Переменный ток. Получение переменного тока.

Переменный ток – или AC (Alternating Current). Обозначение (~).

Электрический ток называется переменным, если он в течение времени меняет свое направление и непрерывно изменяется по величине.

Переменный ток, который используется для подключения бытовых или производственных электрических приборов, изменяется по синусоидальному закону:

i = I_msin(2πft)

• i – мгновенное значение тока
• Im – амплитудное или наибольшее значение тока
• f – значение частоты переменного тока
• t – время

Широко используется переменный ток благодаря тому, что электроэнергия переменного тока технически просто и экономно может быть преобразована из энергии более низкого напряжения в энергию более высокого напряжения и наоборот. Это свойство переменного тока позволяет передавать электроэнергию по проводам на большие расстояния.

Промышленный переменный электрический ток получают при помощи электрических генераторов, принцип работы которых основан на законе электромагнитной индукции. Вращение генератора осуществляется механическим двигателем, использующим тепловую, гидравлическую или атомную энергию.

Переменный однофазный электрический ток имеет следующие основные характеристики:

f – частота переменного тока определяет количество циклов или периодов в единицу времени. За единицу измерения частоты переменного тока принят Герц (Гц):

1гц = 103кгц = 106мгц
Τ – период – время одного полного изменения переменной величины.

Если в 1 секунду происходит 1 период Τ, то частота f = 1 Гц (Герц).

1c = 103мс = 106мкс = 1012нс

В Российской Федерации в республике Беларусь и в странах СНГ период Τ переменного тока принят равным 0,02секунды,следовательно по формуле
f = 1/Τ можно определить частоту переменного тока:

f = 1/0,02 = 50 Гц

ω – угловая скорость

Помимо частоты f при изучении цепей переменного тока вводится понятие угловой скорости

ω. Угловая скорость ω связана с частотой f следующим соотношением:

ω=2πf

При частоте 50 Гц угловая скорость равна 314 рад/с (2 × 3,14 × 50 = 314).

Мгновенное значение (i,u,e,p) – значение величины в данный момент, мгновенное.

Максимальное или амплитудное значение (Im,Um,Em,Pm).

Эффективное значение тока – это величина переменного тока, равная такому току, который на сопротивлении 

R, создаёт тепловыделение равное данному переменному току, за тоже время t (I,U,E,P).

I =

Im √2

U =

Um √2

1. Что называют переменным током?
2. Как можно получить переменный ток?
3. Устройство генератора?
4. Принцип действия генератора?
5. Какова частота переменного тока?
6. Какой ток больше применяется? Постоянный или переменный? Почему?
7. Как передают электрический ток?
8. С помощью какого устройства преобразуют электрический ток?
9. Что называют трансформатором?
10. Устройство трансформатора?
11. Принцип действия трансформатора?
12. Какие бывают трансформаторы?
13. Какой величиной характеризуется работа трансформатора?

Кто изобрел электричество и переменный ток.

ПРОВЕРЬ СЕБЯ

Тесты по физике на тему «Электрический ток» (8класс)

ТЕСТЫ ТЕКУЩЕГО ОЦЕНИВАНИЯ ПО ФИЗИКЕ. 8 КЛАСС.

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК.

Тема: Сила тока и ее измерение.

1.      Укажите обозначение силы тока:

а) q;

б) t;

в) R;

г) I.

 

2.      Укажите единицы измерения силы тока:

а) Кл;

б) с;

в) Дж;

г) А.

 

3.      Укажите формулу зависимости силы тока от других величин:

а);

б);

в) ;

г) ;

 

4.      Сила тока — это величина, которая характеризует:

а) скорость перенесения заряда частицами, которые создают ток;

б) скорость перенесения  частицами, которые создают ток, через поперечное сечение проводника;

в) скорость перенесения  заряда частицами, которые создают ток, через поперечное сечение проводника;

г) скорость перенесения  заряда частицами через поперечное сечение проводника.

 

5.      На Международной конференции мер и весов в 1948 году было решено в основу единицы силы тока,  принять явление:

а) притяжение двух проводников с током;

б) отталкивание двух проводников с током;

в) взаимодействие двух проводников с током;

г) не взаимодействие двух проводников с током.

 

6.      Укажите устройство для измерения силы тока:

а) вольтметр;

б) омметр;

в) амперметр;

г) реостат.

 

7.      Для измерения силы тока в электрической цепи амперметр включают:

а) последовательно с прибором, на котором измеряют силу тока;

б) параллельно с прибором, на котором измеряют силу тока;

в) последовательно или параллельно с прибором, на котором измеряют силу тока;

г) обязательно рядом с источником тока.

 

8.      Если амперметр используют в цепи постоянного тока, то клемма со знаком «+» присоединяется:

а) к положительно заряженному полюсу источника тока;

б) к отрицательно заряженному полюсу источника тока;

в) к любому полюсу источника тока;

г) одновременно к обоим полюсам источника тока.

 

9.      Запрещается присоединять амперметр непосредственно:

а) к выключателю;

б) к резистору;

в) к лампочке;

г) источнику тока.

 

10.  Электрический заряд можно вычислить по формуле:

а) ;

б) ;

в) ;

г) .

 

11.  Через поперечное сечение проводника за 2с проходит заряд 0,12 Кл. Найдите силу тока в проводнике:

а) 0,6А;

б) 0,06А;

в) 2,4А;

г) 0,24А.

 

12.  Укажите, во сколько раз сила тока 2А больше силы тока 2мА.

а) 10;

б) 100;

в) 1000;

г) 10000.

 

Тема: Электрическое напряжение и его измерение.

 

1.      Электрическое напряжение-это физическая величина, которая:

а) определяет работу, которую выполняет электрическое поле по перенесению заряда;

б) определяет работу, которую выполняет электрическое поле;

в) определяет работу, которую выполняет электрическое поле на данном участке цепи;

г) определяет работу, которую выполняет электрическое поле по перенесению заряда 1Кл на данном участке цепи (между двумя его точками).

 

2.      Укажите обозначение электрического напряжения:

а) A;

б) I;

в) q;

г) U.

 

3.      Укажите обозначение работы электрического поля:

а) A;

б) I;

в) q;

г) U.

 

4.      Укажите обозначение электрического напряжения:

а) A;

б) I;

в) q;

г) U.

 

5.      Укажите устройство для измерения электрического напряжения:

а) вольтметр;

б) омметр;

в) амперметр;

г) реостат.

 

6.      Для измерения электрического напряжения  в электрической цепи вольтметр включают:

а) последовательно с прибором, на котором измеряют силу тока;

б) параллельно с прибором, на котором измеряют силу тока;

в) последовательно или параллельно с прибором, на котором измеряют силу тока;

г) обязательно рядом с источником тока.

 

7.      Если вольтметр используют в цепи постоянного тока, то клемма со знаком «˗» присоединяется:

а) к положительно заряженному полюсу источника тока;

б) к отрицательно заряженному полюсу источника тока;

в) к любому полюсу источника тока;

г) одновременно к обоим полюсам источника тока.

 

8.      Вольтметр можно присоединять непосредственно:

а) к выключателю;

б) последовательно со звонком;

в) последовательно с лампочкой;

г)  к источнику тока.

 

9.      Укажите формулу зависимости силы тока от других величин:

а);

б);

в) ;

г) ;

10.  Во время перенесения заряда 40Кл из одной точки цепи в другую была выполнена работа 200 Дж. Найдите напряжение между двумя этими точками.

а) 5В;

б) 50В;

в) 0,2В;

г) 8000В.

 

11.  Найдите заряд, который переносится через проводник  с напряжением 15В на его концах, если работа по перенесению заряда равна300Дж.

а) 0,5Кл;

б) 4500Кл;

в) 20Кл;

г) 450Кл.

 

12.  Сравните во сколько раз напряжение 5В больше напряжения 5мкВ?

а) 1000;

б) 100000;

в) 10000;

г) 1000000.

 

 

Тема: Закон Ома  для однородного участка цепи.

 

1.      Ученый,  установивший один из важнейших законов относительно электрических явлений:

а) Ампер;

б) Вольта;

в) Ом;

г) Кулон.

 

2.      Какие три величины связывают закон  Ома:

а) I, U, R;

б) I, U, ρ;

в) I, U, t;

г) I, R, q.

 

3.      Укажите правильную формулировку закона Ома:

а) Сила тока на однородном участке цепи обратно пропорциональна напряжению на концах этого участка и прямо пропорциональна его сопротивлению;

б) Сила тока на однородном участке цепи равна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению;

в) Сила тока на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению;

г) Сила тока на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его заряду.

 

4.      Укажите формулу закона Ома.

а) ;

б) ;

в) ;

г) .

 

5.      Как определить напряжение по закону Ома?

а) ;

б) ;

в) ;

г) .

 

6.      Как определить сопротивление по закону Ома:

а) ;

б) ;

в) ;

г) .

 

7.      Вычислите силу тока в проводнике сопротивлением 16Ом при напряжении 4В на его концах.

а) 4А;

б) 64А;

в) 0,5А;

г) 0,25А.

 

8.      Найдите  напряжение  на  резисторе  сопротивлением 3Ом, в котором течет ток 0,15 А.

а) 0,05В;

б) 200В;

в) 0,45В;

г) 4,5В.

 

9.      Найдите сопротивление электрической лампы, сила тока в которой 0,5А при напряжении 120В.

а) 24Ом;

б) 240Ом;

в) 2400Ом;

г) 0,24Ом В.

 

10.  Найдите силу тока при уменьшении напряжения в 3 раза при неизменном сопротивлении.

а) уменьшится в 3 раза;

б) уменьшится в 9 раз;

в) увеличиться в 3 раза;

г) увеличиться в 9 раз.

 

11.  Определите изменение силы тока при уменьшении сопротивления в 3 раза при неизменном напряжении.

а) уменьшится в 3 раза;

б) уменьшится в 9 раз;

в) увеличиться в 3 раза;

г) увеличиться в 9 раз.

 

12.  Какова сила тока в одной секции телевизора сопротивлением 0,002 Мом при напряжении 1,2 кВ.

а) 0,6мА;

б) 60мА;

в) 600мА;

г) 6000мА.

 

 

 

Тема: Последовательное соединение проводников.

1.      Соединение проводников, потребителей электрической энергии, источников тока, и т.д. при котором они соединяются один за другим, называется:

а) последовательное;

б) центральное;

в) параллельное;

г) смешанное.

 

2.      При последовательном  соединении проводников ток:

а) разветвляется;

б) изменяется;

в) не разветвляется;

г) уменьшается.

 

3.      Чему равна сила тока при последовательном соединении?

а) I=I₁ +I₂ +…+I_n;

б) I=I₁ =I₂ =…=I_n;

в) I=I₁ ×I₂ ×…×I_n;

г) I=I₁ —I₂ —…—I_n.

 

 

4.      Чему равно напряжение при последовательном соединении?

а) U=U₁ +U₂ +…+U_n;

б) U=U₁ =U₂ =…=U_n;

в) U=U₁ ×U₂ ×…×U_n;

г) U=U₁ —U₂ —…—U_n.

 

 

5.      Чему равно сопротивление при последовательном соединении?

а) R=R₁ +R₂ +…+R_n;

б) R=R₁ =R₂ =…=R_n;

в) R=R₁ ×R₂ ×…×R_n;

г) R=R₁ —R₂ —…—R_n.

 

6.      При последовательном соединении:

а) напряжение на них обратно пропорционально к их сопротивлению;

б) напряжение на них прямо пропорционально к их сопротивлению;

в) напряжение на них обратно пропорционально к их токам:

г) напряжение на них прямо пропорционально к их токам:

 

7.       Укажите правильную запись отношения напряжения и сопротивления при последовательном соединении:

а) ;

б)  ;

в)  ;

г)  .

 

8.      Определите общее сопротивление при последовательном соединении, если R₁=3Ом,  R₂=8Ом,   R₃=1Ом.

а) 11Ом;

б) 9Ом;

в) 10 Ом;

г) 12Ом.

 

9.      Два сопротивления: 3Ом и 7 Ом соединены последовательно и включены в цепь так, что напряжение на них равно40В. Определите силу тока на участке цепи.

а) 6А;

б) 5А;

в) 4А;

г) 3А.

 

10.  Два лампочки: 3Ом и 7 Ом соединены последовательно. Сила тока в  первой лампочке равна 1,5А.  Чему равна сила тока во второй лампочке?

а) 1,5А;

б) 15А;

в) 4,5А;

г) 10,5А.

 

11.   Новогодняя гирлянда состоит из 10 лампсопротивлением100 Ом каждая. Чему равна сила тока в каждой из них, если гирлянда находится под напряжением 220В?

а) 22А;

б) 2,2А;

в) 0,22А;

г) 0,022А.

 

12.  В цепь напряжением 42В, последовательно включены два сопротивления. Напряжение на первом сопротивлении-12В. Чему равно  напряжение на втором сопротивлении?

а) 54В;

б) 3,5В;

в) 30В;

г) 12В.

 

Тема: Параллельное соединение проводников.

1.      Соединение проводников, потребителей электрической энергии, источников тока, и т.д. при котором одни концы всех проводников или других элементов присоединяются  к одной точке цепи,  а остальные к другой:

а) последовательное:

б) центральное;

в) параллельное;

г) смешанное.

 

2.      При параллельном  соединении проводников ток:

а) разветвляется;

б) изменяется;

в) не разветвляется;

г) уменьшается.

 

3.      Чему равна сила тока при параллельном соединении?

а) I=I₁ +I₂ +…+I_n;

б) I=I₁ =I₂ =…=I_n;

в) I=I₁ ×I₂ ×…×I_n;

г) I=I₁ —I₂ —…—I_n.

 

4.      Чему равно напряжение при параллельном соединении?

а) U=U₁ +U₂ +…+U_n;

б) U=U₁ =U₂ =…=U_n;

в) U=U₁ ×U₂ ×…×U_n;

г) U=U₁ —U₂ —…—U_n.

 

5.      Чему равно сопротивление при параллельном соединении?

а) R=R₁ +R₂ +…+R_n;

б) R=R₁ =R₂ =…=R_n;

в) R=R₁ ×R₂ ×…×R_n;

г)    .

 

6.      Если параллельно соединено n проводников с одинаковым сопротивлением, то общее сопротивление такого разветвления равно:

а);

 б);

в) ;

г).

 

7.      При последовательном соединении:

а) напряжение на них обратно пропорционально к их сопротивлению;

б) напряжение на них прямо пропорционально к их сопротивлению;

в) напряжение на них обратно пропорционально к их токам:

г) напряжение на них прямо пропорционально к их токам:

 

8.       Укажите правильную запись отношения напряжения и сопротивления при последовательном соединении:

а);

б) ;

в)  ;

г) .

 

9.      Три сопротивления по 15 Ом соединены параллельно. Найдите общее сопротивление участка цепи.

а) 45Ом;

б) 15Ом;

в) 30Ом;

г) 5Ом.

 

10.  Два лампочки: 5Ом и 10 Ом соединены параллельно. Напряжение на  первой лампочке равно 5В.  Чему равно напряжение  на второй лампочке?

а) 1В;

б) 2В;

в) 5В;

г) 10В.

 

11.  Какую силу тока показывает амперметр в неразветвленной части цепи, если два резистора по 4Ом соединены параллельно, а сила тока в первом резисторе равна 2А, а во втором резисторе 1А.

а) 1А;

б) 2А;

в) 3А;

г) 4А.

 

12.  Пять одинаковых резисторов по 10 Ом находятся под напряжением 10В. Найдите силу тока в неразветвленной части цепи.

а) 1А;

б) 2А;

в) 5А;

г) 10А.

 

 

Приложение D.

Глоссарий ключевых символов и обозначений 92}}}\\[/латекс] вязкость длина волны длина волны.. модуль упругости

[латекс]\overline{\text{любой символ}}\\[/латекс]	среднее (обозначается чертой над символом, например [латекс]\overline{v}\\[/латекс] – средняя скорость)
°С	градусов Цельсия
°F	градусов по Фаренгейту
//	параллельно
⊥	перпендикулярно
[латекс]\пропто\\[/латекс]	пропорционально
±	плюс-минус
0	ноль в качестве нижнего индекса обозначает начальное значение
α	альфа-лучи
α	угловое ускорение
α	Температурный коэффициент(ы) удельного сопротивления
β	бета-лучи
β	уровень звука	постоянная, используемая в теории относительности
Δ	изменение в любом количестве после
δ	неопределенность в любой величине, следующей за
Δ Е	изменение энергии между начальной и конечной орбитами электрона в атоме
Δ Е	неопределенность в энергии
Δ м	разница в массе исходного и конечного продуктов
Δ С	количество распадов
Δ р	изменение импульса
Δ р	неопределенность импульса
ΔPE г	изменение потенциальной энергии гравитации
Δ θ	угол поворота
Δ с	пройденное расстояние по круговому пути
Δ т	неопределенность во времени
Δ т 0	собственное время, измеренное неподвижным наблюдателем относительно процесса
Δ В	разность потенциалов
Δ x	неопределенность в позиции
ε 0	диэлектрическая проницаемость свободного пространства
η
θ	угол между вектором силы и вектором смещения
θ	угол между двумя линиями
θ	угол контакта
θ	направление результирующего
θ б	Угол Брюстера
θ с	критический угол
κ	диэлектрическая проницаемость
λ	постоянная распада нуклида
λ
λ n	в среде
мк 0	проницаемость свободного пространства
мк к	коэффициент кинетического трения
мк с	коэффициент статического трения
в и	электронное нейтрино
№ +	положительный пион
π −	отрицательный пион
№ 0	нейтральный пион
р	плотность
р с	критическая плотность, плотность, необходимая только для того, чтобы остановить универсальное расширение
ρ фл	плотность жидкости
[латекс]\overline{\rho}_{\text{obj}}\\[/латекс]	средняя плотность объекта
[латекс]\displaystyle\frac{\rho}{\rho _{\text{w}}}\\[/latex]	удельный вес
т	характеристическая постоянная времени для цепи сопротивления и индуктивности ( RL ) или сопротивления и емкости ( RC )
т	характеристическое время для резистора и конденсатора ( RC ) цепи
т	крутящий момент
Υ	ипсилон-мезон
Ф	магнитный поток
ϕ	фазовый угол
Ом	Ом (единица измерения)
ω	угловая скорость
А	ампер (текущая единица измерения)
А	район
А	площадь поперечного сечения
А	общее количество нуклонов
и	ускорение
а Б	Боровский радиус
а в	центростремительное ускорение
а т	тангенциальное ускорение
АС	переменный ток
ДП	амплитудная модуляция
атм	атмосфера
Б	барионное число
Б	синий кварк цвет
[латекс]\overline{B}\\[/латекс]	антисиний (желтый) антикварковый цвет
б	со вкусом творога или красотки
Б	объемный модуль
Б	напряженность магнитного поля
В внутр.	собственное магнитное поле электрона
B шар	орбитальное магнитное поле
БЭ	энергия связи ядра — это энергия, необходимая для его полной разборки на отдельные протоны и нейтроны
[латекс]\displaystyle\frac{\text{BE}}{A}\\[/latex]	энергии связи на нуклон
Бк	беккереля — один распад в секунду
С	емкость (количество заряда на вольт)
С	кулон (основная единица заряда в системе СИ)
С р	общая емкость параллельно
С с	общая емкость в серии
КГ	центр тяжести
СМ	центр масс
с	Шарм со вкусом творога
с	удельная теплоемкость
с	скорость света
Калибр	килокалории
кал	калорий
КПД л. с.	КПД теплового насоса
COP №	коэффициент полезного действия для холодильников и кондиционеров
соз θ	косинус
детская кроватка θ	котангенс
csc θ	косеканс
Д	константа диффузии
д	рабочий объем
д	вкус творога вниз
дБ	децибел
д и	расстояние изображения от центра объектива
д о	расстояние объекта от центра линзы
DC	постоянный ток
Е	напряженность электрического поля
ε	ЭДС (напряжение) или ЭДС Холла
ЭДС	электродвижущая сила
Е	энергия одного фотона
Е	энергия ядерной реакции
Е	релятивистская полная энергия
Е	общая энергия
Е 0	энергия основного состояния для водорода
Е 0	энергия покоя
ЕС	электронный захват
E крышка	энергия, запасенная в конденсаторе
Эфф	КПД — количество полезной работы, деленное на подводимую энергию
Эфф С	Эффективность Карно
E в	потребляемая энергия (пища, перевариваемая человеком)
E инд.	энергия, запасенная в катушке индуктивности
E вне	выход энергии
и	коэффициент излучения объекта
и +	антиэлектрон или позитрон
эВ	электрон-вольт
Ф	фарад (единица измерения емкости, кулон на вольт)
Ф	фокус объектива
Ф	сила
Ф	величина силы
Ф	восстанавливающая сила
Ф Б	выталкивающая сила
Ф с	центростремительная сила
Ф и	силовой ввод
F нетто	чистая сила
F или	силовой выход
ФМ	частотная модуляция
ф	фокусное расстояние
ф	частота
ф 0	резонансная частота сопротивления, индуктивности и емкости ( RLC ) последовательной цепи
ф 0	пороговая частота для конкретного материала (фотоэффект)
ф 1	основной
ф 2	первый обертон
ф 3	второй обертон
ф Б	частота ударов
ф к	величина кинетического трения
ж с	величина статического трения
Г	гравитационная постоянная
Г	зеленый цвет кварка
[латекс]\overline{G}\\[/латекс]	антизеленый (пурпурный) антикварковый цвет
г	ускорение свободного падения
г	глюоны (частицы-носители сильного ядерного взаимодействия)
ч	изменение вертикального положения
ч	высота над некоторой точкой отсчета
ч	максимальная высота снаряда
ч	постоянная Планка
вч	энергия фотона
ч я	высота изображения
ч или	высота объекта
я	электрический ток
я	интенсивность
я	интенсивность прошедшей волны
я	момент инерции (также называемый вращательной инерцией)
I 0	интенсивность поляризованной волны перед прохождением через фильтр
I пр.	средняя интенсивность непрерывной синусоидальной электромагнитной волны
I среднеквадратичное значение	средний ток
Дж	Дж
[латекс]\displaystyle\frac{\text{J}}{\Psi}\\[/latex]	Дж/пси-мезон
К	кельвина
к	постоянная Больцмана
к	силовая постоянная пружины
К α	рентгеновских лучей, возникающих при падении электрона на вакансию оболочки n = 1 из оболочки n  = 3 оболочки
К β	рентгеновских лучей, возникающих при падении электрона на вакансию оболочки n = 2 из оболочки n  = 3 оболочки
ккал	килокалории
КЭ	поступательная кинетическая энергия
КЭ + ПЭ	механическая энергия
КЭ е	кинетическая энергия выбитого электрона
КЭ отн.	релятивистская кинетическая энергия
КЭ гниль	вращательная кинетическая энергия
[латекс]\overline{\text{KE}}\\[/латекс]	тепловая энергия
кг	килограмм (основная единица массы в системе СИ)
Л	угловой момент
Л	литр
Л	величина углового момента
Л	самоиндукция
л	угловой момент квантовое число
L α	рентгеновских лучей, возникающих при падении электрона в оболочку n = 2 из оболочки n  = 3
л и	электрон общее число семьи
Д мк	общее количество мюонных семейств
л т	общее количество тау-семьи
л ж	теплота плавления
L f и L v	коэффициенты скрытой теплоты
L шар	орбитальный угловой момент
Л с	теплота сублимации
Л в	теплота парообразования
Л с	z -компонент углового момента
М	угловое увеличение
М	взаимная индуктивность
м	указывает на метастабильное состояние
м	увеличение
м	масса
м	масса объекта, измеренная человеком, находящимся в состоянии покоя относительно объекта 9{A}\text{X}}\right)\\[/latex]	атомная масса нуклида
МА	механическое преимущество
м е	увеличение окуляра
м е	масса электрона
м л	квантовое число проекции углового момента
м н	масса нейтрона
м или	увеличение объектива
моль	моль
м р	масса протона
м с	квантовое число проекции спина
Н	величина нормальной силы
Н	ньютона
Н	нормальное усилие
Н	количество нейтронов
нет	показатель преломления
нет	количество бесплатных сборов на единицу объема
Н А	Номер Авогадро
Н р	Число Рейнольдса
Н·м	ньютон-метр (единица работы-энергии)
Н·м	ньютона на метр (единица крутящего момента в системе СИ)
ОЕ	прочая энергия
П	сила
П	сила линзы
П	давление
р	импульс
р	магнитуда импульса
р	релятивистский импульс
стр тот	общий импульс
стр тот	общий импульс некоторое время спустя
П абс	абсолютное давление
Р атм	атмосферное давление
Р атм	стандартное атмосферное давление
ПЭ	потенциальная энергия
ПЭ эль	упругая потенциальная энергия
PE эл.	электрическая потенциальная энергия
ПЭ с	потенциальная энергия пружины
Р г	избыточное давление
Р в	потребляемая мощность или вход
Р вых	выходная полезная мощность, превращающаяся в полезную работу или желаемую форму энергии
К	скрытая теплота
К	чистая теплота, передаваемая в систему
Q	расход — объем в единицу времени, протекающий через точку
+ В	положительный заряд
− В	отрицательный заряд
к	заряд электрона
q р	заряд протона
к	испытательный заряд
QF	добротность
Р	активность, скорость распада
Р	радиус кривизны сферического зеркала
Р	красный кварк цвет
[латекс]\overline{R}\\[/латекс]	антикрасный (голубой) кварковый цвет
Р	сопротивление
Р	Результирующее или полное водоизмещение
Р	постоянная Ридберга
Р	универсальная газовая постоянная
р	расстояние от точки вращения до точки приложения силы
р	внутреннее сопротивление
р ⊥	перпендикулярный рычаг
р	радиус ядра
р	радиус кривизны
р	удельное сопротивление
р или рад	Единица дозы облучения
рем	рентген эквивалент человека
рад	радиан
ОБЭ	относительная биологическая эффективность
РЦ	резистор и конденсатор схема
среднеквадратичное значение	среднеквадратичное значение
р н	радиус n -й орбиты H-атома
Р р	полное сопротивление параллельного соединения
Р с	полное сопротивление последовательного соединения
Р с	радиус Шварцшильда
С	энтропия
С	собственный спин (собственный угловой момент)
С	величина собственного (внутреннего) спинового углового момента
С	модуль сдвига
С	квантовое число странности
с	вкус творога странный
с	секунды (основная единица времени СИ)
с	спин квантовое число
с	полное водоизмещение
сек θ	секанс
sin θ	синус
с з	z -компонент спинового углового момента
Т	период – время совершения одного колебания
Т	температура
Т с	критическая температура — температура, ниже которой материал становится сверхпроводником
Т	напряжение
Т	тесла (напряженность магнитного поля B )
т	вкус творога или правда
т	время
т 1/2	период полураспада — время, за которое распадается половина исходных ядер
желтовато-коричневый θ	тангенс
У	внутренняя энергия
и	вкус творога до
у	единая атомная единица массы
и	скорость объекта относительно наблюдателя
и ′	скорость относительно другого наблюдателя
В	электрический потенциал
В	напряжение на клеммах
В	вольт (единица измерения)
В	том
v	относительная скорость между двумя наблюдателями
v	скорость света в материале
v	скорость
[латекс]\overline{\mathbf{v}}\\[/латекс]	средняя скорость жидкости
В В  —  В А	изменение потенциала
v d	скорость дрейфа
В р	входное напряжение трансформатора
В среднеквадратичное значение	среднеквадратичное значение напряжения
В с	выходное напряжение трансформатора
v до	общая скорость
в в	скорость распространения звука или другой волны
в в	скорость волны
Вт	работа
Вт	чистая работа, выполненная системой
Вт	Вт
ш	вес
ш фл	вес жидкости, вытесненной объектом 9A_Z\текст{X}_N\\[/латекс]	обозначение конкретного нуклида
х	деформация или смещение от равновесия
х	смещение пружины из недеформированного положения
х	горизонтальная ось
Х С	емкостное реактивное сопротивление
Х Д	индуктивное сопротивление
x среднеквадратичное значение	среднеквадратичное расстояние диффузии
у	вертикальная ось
Д	или модуль Юнга
З	атомный номер (количество протонов в ядре)
З	импеданс

20.

1 Текущий курс физики в колледже 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

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

Электрический ток

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 II определяется как

I=ΔQΔt,I=ΔQΔt,

20,1

где ΔQΔQ — количество заряда, прошедшего через данную площадь за время ΔtΔt. (Как и в предыдущих главах, начальное время часто принимается равным нулю, и в этом случае Δt=tΔt=t. ) (См. рис. 20.2.) Единицей силы тока в системе СИ является ампер (А), названный в честь французского физика Андре- Мария Ампер (1775–1836). Поскольку I=ΔQ/ΔtI=ΔQ/Δt, мы видим, что ампер равен одному кулону в секунду:

1 A = 1 Кл/с1 A = 1 Кл/с

20,2

Не только предохранители и автоматические выключатели в амперах (или амперах), как и многие электрические приборы.

Рисунок 20,2 Скорость потока заряда является текущей. Ампер — это поток в один кулон через площадь за одну секунду.

Пример 20.1

Расчет токов: ток в аккумуляторе грузовика и портативном калькуляторе

(a) Какой ток возникает, когда аккумулятор грузовика 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 I=ΔQ/ΔtI=ΔQ/Δt, чтобы найти ток в части (a), 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 (a)

Ввод заданных значений заряда и времени в определение тока дает

I=ΔQΔt=720 Кл4,00 с= 180 Кл/с= 180 = 180 Кл/с = 180 А.

20,3

Обсуждение для (a)

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 I=ΔQ/ΔtI=ΔQ/Δt для времени ΔtΔt и ввод известных значений заряда и тока дает

Δt=ΔQI=1,00 C0,300× 10-3 C /с = 3,33 × 103 с. Δt = ΔQI = 1,00 C0,300 × 10-3 Кл/с = 3,33 × 103 с.

20.4

Обсуждение для (б)

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. 20.3 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. 20.3 (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.

Рисунок 20,3 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. 20.3 — 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. На рис. 20.4 показано движение заряженных частиц, составляющих ток. Тот факт, что обычный ток направлен в направлении, в котором будет течь положительный заряд, 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 рис. 20.4. 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 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.

Рисунок 20,4 Ток II — это скорость, с которой заряд проходит через площадь AA, 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 20,2

Расчет количества электронов, проходящих через калькулятор

Если ток 0,300 мА через калькулятор, упомянутый в примере 20.1, переносится электронами, сколько электронов в секунду проходит через него?

Стратегия

Ток, рассчитанный в предыдущем примере, был определен для потока положительного заряда. Для электронов величина та же, но знак противоположный, я электроны знак равно − 0,300 × 10 −3 С/с я электроны знак равно − 0,300 × 10 −3 С/с . Поскольку каждый электрон ( е − ) ( е − ) имеет заряд –1,60×10−19C–1,60×10–19C, мы можем преобразовать ток в кулонах в секунду в электроны в секунду.

Решение

Начиная с определения тока, мы имеем

Ielectrons=ΔQelectronsΔt=–0,300 × 10–3 Cs.Ielectrons=ΔQelectronsΔt=–0,300 × 10–3 Cs.

20,5

Разделим это на заряд, приходящийся на один электрон, так что

e–s=–0,300 × 10–3 Cs×1e––1,60 × 10–19 C=1,88 × 1015e–se–s=–0,300 × 10–3 Cs × 1e––1,60 × 10–19 C=1,88 × 1015e–с.

20,6

Обсуждение

Заряженных частиц, движущихся даже в малых течениях, так много, 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.

Скорость дрейфа

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 108 м/с108 м/с, что составляет значительную часть скорости света. Интересно, что отдельные заряды, составляющие ток, в среднем движутся на намного медленнее, обычно дрейфуя со скоростью порядка 10-4 м/с10-4 м/с. 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 принудительно попадает в провод, как на рис. 20.5, 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.

Рисунок 20,5 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 содержат большое количество свободных зарядов. В металлах свободными зарядами являются свободные электроны. На рис. 20.6 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). Скорость дрейфа vdvd — это 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.

Рисунок 20,6 Свободные электроны, движущиеся в проводнике, совершают много столкновений с другими электронами и атомами. Показан путь одного электрона. Средняя скорость свободных зарядов называется дрейфовой скоростью, vdvd, и она направлена ​​в направлении, противоположном электрическому полю для электронов. 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 исследование — наблюдения за филаментами

Найдите лампочку с нитью накаливания. 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 рис. 20.7. Количество свободных зарядов на единицу объема обозначается символом nn и зависит от материала. Заштрихованный отрезок имеет объем AxAx, так что количество свободных зарядов в нем равно nAxnAx. Таким образом, заряд ΔQΔQ в этом сегменте равен qnAxqnAx, где qq — количество заряда на каждом носителе. (Напомним, что для электронов qq равно −1,60×10−19C−1,60×10−19C.) Ток — это заряд, перемещаемый в единицу времени; таким образом, если все первоначальные заряды выходят из этого сегмента за время ΔtΔt, то ток равен

I=ΔQΔt=qnAxΔt. I=ΔQΔt=qnAxΔt.

20,7

Обратите внимание, что x/Δtx/Δt — величина скорости дрейфа, vdvd, поскольку заряды перемещаются на среднее расстояние xx за время ΔtΔt. Перестановка слагаемых дает

I=nqAvd,I=nqAvd,

20,8

где II — ток через провод с площадью поперечного сечения AA, изготовленный из материала с плотностью свободного заряда nn. Каждый из носителей тока имеет заряд qq и движется с дрейфовой скоростью величины vdvd.

Рисунок 20,7 Все заряды в заштрихованном объеме этой проволоки удаляются за время tt, имея дрейфовую скорость величины vd=x/tvd=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 20,3

Расчет дрейфовой скорости в общем проводе

Рассчитать дрейфовую скорость электронов в медном проводе 12-го калибра (диаметром 2,053 мм), по которому течет ток силой 20,0 А, при условии, что на атом меди приходится один свободный электрон. . (Бытовая электропроводка часто содержит медный провод 12-го калибра, и максимально допустимый ток в таком проводе обычно составляет 20 А. ) Плотность меди составляет 8,80×103 кг/м38,80×103 кг/м3.

Стратегия

Мы можем рассчитать скорость дрейфа, используя уравнение I=nqAvdI=nqAvd. Электрический ток I=20,0 AI=20,0 А дается, и q=–1,60×10–19Cq=–1,60×10–19°С есть заряд электрона. Мы можем вычислить площадь поперечного сечения провода по формуле А=πr2,A=πr2, где rr составляет половину заданного диаметра, 2,053 мм. Нам дана плотность меди, 8,80×103 кг/м3, 8,80×103 кг/м3, а периодическая таблица показывает, что атомная масса меди составляет 63,54 г/моль. Мы можем использовать эти две величины вместе с числом Авогадро, 6,02×1023 атомов/моль, 6,02×1023 атомов/моль, чтобы определить n,n, число 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 количество атомов меди на м3м3. Теперь мы можем найти nn следующим образом:

н знак равно 1 е − атом × 6 . 02 × 10 23 атомы моль × 1 моль 63 . 54 г × 1000 г кг × 8,80 × 10 3 кг 1 м 3 знак равно 8 . 342 × 10 28 е − /м 3 . н знак равно 1 е − атом × 6 . 02 × 10 23 атомы моль × 1 моль 63 . 54 г × 1000 г кг × 8,80 × 10 3 кг 1 м 3 знак равно 8 . 342 × 10 28 е − /м 3 .

20,9

Площадь поперечного сечения провода

А знак равно π р 2 знак равно π 2,053 × 10 −3 м 2 2 знак равно 3.310 × 10 –6 м 2 . А знак равно π р 2 знак равно π 2,053 × 10 −3 м 2 2 знак равно 3.310 × 10 –6 м 2 .

20.10

Перестановка I=nqAvdI=nqAvd для выделения скорости дрейфа дает

в г знак равно я нкА знак равно 20,0 А ( 8 . 342 × 10 28 /м 3 ) ( –1 . 60 × 10 –19С ) ( 3 . 310 × 10 –6 м 2 ) знак равно –4 . 53 × 10 –4 РС. в г знак равно я нкА знак равно 20,0 А ( 8 . 342 × 10 28 /м 3 ) ( –1 . 60 × 10 –19С ) ( 3 . 310 × 10 –6 м 2 ) знак равно –4 . 53 × 10 –4 РС.