЛЕНЦА (1840 г. )

Тесты по теме «Электрический ток» онлайн

• Работа и мощность электрического тока (1 часть)

  23.03.2020 4228 0

  Тест для 8 класса по теме «Работа и мощность электрического тока» (1 часть)

• Сила тока и напряжение

  11.01.2021 6003

  Вашему вниманию предложен тест из 13-ти вопросов для закрепления темы «Сила тока и  электрическое напряжение». Этот тест предназначен для проверки и закрепления материала параграфов 37-41 учебника А.В. Перышкина «Физика-8»

• Электрическая цепь

  14. 12.2020 5309

  Тест имеет 10 заданий с выбором ответа. Предназначен для 8 класса. 

• Электрический ток. Соединения проводников

  14.03.2019 11451

  Проверочная работа на 20-25 минут. Прверяется знание формул, условных обозначений, навык решения задач.

• Работа и мощность электрического тока (2 часть)

  24.03.2020 755 0

  Тест для 8 класса по теме «Работа и мощность электрического тока» (2 часть)

• «Электрический ток в различных средах»

  17. 09.2020 3061 0

  Проверь свои знания по теме проводники, диэлектрики, ток в различных средах

• Тест по теме «Электрические явления»

  25.02.2023 26 0

  Тест предназначен для проверки усвоения  темам «Электрический ток. Действия тока. Электрические цепи. Сила тока. Амперметр» 8 класса по физике

• Электрический ток в металлах. Направление электрического тока.

  09.01.2021 2506 0

  Тест предназначен для учащихся 8 класса, для проверки усвоения темы «Электрический ток в металлах», «Направление электрического тока», умения объяснить существование электрического тока в металлах,  проверки чтения электрических схем.

• Тема «Трехфазная цепь переменного тока»

  27.10.2022

  234 0

  Тест по теме «Трехфазные цепи» дисциплина Электротехника и электроника. 

• Зависимость сопротивления проводника

  29.04.2020 87 0

  Зависимость сопротивления проводника — время ответа не ограничено, отвечать вдумчиво

• Сила тока. Напряжение. Подключение вольтметра и амперметра в цепь.

  08.01.2021 618 0

  Тест предназначен для проверки знаний по итогам изучения материала  параграфов 37-41 учебника А. В. Перышкина. Тест включает разнообразные задания на вычисление работы тока, силы тока, электрического заряда, напряжения, задания, проверяющие знания правил подключения вольтметра и амперметра в цепь, задания на проверку направления тока. разнообразны и формы заданий: задания с одним ответом, множественными ответами, на соответствие, расчетные задачи разного уровня сложности.

• Физика 10 класс. Электрический ток в различных средах.

  18.09.2020 2913 0

  Тест по теме «Электрический ток». Тематический тест для учеников 10 класса. Предназначен для проверки знаний по данной теме.

• Электрическая цепь и ее составные части

  21.

  12.2022 1132 0

  Данный тест разработан для проверки знаний учащихся 8 классов по теме: «Электрическая цепь и её составные части»

• Электрический ток.Источники электрического тока

  23.03.2021 1075 0

  Тест по курсу физике 8 класса. Составлен к учебнику физика 8 класс автор Перышкин А.В.

• Ток в различных средах

  29.05.2021 188 0

  Выполните тест по теме «Ток в различных средах». Физика 10 класс. Тест проверяет ваши знания по темам «Ток в металлах», «Ток в полупроводниках», «Ток в вакууме», «Ток в жидкостях».

• Электрическое поле

  03.09.2022

  409 0

  Курс «Электротехника и электроника «. Тестовые задания по Теме 1 Электрическое поле  

• Тест по Теме «Синхронный двигатель»

  12.12.2022 81 0

  Тест по дисциплине «Электротехника и электроника». Тема «Синхронные машины переменного тока». Тест содержит 20 тестовых заданий. 

• Электронтехника и электроника

  29.11.2021 500 0

  Тест по электротехнике и электронике, для закрепления знаний по темам : Электрические цепи постоянного тока, Электрические цепи переменного тока, Трансформаторы и др.  

• Электрический ток в различных средах

  20.10.2020 21 0

  Электричество одно из величайших достижений человечества. Прирученный электрон доставляет в наши дома и квартиры свет и тепло.

• Экзаменационный тест «Основы электротехники»

  18.12.2022 51 0

  Экзаменационный тест по дисциплине «Основы электротехники» для студентов 2 курса специальности 09.02.06

• Электрические явления

  26.

  05.2018 1128 0

   Тест для проверки знаний учащихся 8 класса по физике по разделу «Электрические явления». Тест содержит 10 вопросов разного типа. Время для прохождения теста не ограничено.

• Электрическая цепь постоянного тока

  11.09.2022 761 0

  Курс «Электротехника и электроника «. Тестовые задания по Теме 2 Электрическая цепь постоянного тока

• Тема «Однофазная цепь переменного тока»

  18.10.2022 286 0

  Тест по теме «Однофазные цепи переменного тока» образовательной программы «Электротехника и электроника». Предназначен для студентов 2 курса. 

• Электрические явления

  16.04.2020 134 0

  Контрольная работа по физике «Электрические явления» 8 класс

• Физика.10 класс. Основы электродинамики. Электрический ток. Вариант 1.

  01.05.2020 1276 0

  Тестовые задания предназначены для проверки знаний учащихся по теме «Основы электродинамики.Электрический ток».

• Экзамен по дисциплине «Электротехника и электроника»

  23. 03.2022 480 0

  Тест содержит 40 вопросов, на выполнение тестовых заданий отводится 60 мин.

• Тест по теме «Трансформаторы»

  18.11.2022 51 0

  Тест по дисциплине «Электротехника и электроника» ТЕМА «Трансформаторы». 

• Работа и мощность электрического тока (3 часть)

  30.03.2020 478 0

  Тест по физике для 8 класса по теме «Работа и мощность электрического тока» (3 часть).

• Электрический ток.

  Закон Ома для участка цепи.

  21.04.2020 1225 0

  Тест создан для проверки и закреплению зананий по курсу физики раздел электричество студентам СПО не технических специальностей

• Электрический ток в различных средах | 10 класс

  19.09.2020 38 0

  Тест по физке 10 класс |  Электрический ток в рахлиных средах.

• Электрический ток

  16.12.2020 263 0

  Тест имеет 7 заданий с выбором правильного ответа. Предназначен для учащихся 8 классов для проверки знаний после прохождения темы «Электрический ток».

• Магнитное поле катушки с током

  17.02.2021 42 0

  Тест по теме «Магнитное поле катушки с током» содержит 5 вопросов с выбором ответа. Каждый вопрос оценивается в 1 балл.

• Электрычны ток. Крыніцы току

  18.02.2021 3 0

   Тэставыя заданні складзены на аснове матэрыялу праграмы для 8 класа па вучэбным прадмеце «Фізіка» і дапамогуць вучням і ўсім жадаючым праверыць свае веды па тэме «Электрычны ток. Крыніцы току».

• тест Основы электродинамики

  26. 05.2021 464 0

  тест предназначен для студенто 1 и 2 курса, освоивших темы по разделу «Электродинамика»

• Тесты по электротехнике

  11.11.2021 224 0

  Тест по электротехнике для студентов 2-го курса, специальности: техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханнического оборудования.

• Тест по теме » Направление тока и направление линий магнитного поля»

  23.01.2022 282 0

  Тест состоит из 10 графических задач, в которых необходимо используя правило буравчика, определить направление тока или линий магнитного поля

• Тест по теме «Асинхронный двигатель»

  05. 12.2022 62 0

  Тест по дисциплине «Электротехника и электроника», предназначен для студентов 2 курса 

• Экзаменационный тест по дисциплине «Основы электротехники и электроники»

  19.12.2022 9 0

  Банктестовых заданий составляет 350 вопросов. В каждой попытке случайным образом выдается 60 вопросов, на прохождение которых отводится 90 минут.

• Тест для проверки знаний по теме «Постоянный электрический ток»

  17.07.2018 252 0

  Тестовые задания соответствуют структуре ЕГЭ по физике. Тест предназначен для проверки знаний по теме «Постоянный электрический ток»

• Работа «Электризация тел. Постоянный электрический ток»

  15.01.2019 244 0

  Работа предназначена для проверки знаний по теме при подготовке к ОГЭ по физике

• Электромагнитные явления.

  24.03.2020 565 0

  Образовательный тест по теме: «Электромагнитные явления» для учащихся 8-ых классов.

• Электротехника. Контрольная работа

  28. 05.2020 1707 0

  Тест подготовлен к проведению контрольной работы по Электротехнике  группе 99.

• «Электрический ток в различных средах»

  17.09.2020 148 0

  Тест создан на основе знаний из курса физики 10-11 класса. Вопросы включают в себя разные термины и формулы.

• Электрический ток в разных средах

  17.09.2020 27 0

  Проверь свои знания по теме проводники, диэлектрики, ток в различных средах. 

• Электрический ток в различных средах

  21. 10.2020 804 0

  Тест по теме «Электрический ток». Тематический тест для учеников 10 класса. Предназначен для проверки знаний по данной теме.

• Действие магнитного поля на проводник с током

  17.02.2021 606 0

  Тест по теме «Действие магнитного поля на проводник с током» содержит 5 вопросов с выбором ответа, каждый вопрос оценивается в 1 балл.

• Электрический ток

  09.02.2022 334 0

  Тест по основным понятиям «сила тока», «напряжение», «сопротивление», «перевод единиц» за курс 8 класса.  

• Работа и мощность тока

  10.03.2022 257 0

  Тест содержит 10 вопросов различного типа по темам: Работа тока.  Мощность тока. Закон Ома для участка цепи.

• Работа и мощность электрического тока

  19.05.2022 9 0

  тест для проверки знаний перед контрольной работой для обучающихся в 8 классе

• Энергия магнитеного поля. Энергия электрического поля. Электрический ток.

  19. 05.2022 101 0

  Небольшой тест для контроля усвоения пройденного материала. Вам предстоит ответить на десять вопросов.

• Трансформатор тока

  06.07.2022 43 0

  Ребята, предлагаю проверить свои знания в области трансформаторов тока. Это поможет вам в изучении темы урока учебной практики «Подключение трехфазного электросчетчика с помощью трансформаторов тока»

• Тест по Теме «Полупроводниковые приборы»

  12.12.2022 138 0

  Тест по дисциплине «Электротехника и электроника», «Электронная техника»

20.

1 Ток – Колледж физики

Глава 20 Электрический ток, сопротивление и закон Ома

Резюме

• Определение электрического тока, силы тока и скорости дрейфа
• Опишите направление потока заряда в обычном токе.
• Использовать скорость дрейфа для расчета тока и наоборот.

Электрический ток определяется как скорость, с которой течет заряд. Большой ток, например, используемый для запуска двигателя грузовика, перемещает большое количество заряда за короткое время, в то время как слабый ток, например, используемый для работы ручного калькулятора, перемещает небольшое количество заряда в течение короткого времени. длительный период времени. В форме уравнения электрический ток определяется как

где — количество заряда, прошедшего через данную площадь за время. (Как и в предыдущих главах, начальное время часто принимается равным нулю, и в этом случае .) (См. рис. 1. ) Единицей силы тока в системе СИ является ампер (А), названная в честь французского физика Андре-Мари Ампера ( 1775–1836). Поскольку , мы видим, что ампер равен одному кулону в секунду:

В амперах (или амперах) указаны не только предохранители и автоматические выключатели, но и многие электроприборы.

Рисунок 1. Скорость потока заряда текущая. Ампер — это поток в один кулон через площадь за одну секунду.

Пример 1: Расчет токов: ток в аккумуляторной батарее грузовика и портативном калькуляторе

(a) Какой ток возникает, когда аккумуляторная батарея грузового автомобиля приводится в движение с зарядом 720 Кл за 4,00 с при запуске двигателя? б) Сколько времени потребуется заряду 1,00 Кл, чтобы пройти через карманный калькулятор, если через него протекает ток 0,300 мА?

Стратегия

Мы можем использовать определение тока в уравнении, чтобы найти ток в части (а), поскольку заряд и время заданы. В части (b) мы меняем определение тока и используем заданные значения заряда и тока, чтобы найти требуемое время.

Решение для (а)

Ввод заданных значений заряда и времени в определение тока дает

Обсуждение для (а)

Это большое значение тока иллюстрирует тот факт, что большой заряд перемещается за небольшой промежуток времени. Токи в этих «стартерах» довольно велики, поскольку при приведении чего-либо в движение необходимо преодолевать большие силы трения.

Решение для (b)

Решение соотношения для времени и ввод известных значений заряда и тока дает

Обсуждение для (b)

Это время чуть меньше часа. Небольшой ток, используемый ручным калькулятором, требует гораздо больше времени для перемещения меньшего заряда, чем большой ток стартера грузовика. Так почему же мы можем работать с нашими калькуляторами всего через несколько секунд после их включения? Это потому, что калькуляторы требуют очень мало энергии. Такие малые требования к току и энергии позволяют портативным калькуляторам работать от солнечных батарей или работать много часов от небольших батарей. Помните, что в калькуляторах нет движущихся частей, как в двигателе грузовика с цилиндрами и поршнями, поэтому технология требует меньших токов.

На рис. 2 показана простая схема и стандартное схематическое представление батареи, проводящего пути и нагрузки (резистора). Схемы очень полезны для визуализации основных особенностей схемы. Одна схема может отображать множество ситуаций. Схема на рис. 2(b), например, может представлять что угодно: от аккумулятора грузовика, подключенного к фаре, освещающей улицу перед грузовиком, до небольшой батареи, подключенной к фонарику-ручке, освещающему замочную скважину в двери. Такие схемы полезны, потому что анализ одинаков для самых разных ситуаций. Нам нужно понять несколько схем, чтобы применить концепции и анализ ко многим другим ситуациям.

Рис. 2. (а) Простая электрическая цепь. Замкнутый путь для протекания тока обеспечивается проводящими проводами, соединяющими нагрузку с клеммами батареи. (b) На этой схеме батарея представлена ​​двумя параллельными красными линиями, проводники показаны прямыми линиями, а зигзаг представляет собой нагрузку. Схема представляет большое разнообразие подобных схем.

Обратите внимание, что направление тока на рис. 2 — от положительного к отрицательному. Направление обычного тока — это направление, в котором будет течь положительный заряд . В зависимости от ситуации могут перемещаться положительные заряды, отрицательные заряды или и то, и другое. В металлических проводах, например, ток переносится электронами, то есть движутся отрицательные заряды. В ионных растворах, таких как соленая вода, движутся как положительные, так и отрицательные заряды. Это верно и для нервных клеток. Генератор Ван де Граафа, используемый для ядерных исследований, может производить ток чисто положительных зарядов, таких как протоны. Рисунок 3 иллюстрирует движение заряженных частиц, составляющих ток. Тот факт, что обычный ток считается направленным в сторону положительного заряда, можно проследить до американского политика и ученого Бенджамина Франклина в 1700-х годах. Он назвал тип заряда, связанного с электронами, отрицательным задолго до того, как стало известно, что они несут ток во многих ситуациях. Франклин, по сути, совершенно не знал о мелкомасштабной структуре электричества.

Важно понимать, что в проводниках, ответственных за производство тока, существует электрическое поле, как показано на рисунке 3. В отличие от статического электричества, где проводник, находящийся в равновесии, не может иметь в себе электрического поля, проводники, по которым течет ток, имеют электрическое поле. поле и не находятся в статическом равновесии. Электрическое поле необходимо для подачи энергии для перемещения зарядов.

Установление связей: домашнее исследование — иллюстрация электрического тока

Найдите соломинку и горошины, которые могут свободно перемещаться в соломе. Положите соломинку на стол и наполните ее горошком. Когда вы вставляете одну горошину с одного конца, другая горошина должна выскочить с другого конца. Эта демонстрация представляет собой аналогию электрического тока. Определите, что сравнивается с электронами и что сравнивается с запасом энергии. Какие еще аналогии вы можете найти для электрического тока?

Обратите внимание, что движение гороха основано на физическом столкновении горошин друг с другом; электроны текут за счет взаимно отталкивающих электростатических сил.

Рис. 3. Ток I — это скорость, с которой заряд проходит через площадь A , такую ​​как поперечное сечение провода. Условный ток определен для движения в направлении электрического поля. (а) Положительные заряды движутся в направлении электрического поля и в том же направлении, что и обычный ток. б) Отрицательные заряды движутся в направлении, противоположном электрическому полю. Обычный ток направлен в сторону, противоположную движению отрицательного заряда. Поток электронов иногда называют электронным потоком.

Пример 2: Расчет количества электронов, проходящих через калькулятор

Если ток 0,300 мА через калькулятор, упомянутый в примере 1, переносится электронами, сколько электронов в секунду проходит через него?

Стратегия

Ток, рассчитанный в предыдущем примере, был определен для потока положительного заряда. Для электронов величина такая же, но знак противоположный,

. Поскольку каждый электрон () имеет заряд , мы можем преобразовать ток в кулонах в секунду в электроны в секунду.

Решение

Начав с определения тока, мы имеем

Мы разделим это на заряд, приходящийся на один электрон, так что отдельные заряды не замечаются, как не замечаются отдельные молекулы воды в потоке воды. Еще более удивительно то, что они не всегда продолжают двигаться вперед, как солдаты на параде. Скорее они похожи на толпу людей с движением в разных направлениях, но общей тенденцией двигаться вперед. В металлической проволоке происходит множество столкновений с атомами и, конечно же, с другими электронами.

Известно, что электрические сигналы распространяются очень быстро. Телефонные разговоры, переносимые токами по проводам, проходят большие расстояния без заметных задержек. Свет загорается, как только щелкаешь выключателем. Большинство электрических сигналов, переносимых токами, распространяются со скоростью порядка , что составляет значительную часть скорости света. Интересно, что отдельные заряды, составляющие ток, в среднем движутся на намного медленнее, обычно дрейфуя со скоростью порядка . Как нам согласовать эти две скорости и что это говорит нам о стандартных проводниках?

Высокая скорость электрических сигналов обусловлена ​​тем, что сила между зарядами быстро действует на расстоянии. Таким образом, когда свободный заряд попадает в провод, как на рис. 4, входящий заряд отталкивает другие заряды впереди себя, которые, в свою очередь, отталкивают заряды дальше по линии. Плотность заряда в системе нельзя легко увеличить, поэтому сигнал передается быстро. Возникающая в результате ударная волна электрического тока движется по системе почти со скоростью света. Точнее, этот быстро движущийся сигнал или ударная волна представляет собой быстро распространяющееся изменение электрического поля.0005 Рисунок 4. Когда заряженные частицы попадают в этот объем проводника, такое же количество быстро вынуждено покинуть его. Отталкивание между одноименными зарядами затрудняет увеличение количества зарядов в объеме. Таким образом, как только входит один заряд, другой почти сразу уходит, быстро перенося сигнал вперед.

Хорошие проводники имеют большое количество свободных зарядов. В металлах свободными зарядами являются свободные электроны. На рис. 5 показано, как свободные электроны движутся по обычному проводнику. Расстояние, которое может пройти отдельный электрон между столкновениями с атомами или другими электронами, весьма мало. Таким образом, траектории электронов кажутся почти случайными, как движение атомов в газе. Но в проводнике есть электрическое поле, которое заставляет электроны дрейфовать в указанном направлении (противоположном полю, поскольку они отрицательны). дрейфовая скорость — средняя скорость свободных зарядов. Скорость дрейфа довольно мала, поскольку так много свободных зарядов. Если у нас есть оценка плотности свободных электронов в проводнике, мы можем рассчитать скорость дрейфа для данного тока. Чем больше плотность, тем ниже скорость, необходимая для данного тока.

Рис. 5. Свободные электроны, движущиеся в проводнике, совершают много столкновений с другими электронами и атомами. Показан путь одного электрона. Средняя скорость свободных зарядов называется скоростью дрейфа v _d , а для электронов — в направлении, противоположном электрическому полю. Столкновения обычно передают энергию проводнику, что требует постоянной подачи энергии для поддержания постоянного тока.

Проводимость электричества и тепла

Хорошие электрические проводники часто также являются хорошими проводниками тепла. Это связано с тем, что большое количество свободных электронов может переносить электрический ток и переносить тепловую энергию.

Столкновения свободных электронов передают энергию атомам проводника. Электрическое поле выполняет работу по перемещению электронов на расстояние, но эта работа не увеличивает кинетическую энергию (и, следовательно, скорость) электронов. Работа передается атомам проводника, возможно повышая температуру. Таким образом, для поддержания протекания тока требуется непрерывная потребляемая мощность. Исключение, конечно, составляют сверхпроводники по причинам, которые мы рассмотрим в одной из последующих глав. Сверхпроводники могут иметь постоянный ток без постоянного источника энергии — большая экономия энергии. Напротив, подача энергии может быть полезной, например, в нити накала лампочки. Подача энергии необходима для повышения температуры вольфрамовой нити, чтобы нить накала светилась.

Установление связей: домашнее расследование — Наблюдение за нитью

Найдите лампочку с нитью накала. Посмотрите внимательно на нить и опишите ее структуру. К каким точкам присоединяется нить?

Мы можем получить выражение для зависимости между током и скоростью дрейфа, рассмотрев количество свободных зарядов в отрезке провода, как показано на рисунке 6. Количество свободных зарядов в единице объема обозначено символом и зависит от материал. Заштрихованный сегмент имеет объем , так что количество свободных зарядов в нем равно . Таким образом, плата в этом сегменте составляет , где — сумма платы на каждом перевозчике. (Вспомним, что для электронов это .) Ток — это заряд, перемещаемый в единицу времени; таким образом, если все первоначальные заряды выйдут из этого отрезка за время , ток равен

Обратите внимание, что это величина скорости дрейфа , так как заряды перемещаются на среднее расстояние за время . Перестановка терминов дает

,

где — сила тока через провод сечением из материала с плотностью свободного заряда . Каждый из носителей тока имеет заряд и движется с дрейфовой скоростью величины .

Рис. 6. Все заряды в заштрихованном объеме этой проволоки удаляются за время t со скоростью дрейфа величиной v _d = x/t . См. текст для дальнейшего обсуждения.

Обратите внимание, что простая скорость дрейфа — это еще не все. Скорость электрона намного больше скорости его дрейфа. Кроме того, не все электроны в проводнике могут двигаться свободно, а те, которые могут двигаться, могут двигаться несколько быстрее или медленнее скорости дрейфа. Так что же мы подразумеваем под свободными электронами? Атомы в металлическом проводнике упакованы в виде решетчатой ​​структуры. Некоторые электроны находятся достаточно далеко от ядер атомов, поэтому они не испытывают притяжения ядер так сильно, как внутренние электроны. Это свободные электроны. Они не связаны ни с одним атомом, а вместо этого могут свободно перемещаться среди атомов в «море» электронов. Эти свободные электроны реагируют ускорением при приложении электрического поля. Конечно, когда они движутся, они сталкиваются с атомами в решетке и другими электронами, выделяя тепловую энергию, и проводник нагревается. В изоляторе организация атомов и структура не допускают таких свободных электронов.

Пример 3. Расчет дрейфовой скорости в общем проводе

Рассчитайте дрейфовую скорость электронов в медном проводе 12-го калибра (диаметром 2,053 мм), по которому течет ток силой 20,0 А, учитывая, что на атом меди. (Бытовая электропроводка часто содержит медный провод 12-го калибра, и максимально допустимый ток в таком проводе обычно составляет 20 А.) Плотность меди составляет .

Стратегия

Мы можем рассчитать скорость дрейфа, используя уравнение. Ток дан и есть заряд электрона. Площадь поперечного сечения провода можно рассчитать по формуле , где — половина заданного диаметра, 2,053 мм. Нам дана плотность меди, , и таблица Менделеева показывает, что атомная масса меди составляет 63,54 г/моль. Мы можем использовать эти две величины вместе с числом Авогадро для определения числа свободных электронов на кубический метр.

Решение

Сначала рассчитайте плотность свободных электронов в меди. На один атом меди приходится один свободный электрон. Следовательно, это то же самое, что и число атомов меди на . Теперь мы можем найти следующее:

Площадь поперечного сечения провода равна

Перестановка для выделения скорости дрейфа дает

Обсуждение показывает, что отрицательные заряды 8 90 движется в направлении, противоположном обычному течению. Небольшое значение скорости дрейфа (порядка ) подтверждает, что сигнал движется на порядок раз быстрее (около ), чем переносящие его заряды.

Задачи и упражнения

1: Какова сила тока в миллиамперах, создаваемая солнечными элементами карманного калькулятора, через который проходит заряд 4,00 Кл за 4,00 ч?

2: Всего через фонарь проходит заряд 600 Кл за 0,500 ч. Какой средний ток?

3: Какова сила тока, когда типичный статический заряд перемещается с вашего пальца на металлическую дверную ручку в ?

4: Определите силу тока, когда 2,00 нКл прыгает между расческой и волосами за интервал времени 0,500–.

5: Большая молния имела силу тока 20 000 А и заряд 30,0 Кл. Какова была его продолжительность?

6: Ток 200 А через свечу зажигания перемещает заряд 0,300 мКл. Как долго держится искра?

7: (a) Дефибриллятор посылает ток силой 6,00 А через грудную клетку пациента, применяя потенциал 10 000 В, как показано на рисунке ниже. Чему равно сопротивление пути? (b) Лопасти дефибриллятора соприкасаются с пациентом через проводящий гель, который значительно снижает сопротивление пути. Обсудите трудности, которые возникли бы, если бы большее напряжение использовалось для получения того же тока через пациента, но с сопротивлением пути, возможно, в 50 раз превышающим сопротивление. (Подсказка: ток должен быть примерно таким же, поэтому более высокое напряжение будет означать большую мощность. Используйте это уравнение для мощности: .)

Рисунок 7. Конденсатор в дефибрилляторе пропускает ток через сердце пациента

8: Во время операции на открытом сердце дефибриллятор может быть использован для выведения пациента из состояния остановки сердца. Сопротивление пути равно и необходим ток 10,0 мА. Какое напряжение должно быть подано?

9: (а) Дефибриллятор пропускает ток силой 12,0 А через туловище человека за 0,0100 с. Сколько заряда перемещается? б) Сколько электронов проходит по проводам, подсоединенным к пациенту? (См. рисунок две проблемы выше.)

10: Батарея часов изнашивается после прохождения 10 000 Кл заряда через часы со скоростью 0,500 мА. а) Сколько времени шли часы? б) Сколько электронов перетекало в секунду?

11: Батареи подводной неатомной подводной лодки выдают 1000 А на полном ходу вперед. Сколько времени потребуется, чтобы переместить количество электронов Авогадро () с такой скоростью?

12: Электронные пушки используются в рентгеновских трубках. Электроны ускоряются за счет относительно большого напряжения и направляются на металлическую мишень, производя рентгеновское излучение. а) Сколько электронов в секунду попадает на мишень, если ток равен 0,500 мА? б) Какой заряд поражает цель за 0,750 с?

13: Большой циклотрон направляет пучок ядер на мишень с током пучка 0,250 мА. а) Сколько это ядер в секунду? б) Через какое время 1,00 градус поразит цель? в) Через какое время 1,00 моль ядер поразит мишень?

14: Повторите приведенный выше пример на Примере 3, но для проволоки из серебра и данного на один атом серебра приходится один свободный электрон.

15: Используя результаты приведенного выше примера на примере 3, найти скорость дрейфа в медной проволоке двойного диаметра и проводящей ток 20,0 А.

16: Медный провод 14-го калибра имеет диаметр 1,628 мм. Ток какой величины протекает при скорости дрейфа 1,00 мм/с? (Полезную информацию см. выше в примере 3). движется почти со скоростью света. (См. рис. 8.) Сколько электронов находится в пучке?

Рис. 8. Электроны, циркулирующие в накопительном кольце под названием SPEAR, образуют ток силой 20,0 А. Поскольку они движутся со скоростью, близкой к скорости света, каждый электрон совершает множество оборотов в секунду.

электрический ток

скорость, с которой течет заряд, I = Δ Q / Δ t

ампер

(ампер) единица силы тока в системе СИ; 1 А = 1 Кл/с

скорость дрейфа

средняя скорость, с которой текут свободные заряды в ответ на электрическое поле

 

Circuits Review: AP® Physics 1 & 2 Crash Course Review

Проще говоря, цепь представляет собой замкнутую проводящую проволочную петлю с некоторыми элементами, такими как батареи, резисторы и конденсаторы. В AP® Physics 1 рассматриваются только батареи и резисторы; Физика 2 также охватывает конденсаторы. В этой статье мы рассмотрим характеристики цепей, резисторов и конденсаторов, а также решим несколько примеров задач, аналогичных тем, которые используются на экзаменах AP® Physics 1 и 2.

Ток

Электрический ток определяется как заряд, проходящий через площадь поперечного сечения за время:

Электрический ток = заряд за время.

Заряд измеряется в кулонах (C), поэтому ток измеряется в кулонах в секунду или в амперах: 1A=1C/s. Например, если через резистор за 10 с прошло заряд 5,0 Кл, ток будет (5,0 Кл)/(10 с) = 0,5 А. Физики обычно обозначают ток буквой I. Обычно используются как строчные, так и заглавные буквы.

Вот краткое объяснение микроскопического происхождения электрического тока:

Электрический ток: краткий микроскопический взгляд

Электрические цепи полезны, потому что они управляют потоком электрического заряда. Представьте металлическую проволоку. Вы могли знать из курса химии, что металлические связи образуются, когда каждый атом делит свой валентный электрон (электроны) со всеми другими атомами — электроны не «прикреплены» к какому-либо отдельному атому и, следовательно, образуют «электронное море».

Когда электронное «море» демонстрирует чистое движение в определенном направлении вдоль провода, мы говорим, что провод несет электрический ток . Электрический ток движется в направлении, противоположном направлению электронов, потому что электроны заряжены отрицательно; физики используют направление, в котором положительные заряды двигались бы (если бы они могли двигаться, поскольку атомные ядра тяжелые) в качестве условного знака.

Электронное «море» движется очень, очень медленно (порядка микрометров в секунду), но электронов так много, что даже очень медленное движение создает измеримый ток.

Хотя настоящие электроны могут не перемещаться по всей цепи, ток должен это делать. Вот почему цепи должны быть закрытыми, или не иметь разрывов. Если в цепи есть разрыв, то ток не может пройти туда и обратно, и мы говорим, что цепь разомкнута.

В стационарной цепи ни в одном узле не накапливается заряд (узел — это место соединения двух или более проводов). Следовательно, ток, входящий в узел, должен быть равен току, выходящему из узла:

Ток на входе = ток на выходе.

Это называется правилом узлов Кирхгофа, правилом узлов Кирхгофа, или первым законом Кирхгофа . Это формулировка принципа сохранения заряда в узле цепи.

Напряжение

Разность потенциалов определяется как изменение потенциальной энергии на единицу заряда:

Разность потенциалов = (изменение потенциальной энергии) / (заряд).

Поскольку потенциальная энергия измеряется в джоулях (Дж), а заряд — в кулонах (Кл), напряжение измеряется в джоулях на кулон или вольтах: 1 В = 1 Дж/Кл. Физики обозначают напряжение заглавной буквой V. Мы говорим «разность напряжений», потому что ни одна точка в цепи не имеет определенного истинного напряжения — только разница в напряжении между двумя точками в цепи имеет физический смысл.

Когда ток проходит через элемент цепи, заряженные частицы могут приобретать потенциальную энергию (положительная разность потенциалов) или терять потенциальную энергию (отрицательная разность потенциалов). Существует определенная разность напряжений на каждом элементе цепи, но когда ток совершает круговое движение, его энергия должна быть такой же, как и в начале:

Сумма разностей напряжений в замкнутом контуре должна быть равна нулю.

Это называется правилом петли Кирхгофа или Второй закон Кирхгофа .

Имейте в виду, что термины «разность напряжений», «разность потенциалов», «падение напряжения», «изменение потенциала» и другие подобные термины означают одно и то же.

Обычно батареи необходимы для поддержания отличного от нуля электрического тока в цепи. В частности, сопротивление цепи вызывает потерю энергии, которая восполняется за счет химической энергии батареи. Напряжение на батарее называется электродвижущей силой , или ЭДС:

ЭДС = электродвижущая сила = увеличение напряжения на батарее.

Электродвижущая «сила» не является истинной силой; название — историческая реликвия, заменить которую пока никто не удосужился. Вы можете прочитать ЭДС батареи на ее этикетке; например, небольшие прямоугольные батареи обычно имеют ЭДС 9В.

Символ цепи батареи на экзаменах AP®:

Источник изображения: Wikimedia Commons

Более длинная линия на символе батареи всегда соответствует более высокому напряжению. (Вы можете увидеть батареи с большим количеством линий; по-прежнему должны быть одна короткая и одна длинная линия на концах символа.) Если ЭДС батареи равна 9V, то мы говорим, что разность потенциалов на аккумуляторе слева направо составляет 9 В. Разность потенциалов справа налево равна -9В.

Сопротивление

Сопротивление – это свойство элемента цепи, вызывающее потерю энергии. Например, если материал провода не является идеально проводящим (ничто не является идеально проводящим, за исключением сверхпроводников), то энергия будет теряться при протекании тока по проводу. Часто элементы схемы разрабатываются так, чтобы преднамеренно вызывать потерю энергии; эти элементы схемы называются резисторы . Символ цепи для резистора на экзамене AP®:

Источник изображения: Wikimedia Commons

Все резисторы и сопротивления, которые вы встречаете в AP® Physics, подчиняются соотношению, называемому Законом Ома:

V=IR.

В этом уравнении V — разность потенциалов на элементе цепи, I — ток через элемент, а R — его сопротивление. Элементы цепи, подчиняющиеся этому закону, называются Омическими.

Помните, мы говорили, что V — это изменение потенциальной энергии на один заряд. Когда мы умножаем на ток, мы получаем изменение потенциальной энергии за время: 92/R,

Последние два выражения получаются путем замены V=IR в различных формах в самом левом равенстве. Функция батареи состоит в том, чтобы компенсировать эту потерю энергии путем преобразования ее химической энергии в электрическую энергию, которая в конечном итоге рассеивается в виде тепла резистором (ами) в соответствии с приведенной выше формулой. Вот почему батарейки разряжаются!

Комбинация сопротивлений

На экзамене AP® вы увидите резисторы, соединенные друг с другом в различных комбинациях. Все традиционные комбинации можно разбить на более простые комбинации двух типов: последовательные и параллельные.

Почти наверняка вас попросят найти «эквивалентное сопротивление» комбинации резисторов. «Эквивалентное сопротивление» означает сопротивление одного резистора, который дает такой же ток при той же разности напряжений, что и исходная комбинация, или, что то же самое, сопротивление одного резистора, который дает такую ​​же разность напряжений при том же токе. Все, что нам нужно, чтобы вывести формулу для комбинаций резисторов, — это закон Ома, V = IR и законы Кирхгофа.

Резисторы, включенные последовательно

Резисторы, соединенные последовательно, соединяются по одному пути тока; вы можете думать о них как о двух водяных колесах на одной и той же реке. Ниже приведены два последовательных резистора и желаемое эквивалентное сопротивление.

Один и тот же ток I проходит через { R }_{ 1 } и { R }_{ 2 }, поэтому напряжения на этих резисторах равны

{ V }_{ 1 }={ IR }_{ 1 }, {V}_{2}={IR}_{2}.

Суммарное напряжение на комбинации 9 В.0005

{ V }_{ 1 }+{ V }_{ 2 }=I ({ R }_{ 1 }+{ R }_{ 2 }).

Мы хотим, чтобы эквивалентное сопротивление давало то же напряжение, что и общее напряжение комбинации:

{ V }_{ eq }={ V }_{ 1 }+{ V }_{ 2 }= I ({ R }_{ 1 }+{ R }_{ 2 }).

Так как { V }_{ eq }={ IR }_{ eq }, мы имеем { R }_{ eq }={ R }_{ 1 }+{ R }_{ 2 }. Распространяя это на произвольное количество последовательно соединенных резисторов, эквивалентное сопротивление последовательных резисторов составляет

{R}_{eq}={ R }_{ 1 }+{ R }_{ 2 }+{ R }_{ 3 }

Параллельные резисторы

Параллельные резисторы соединены отдельными ветвями, которые соединяются вместе до и после прохождения тока через параллельные резисторы:

На рисунке выше общий ток I разделяется на меньшие токи I ₁ и I ₂ , которые проходят через резисторы R ₁ и R ₂ соответственно. По правилу пересечения Кирхгофа

I ={ I }_{ 1 }+{ I }_{ 2 }.

По правилу Кирхгофа для контура, состоящего из резисторов 1 и 2,

{ V }_{ 1 }={ V }_{ 2 }, или

{ R }_{ 1 }{ I }_{ 1 }={ Р }_{ 12}{ Я }_{ 2 }

{ I }_{ 2 }={ R }_{ 1 }{ I }_{ 1 }/{ R }_{ 2 }.

Подставляя это в правило пересечения Кирхгофа, мы получаем

I ={ I }_{ 1 }(1+{ R }_{ 1 }/{ R }_{ 2 }).

Напряжение на эквивалентном сопротивлении по определению равно либо напряжению на резисторе 1, либо на резисторе 2 (они равны):

{ R }_{ eq }I={ R }_{ 1 }{I }_{ 1 }.

Объединив это с предыдущим уравнением, мы получим \dfrac{1}{R_{eq}} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2}. Распространяя на произвольное количество резисторов, эквивалентное сопротивление параллельных резисторов определяется по формуле:

{\dfrac{1}{R_{eq}} = \dfrac{1}{R_1} + \dfrac{1}{R_2} + \dfrac{1}{R_3} }.

Чтобы найти эквивалентное сопротивление алгебраически, это уравнение предлагает вам сложить обратные величины параллельных сопротивлений и получить обратную сумму. Это желаемое эквивалентное сопротивление.

Вот пример проблемы, в которой задействованы как параллельные, так и последовательные резисторы.

Эквивалентное сопротивление

Ток силой 2 А проходит через комбинацию резисторов, приведенную ниже:

(a) Найдите ток через каждый резистор.

(b) Найдите мощность, рассеиваемую каждым резистором.

(c) Найдите эквивалентное сопротивление комбинации.

(d) Найдите полную мощность, рассеиваемую этой комбинацией.

Решение:

(a) Весь ток должен проходить через резистор 15 Ом, поэтому ток через него равен 2,0 А. Параллельная комбинация состоит из двух одинаковых сопротивлений, поэтому ток через любое из них равен 1,0 А. Если бы эти сопротивления не были одинаковыми, вам пришлось бы использовать законы Кирхгофа для составления уравнений { 1 }={ R }_{ 2 }{ I }_{ 2 },

, а затем найдите { I }_{ 1 }   и {I }_{ 2 }. 9{ 2 }(15\Омега)=60 Вт.

(c) Эквивалентное сопротивление параллельной комбинации определяется как

\dfrac{1}{R_{parallel}} = \dfrac{1}{10 \Omega} + \dfrac{1}{10 \Omega} , или R_{parallel} = 5 \Omega.

Эквивалентное сопротивление всей комбинации получается путем суммирования сопротивления первой комбинации с остальным сопротивлением последовательно:

R_{eq} = 5 \Omega + 15 \Omega = {20 \Omega}.

(d) Поскольку напряжение и ток идентичны в эквивалентных сопротивлениях и комбинациях сопротивлений, мощность также одинакова. Мы можем просто использовать формулу мощности 92(20 \Омега) = {80 Вт}.

Конечно, это равно сумме мощностей, рассеиваемых тремя резисторами в части (b).

Емкость (только для физики 2)

Конденсатор представляет собой устройство, состоящее из двух металлических пластин , разделенных небольшим расстоянием, которые могут содержать изолятор, например бумагу или керамику.

Ниже приведен символ емкости на экзамене AP® Physics 2; вы можете увидеть символическое изображение двух пластин:

Символ цепи для неполяризованного конденсатора. Источник изображения: Wikimedia Commons

Конденсатор имеет емкость для накопления заряда: одна пластина заряжена положительно и имеет более высокий потенциал; другая пластина заряжена отрицательно и имеет более низкий потенциал. Чем выше емкость, тем больше заряда он может хранить при данной разности напряжений. Мы называем это отношение емкостью, которую обозначают заглавной буквой C.

Q=CV.

Q представляет величину заряда на любой пластине, а V представляет собой разность потенциалов между двумя пластинами. Емкость измеряется в кулонах на вольт; физики называют эту единицу Фарада :

1F=1C/V.

Подумайте об уравнении Q=CV. Если V постоянно, то и Q остается постоянным. Поскольку отсутствие изменения заряда означает отсутствие протекания тока,

В полностью заряженный конденсатор не поступает ток и не выходит из него.

Ток течет, только если конденсатор заряжается или разряжается. Вам не придется беспокоиться об этом на экзамене AP® Physics 2: вопросы касаются только стационарного поведения конденсаторов — когда они полностью заряжены или вообще не заряжены.

92}{2C} = \dfrac{QV}{2}.

Если вы запомните одну формулу, то сможете получить две другие, подставив различные формы определения емкости, Q=CV.

Объединение емкостей (только для физики 2)

Законы нахождения эквивалентных емкостей обратны законам для сопротивлений. Выводы очень похожи, поэтому я не буду выводить формулы для эквивалентных емкостей, но вот они:

Конденсаторы серии

{\ dfrac {1} {C_ {eq, ряд}} = \ dfrac {1} {C_1} + \ dfrac {1} {C_2} + \ dfrac {1} {C_3}}.

Параллельные конденсаторы

{C_{экв, параллельно} = C_1 + C_2 + C_3}

Давайте решим пример задачи, похожей на ту, с которой вы можете столкнуться на экзамене AP® Physics 2.

Эквивалентная емкость

На приведенной ниже диаграмме емкость каждого конденсатора составляет 10 мФ, а напряжение на комбинации составляет 5,0 В.

(a) Найдите напряжение на каждом конденсаторе.

(b) Найдите заряд каждого конденсатора.

(c) Найдите эквивалентную емкость.

(d) Найдите полную энергию, запасенную в цепи.

Решение:

(a) Напряжение на обеих ветвях должно быть одинаковым по правилу Кирхгофа. Поскольку емкости двух конденсаторов в верхней ветви равны, оба имеют разность потенциалов 2,5 В. Разность потенциалов на нижнем конденсаторе составляет 5,0 В.

(b) Используя уравнение Q=CV, находим

{ Q }_{ верх }=(10 мФ)(2,5 В)=25 мКл,

{ Q }_{ низ }= (10 мФ)(5 В) =50мКл.

(c) Используя правило сложения рядов, эквивалентная емкость верхней ветви определяется как

\dfrac{1}{C_{top}} = \dfrac{1}{10 мФ} + \dfrac{1} {10 мФ} или C_{top} = 5 мФ.

Используя правило параллельного сложения для обеих ветвей,

C_{eq} = 5 мФ + 10 мФ = {15 мФ}.

(d) Мы знаем эквивалентную емкость комбинации и полное напряжение на ней, поэтому по формуле энергии 92}{2} = {0,19 Дж}.

Завершающие схемы для экзаменов AP® по физике 1 и 2

Вот важные уравнения, которые вы должны знать для экзаменов AP® по физике 1 и 2.

Правило Kirchhoff’s Junction

Ток в = ток

Kirchhoff Rule About Arlop

Sum of Liful Difsue Arens Arlop a Loop = 0

Sum of Liful Difsue Arlop Arlop a Loop = 0

9000

9002 Sum of Liful Arenge Arlop Arlop a Loop = 0

.2}{2C} = \dfrac{QV}{2}

Серия Эквивалентная емкость

  {\dfrac{1}{C_{eq, series}} = \dfrac{1}{C_1} + \dfrac{1}{C_2} + \dfrac{1}{ С_3}}

Параллельная эквивалентная емкость

{C_{экв, параллель} = C_1 + C_2 + C_3}

Ищете практику AP® Physics 1 & 2?

Ознакомьтесь с другими нашими статьями по AP® Physics 1 и 2.

Вы также можете найти тысячи практических вопросов на Albert.