Электрический ток. Закон Ома для участка цепи. Смешанное соединение проводников. Электродвижущая сила и внутреннее сопротивление источника тока. Закон Ома для полной цепи

Тема урока:
Электрический ток. Закон Ома для участка цепи. Смешанное соединение проводников. Электродвижущая сила и внутреннее сопротивление источника тока. Закон Ома для полной цепи

Павлодарский высший колледж управления

Преподаватель физики: Белозерова М.Ю.

Сабақтың мақсаты / Цели урока

применять закон Ома для участка цепи со смешанным соединением проводников;
применять закон Ома для полной цепи.

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц (электрических зарядов).

Направлением электрического тока считается то направление, по которому в проводнике движутся положительные заряды.

Условия существования электрического тока:
наличие свободных носителей зарядов q= qсвоб (т.е. вещество должно быть проводником или полупроводником при высоких температурах),
наличие внешнего электрического поля с напряженностью Е, для упорядоченного движения этих частиц;
замкнутая электрическая цепь.

Вывод: Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нём электрическое поле

Ток в проводнике существует только тогда, когда между его концами существует разность потенциалов:
φ1-φ2=U.
 
Если U не меняется со временем – ток постоянный
 
Действия тока:
тепловое: проводник, по которому течет ток нагревается;
химическое: электрический ток может изменять химический состав проводника (электролита);
магнитное: ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Вокруг проводника с током существует магнитное поле.

Постоянный электрический ток - электрический ток, сила тока и направление которого не изменяются со временем.
Переменный электрический ток - электрический ток, сила тока и направление которого изменяются с течением времени.

Сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда dq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени dt, к этому интервалу времени:

За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов.

Это количественная мера электрического тока, которая имеет физический смысл скорости переноса заряда
и выражается в Амперах (А):

Ампер – это очень большая величина. Смертельна для человека сила тока I=200 мА= 0,2А в течении нескольких секунд

Общий случай

Для постоянного тока

Плотность электрического тока j («жи»)– это векторная физическая величина, численно равная силе тока dI, проходящего через единицу площади dS, перпендикулярной к току:

Общий случай

для постоянного тока

За направление вектора j принимают направление вектора скорости и упорядоченного движения положительных носителей (или направление, противоположное направлению вектора скорости упорядоченного движения отрицательных носителей).

Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектрического происхождения - источника постоянного тока.

Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям.
Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени, а работа электрических сил равна нулю.

Источники постоянного тока:
Аккумуляторы
Электрические батареи
Выпрямители переменного электрического тока
Пьезоэлектрики и т.д.

Поэтому:

Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки:

При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы.
Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ12 = φ1 – φ2 между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка.
Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе ε12, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна:

Однородные участки – это те, на которых не действуют сторонние силы (участки, не содержащие источники тока).

Неоднородные участки – это те, на которых действуют сторонние силы (участки, содержащие источники тока).

для единичного положительного заряда q=1

Величину U12 принято называть напряжением на участке цепи 1–2.

Для однородного участка напряжение равно разности потенциалов:

Однородные участки

Неоднородные участки

Напряжение

Напряжение

Электродвижущая сила источника (ЭДС) ε - отношение работы Aст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда:

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Измеряется в СИ в Вольтах (В), как и разность потенциалов.

Природа сторонних сил может быть различной.
Сторонние силы возникают:
в гальванических элементах или аккумуляторах в результате электрохимических процессов,
в генераторах постоянного тока при движении проводников в магнитном поле.
Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе.
Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

замкнутая электрическая цепь с ЭДС

Обозначение на схемах источника постоянного тока

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.
Вывод: при перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором.
Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока I в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению R металлического проводника.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками) изображается прямой линией, проходящей через начало координат.

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

где R = const и называется электрическим сопротивлением

В СИ единицей электрического сопротивления R проводников служит Ом [Ом=Вольт/Ампер]:
сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Для участка цепи, содержащего ЭДС,
закон Ома записывается в следующей форме:

Обобщенный закон Ома для участка цепи или
закон Ома для неоднородного участка цепи.

Закон Ома для замкнутой цепи в интегральной форме

Источник тока обладает внутренним сопротивлением r. В этом случае участок А-В или (φ3-φ5) является внутренним участком источника.

Эта формула выражает закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника ε, деленной на сумму сопротивлений внешнего (однородного) и внутреннего (неоднородного) участков замкнутой цепи.

Запомните физический смысл ЭДС: ЭДС – это сумма падений напряжений в замкнутой цепи.

Сила тока короткого замыкания Iкз– максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r.

Тогда для замкнутой цепи цепь постоянного тока:

Если точки φ3 и φ5 замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (R << r), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания:

У источников с малым внутренним сопротивлением r ток короткого замыкания Iкз может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника.
Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания Iкз может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер).
Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

Параллельное и последовательное соединения проводников

Чтобы получить желаемую силу тока при нужном рабочем напряжении, располагая определенными резисторами, проводники соединяют определенным образом.

Соединения проводников

Для всех резисторов напряжение U одинаковое

Напряжение на проводниках:

Вывод: При последовательном соединении полное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

Общая сила тока будет равно сумме токов на отдельных резисторах:

Для всех проводников (резисторов) сила тока I одинаковая

Вывод: при параллельном соединении проводников величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников

Суммарное напряжение будет равно сумме напряжений на отдельных конденсаторах:

Силы токов на проводниках:

Более сложные соединения проводников

Формулы для последовательного и параллельного соединения проводников позволяют во многих случаях рассчитывать сопротивление сложной цепи, состоящей из многих резисторов.
На рисунке приведен пример такой сложной цепи и указана последовательность вычислений.

Следует отметить, что далеко не все сложные цепи, состоящие из проводников с различными сопротивлениями, могут быть рассчитаны с помощью формул для последовательного и параллельного соединения.
На рисунке приведен пример электрической цепи, которую нельзя рассчитать указанным выше методом.

Цепи, подобные изображенной на рисунке, а также цепи с разветвлениями, содержащие несколько источников, рассчитываются с помощью правил Кирхгофа.

Расчет разветвленных цепей, например нахождение токов в отдельных ее ветвях, значительно упрощается, если пользоваться двумя правилами Кирхгофа.

Прочесть «Физика 10 класс. 2 часть» Б.Кронгарт, Д.Казахбаева, О.Иманбеков, Т.Қыстаубаев - Мектеп. 2019, с. 62-77.
Составить опорный конспект – формулы, рисунки и таблицы обязательно.
Из раздела «Решайте» с. 69 №5 и с. 77 №6 решить задачи, записать в тетрадь с фотографировать, поместить в ворд и прикрепить на портал.

1. Учебник "Физика 10 класс. 2 часть" Б.Кронгарт, Д.Казахбаева, О.Иманбеков, Т.Қыстаубаев - Мектеп. 2019 - https://cloud.mail.ru/public/3xJY/29XdhfdXS