Как используется сила тока и напряжение на практике. Зависимость силы тока от напряжения

07.07.2019

Флешка

Различные действия тока, такие как нагревание проводника, магнитные и химические действия, зависят от силы тока. Изменяя силу тока в цепи, можно регулировать эти действия. Но чтобы управлять током в цепи, надо знать, от чего зависит сила тока в ней.

Мы знаем, что электрический ток в цепи - это упорядоченное движение заряженных частиц в электрическом поле. Чем сильнее действие электрического поля на эти частицы, тем, очевидно, и больше сила тока в цепи.

Но действие поля характеризуется физической величиной - напряжением (§ 39). Поэтому можно предположить, что сила тока зависит от напряжения . Установим эту зависимость на опыте.

На рисунке 68, а изображена электрическая цепь, состоящая из источника тока, амперметра, спирали из никелиновой проволоки (проводника), ключа и параллельно присоединённого к спирали вольтметра. На рисунке 68, б показана схема этой цепи (прямоугольником условно обозначен проводник).

Рис. 68. Установка для определения зависимости силы тока от напряжения

Замыкают цепь и отмечают показания приборов. Затем присоединяют к первому источнику второй такой же источник питания и снова замыкают цепь. Напряжение на спирали при этом увеличится вдвое, и амперметр покажет вдвое большую силу тока. При трёх источниках напряжение на спирали увеличивается втрое, во столько же раз увеличивается сила тока.

Таким образом, опыт показывает, что во сколько раз увеличивается напряжение, приложенное к одному и тому же проводнику, во столько же раз увеличивается сила тока в нём. Другими словами, сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника .

На рисунке 69 показан график зависимости силы тока в проводнике от напряжения между концами этого проводника.

Рис. 69. График зависимости силы тока в проводнике от напряжения

На графике в условно выбранном масштабе по горизонтальной оси отложено напряжение в вольтах, а по вертикальной - сила тока в амперах.

Вопросы

Как на опыте показать зависимость силы тока от напряжения?
Как зависит сила тока в проводнике от напряжения на концах проводника?
Какой вид имеет график зависимости силы тока от напряжения? Какую зависимость между величинами он отражает?

Упражнение 27

При напряжении на концах участка цепи, равном 2 В, сила тока в проводнике 0,4 А. Каким должно быть напряжение, чтобы в том же проводнике сила тока была 0,8 А?
При напряжении на концах проводника 2 В сила тока в проводнике 0,5 А. Какой будет сила тока в проводнике, если напряжение на его концах увеличится до 4 В; если напряжение на его концах уменьшится до 1 В?

Опишем схему проведения экспериментов Георга Ома. В электрическую цепь он подключал проводник, на котором с помощью вольтметра и амперметра измерялись напряжение и сила тока соответственно, ключ и источник тока (рис. 2). Обратим внимание на то, что в цепи подключено несколько источников тока, и изменение их количества позволяет пронаблюдать за изменением силы тока в цепи в зависимости от напряжения.

Рис. 2. Схема экспериментов Г. Ома

В результате измерений прослеживается зависимость , где напряжение измеряется на зажимах AB, т. е. на проводнике.

Для того чтобы пронаблюдать зависимость силы тока от сопротивления, в той же цепи теперь следует не менять количество источников тока, а менять проводники, т. е. сопротивление цепи. Георг Ом поступил следующим образом: вместо одного проводника он подключил другой с вдвое большей длиной, т. е. с вдвое большим сопротивлением (почему это так, вы узнаете на следующем уроке). Аналогично он подключал и проводники с другими длинами и получил зависимость такого вида: . Т. е. при увеличении сопротивления проводника сила тока в нем уменьшается.

На графике зависимость силы тока в проводнике от сопротивления выглядит следующим образом (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость силы тока в проводнике от сопротивления

Такая зависимость называется обратно пропорциональной. Эту зависимость Ому пришлось достаточно долго получать, но именно это и привело его к выводу важнейшего закона электродинамики - закону Ома для участка цепи. Собрав вместе те две зависимости, которые мы показали выше, Ом и пришел к своему закону.

Закон Ома для участка цепи : сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению:

Замечание . Этот закон лежит в основе науки под названием электротехника.

Т. к. напряжение в законе рассматривается на концах проводника и учитывается сопротивление самого проводника, то закон применим именно к участку цепи, т. е. к какой-либо его части.

Обозначения:

Напряжение, В;

Сила тока, А;

Сопротивление, Ом.

При работе с законом Ома следует понимать, что он выполним отдельно для каждого рассматриваемого участка цепи с различными значениями входящих в него параметров.

На следующем уроке речь пойдет о том, от каких параметров зависит сопротивление проводника.

Список литературы

Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

School.xvatit.com ().
Fiz.1september.ru ().
Youtube.com ().

Домашнее задание

1. Стр. 102: вопросы № 1-7, упражнение № 19. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.

2. Вычислите силу тока в резисторе, сопротивление которого - 1200 Ом, а напряжение - 36 В.

3. Каким образом изменится сила тока в цепи, если количество последовательно соединенных источников тока в ней увеличить втрое, а подключенный к ней проводник укоротить вдвое? Кроме проводника и источников тока в цепи элементов нет.

4. * Соберите с помощью родителей или учителя схему, аналогичную той, с помощью которой Георг Ом получил свой известный закон. Проведите серию экспериментов, доказывающую справедливость закона Ома для участка цепи. Оцените погрешности измерений и результаты обсудите с учителем.

Рис. 2. Схема экспериментов Г. Ома

На графике зависимость силы тока в проводнике от сопротивления выглядит следующим образом (рис. 3).

Рис. 3. Зависимость силы тока в проводнике от сопротивления

Замечание . Этот закон лежит в основе науки под названием электротехника.

Обозначения:

Напряжение, В;

Сила тока, А;

Сопротивление, Ом.

На следующем уроке речь пойдет о том, от каких параметров зависит сопротивление проводника.

Список литературы

Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. - М.: Мнемозина.
Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

School.xvatit.com ().
Fiz.1september.ru ().
Youtube.com ().

Домашнее задание

1. Стр. 102: вопросы № 1-7, упражнение № 19. Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.

2. Вычислите силу тока в резисторе, сопротивление которого - 1200 Ом, а напряжение - 36 В.

Соберем электрическую цепь (рисунок 1, а ), состоящую из аккумулятора 1 напряжением в 2 В, рычажного реостата 2 , двух измерительных приборов – вольтметра 3 и амперметра 4 и соединительных проводов 5 . Установим в цепи при помощи реостата сопротивление, равное 2 Ом. Тогда вольтметр, включенный на зажимы аккумулятора, покажет напряжение в 2 В, а амперметр, включенный последовательно в цепь, покажет ток, равный 1 А. Увеличим напряжение до 4 В путем включения другого аккумулятора (рисунок 1, б ). При том же сопротивлении в цепи – 2 Ом – амперметр покажет уже ток 2 А. Аккумулятор напряжением 6 В изменит показание амперметра до 3 А (рисунок 1, в ). Сведем наши наблюдения в таблицу 1.

Рисунок 1. Изменение тока в электрической цепи путем изменения напряжения при неизменном сопротивлении

Таблица 1

Зависимость тока в цепи от напряжения при неизменном сопротивлении

Отсюда можно сделать вывод, что ток в цепи при постоянном сопротивлении тем больше, чем больше напряжение этой цепи, причем ток будет увеличиваться во столько раз, во сколько раз увеличивается напряжение.

Теперь в такой же цепи поставим аккумулятор с напряжением 2 В и установим при помощи реостата сопротивление в цепи, равное 1 Ом (рисунок 2, а ). Тогда амперметр покажет 2 А. Увеличим реостатом сопротивление до 2 Ом (рисунок 2, б ). Показание амперметра (при том же напряжении цепи) будет уже 1 А.

Рисунок 2. Изменение тока в электрической цепи путем изменения сопротивления при неизменном напряжении

При сопротивлении в цепи 3 Ом (рисунок 2, в ) показание амперметра будет 2/3 А.

Результат опыта сведем в таблицу 2.

Таблица 2

Зависимость тока в цепи от сопротивления при неизменном напряжении

Отсюда следует вывод, что при постоянном напряжении ток в цепи будет тем больше, чем меньше сопротивление этой цепи, причем ток в цепи увеличивается во столько раз, во сколько раз уменьшается сопротивление цепи.

Как показывают опыты, ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению на этом участке и обратно пропорционален сопротивлению того же участка. Эта зависимость известна под названием закон Ома.

Если обозначим: I – ток в амперах; U – напряжение в вольтах; r – сопротивление в омах, то закон Ома можно представить формулой:

то есть ток на данном участке цепи равен напряжению на этом участке, деленному на сопротивление того же участка.

Видео 1. Закон Ома для участка цепи

Пример 1. Определить ток, который будет проходить по нити лампы накаливания, если нить имеет неизменное сопротивление 240 Ом, а лампа включена в сеть с напряжением 120 В.

Пользуясь формулой закона Ома, можно определить также напряжение и сопротивление цепи.

U = I × r ,

то есть напряжение цепи равно произведению тока на сопротивление этой цепи и

то есть сопротивление цепи равно напряжению, деленному на ток цепи.

Пример 2. Какое нужно напряжение, чтобы в цепи с сопротивлением 6 Ом протекал ток 20 А?

U = I × r = 20 × 6 = 120 В.

Пример 3. По спирали электрической плитки протекает ток в 5 А. Плитка включена в сеть с напряжением 220 В. Определить сопротивление спирали электрической плитки.

Если в формуле U = I × r ток равен 1 А, а сопротивление 1 Ом, то напряжение будет равно 1 В:

1 В = 1 А × 1 Ом.

Отсюда заключаем: напряжение в 1 В действует в цепи с сопротивлением 1 Ом при токе в 1 А.

Потеря напряжения

На рисунке 3 приведена электрическая цепь, состоящая из аккумулятора, сопротивления r и длинных соединительных проводов, имеющих свое определенное сопротивление.

Как видно из рисунка 3, вольтметр, присоединенный к зажимам аккумулятора, показывает 2 В. Уже в середине линии вольтметр показывает только 1,9 В, а около сопротивления r напряжение равно всего 1,8 В. Такое уменьшение напряжения вдоль цепи между отдельными точками этой цепи называется потерей (падением) напряжения.

Потеря напряжения вдоль электрической цепи происходит потому, что часть приложенного напряжения расходуется на преодоление сопротивления цепи. При этом потеря напряжения на участке цепи будет тем больше, чем больше ток и чем больше сопротивление этого участка цепи. Из закона Ома для участка цепи следует, что потеря напряжения в вольтах на участке цепи равно току в амперах, протекающему по этому участку, умноженному на сопротивление в омах того же участка:

U = I × r .

Пример 4. От генератора, напряжение на зажимах которого 115 В, электроэнергия передается электродвигателю по проводам, сопротивление которых 0,1 Ом. Определить напряжение на зажимах двигателя, если он потребляет ток в 50 А.

Очевидно, что на зажимах двигателя напряжение будет меньше, чем на зажимах генератора, так как в линии будет потеря напряжения. По формуле определяем, что потеря напряжения равна:

U = I × r = 50 × 0,1 = 5 В.

Если в линии потеря напряжения равна 5 В, то напряжение у электродвигателя будет 115 – 5 = 110 В.

Пример 5. Генератор дает напряжение 240 В. Электроэнергия по линии из двух медных проводов длиной по 350 м, сечением 10 мм² передается к электродвигателю, потребляющему ток в 15 А. Требуется узнать напряжение на зажимах двигателя.

Напряжение на зажимах двигателя будет меньше напряжения генератора на величину потери напряжения в линии. Потеря напряжения в линии U = I × r .

Так как сопротивление r проводов неизвестно, определяем его по формуле:

"); длина l равна 700 м, так как току приходится идти от генератора к двигателю и оттуда обратно к генератору.

Подставляя r в формулу, получим:

U = I × r = 15 × 1,22 = 18,3 В

Следовательно, напряжение на зажимах двигателя будет 240 – 18,3 = 221,7 В

Пример 6. Определить поперечное сечение алюминиевых проводов, которое необходимо применить, чтобы подвести электрическую энергию к двигателю, работающему при напряжении в 120 В и токе в 20 А. Энергия к двигателю будет подаваться от генератора напряжением 127 В по линии длиной 150 м.

Находим допустимую потерю напряжения:

127 – 120 = 7 В.

Сопротивление проводов линии должно быть равно:

Из формулы

определим сечение провода:

где ρ – удельное сопротивление алюминия (таблица 1, в статье "Электрическое сопротивление и проводимость ").

По справочнику выбираем имеющееся сечение 25 мм².
Если ту же линию выполнить медным проводом, то сечение его будет равно:

где ρ – удельное сопротивление меди (таблица 1, в статье "Электрическое сопротивление и проводимость ").

Выбираем сечение 16 мм².

Отметим еще, что иногда приходится умышленно добиваться потери напряжения, чтобы уменьшить величину приложенного напряжения.

Пример 7. Для устойчивого горения электрической дуги требуется ток 10 А при напряжении 40 В. Определить величину добавочного сопротивления, которое нужно включить последовательно с дуговой установкой, чтобы питать ее от сети с напряжением 120 В.

Потеря напряжения в добавочном сопротивлении составит:

120 – 40 = 80 В.

Зная потерю напряжения в добавочном сопротивлении и ток, протекающий через него, можно по закону Ома для участка цепи определить величину этого сопротивления:

При рассмотрении электрической цепи мы до сих пор не принимали в расчет того, что путь тока проходит не только по внешней части цепи, но также и по внутренней части цепи, внутри самого элемента, аккумулятора или другого источника напряжения.

Электрический ток, проходя по внутренней части цепи, преодолевает ее внутреннее сопротивление и потому внутри источника напряжения также происходит падение напряжения.

Следовательно, электродвижущая сила (э. д. с.) источника электрической энергии идет на покрытие внутренних и внешних потерь напряжения в цепи.

Если обозначить E – электродвижущую силу в вольтах, I – ток в амперах, r – сопротивление внешней цепи в омах, r 0 – сопротивление внутренней цепи в омах, U 0 – внутреннее падение напряжения и U – внешнее падение напряжения цепи, то получим, что

E = U 0 + U = I × r 0 + I × r = I × (r 0 + r ),

Это и есть формула закона Ома для всей (полной) цепи. Словами она читается так: ток в электрической цепи равен электродвижущей силе, деленной на сопротивление всей цепи (сумму внутреннего и внешнего сопротивлений).

Видео 2. Закон Ома для полной цепи

Пример 8. Электродвижущая сила E элемента равна 1,5 В, его внутреннее сопротивление r 0 = 0,3 Ом. Элемент замкнут на сопротивление r = 2,7 Ом. Определить ток в цепи.

Пример 9. Определить э. д. с. элемента E , замкнутого на сопротивление r = 2 Ом, если ток в цепи I = 0,6 А. Внутреннее сопротивление элемента r 0 = 0,5 Ом.

Вольтметр, включенный на зажимы элемента, покажет напряжение на них, равное напряжению сети или падению напряжения во внешней цепи.

U = I × r = 0,6 × 2 = 1,2 В.

Следовательно, часть э. д. с. элемента идет на покрытие внутренних потерь, а остальная часть – 1,2 В отдается в сеть.

Внутреннее падение напряжения

U 0 = I × r 0 = 0,6 × 0,5 = 0,3 В.

Так как E = U 0 + U , то

E = 0,3 + 1,2 =1,5 В

Тот же ответ можно получить, если воспользоваться формулой закона Ома для полной цепи:

E = I × (r 0 + r ) = 0,6 × (0,5 +2) = 1,5 В.

Вольтметр, включенный на зажимы любого источника э. д. с. во время его работы, показывает напряжение на них или напряжение сети. При размыкании электрической цепи ток по ней проходить не будет. Ток не будет проходить также и внутри источника э. д. с., а следовательно, не будет и внутреннего падения напряжения. Поэтому вольтметр при разомкнутой цепи покажет э. д. с. источника электрической энергии.

Таким образом, вольтметр, включенный на зажимы источника э. д. с. показывает:
а) при замкнутой электрической цепи – напряжение сети;
б) при разомкнутой электрической цепи – э. д. с. источника электрической энергии.

Пример 10. Электродвижущая сила элемента 1,8 В. Он замкнут на сопротивление r =2,7 Ом. Ток в цепи равен 0,5 А. Определить внутреннее сопротивление r 0 элемента и внутреннее падение напряжения U 0 .

Так как r = 2,7 Ом, то

r 0 = 3,6 – 2,7 = 0,9 Ом;

U 0 = I × r 0 = 0,5 × 0,9 = 0,45 В.

Из решенных примеров видно, что показание вольтметра, включенного на зажимы источника э. д. с., не остается постоянным при различных условиях работы электрической цепи. При увеличении тока в цепи увеличивается также внутреннее падение напряжения. Поэтому при неизменной э. д. с. на долю внешней сети будет приходиться все меньшее и меньшее напряжение.

В таблице 3 показано, как меняется напряжение электрической цепи (U ) в зависимости от изменения внешнего сопротивления (r ) при неизменных э. д. с. (E ) и внутреннем сопротивлении (r 0) источника энергии.

Таблица 3

Зависимость напряжения цепи от сопротивления r при неизменных э. д. с. и внутреннем сопротивлении r 0

E	r 0	r		U 0 = I × r 0	U = I × r
2 2 2	0,5 0,5 0,5	2 1 0,5	0,8 1,33 2	0,4 0,67 1	1,6 1,33 1

§ 1 Зависимость силы тока

Как известно, металлы обладают хорошей проводимостью тока, и такие вещества называются проводниками, а вот дерево, фарфор имеют плохую проводимость. Дерево, фарфор относят к диэлектрикам. Объяснить такие свойства можно на основе молекулярного строения вещества, то есть проводимость тока связана с движением свободно заряженных частиц. При движении в проводнике свободные электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решетки и между собой. Тем самым электроны в веществе испытывают сопротивление направленному движению при столкновении с узлами кристаллической решетки и столкновению между собой. Возникает необходимость остановиться на данном факте подробно.

Движение свободно заряженных частиц по проводнику в единицу времени называют силой тока. Раз движение замедляется в веществе при взаимодействии с атомами решетки, следовательно, создается электрическое сопротивление в проводнике.

Электрическое сопротивление - физическая скалярная величина, которая характеризует противодействие проводника упорядоченному движению по нему электрическому заряду. Поэтому сопротивление - характеристика электрических свойств проводника.

Буквенное обозначение электрического сопротивления: R.

Определим единицу измерения величины и ее характеристики, от которых она зависит на основе эксперимента.

Немецкий ученый Георг Ом изучал свойства проводимости веществ. Его опыты заключались в следующем: он использовал источник тока, амперметр, ключ и различные проводники, сделанные из разных материалов. Собрав цепь, он замкнул ее и наблюдал яркое свечение лампы. После Ом подключил последовательно с лампочкой проволоку из другого материала, заметил, что лампочка стала светить тускло. Так Ом подключал проводники из разных материалов и выявил закономерность, что сила тока увеличивается при увеличении напряжения в цепи. Обнаружил, что данная закономерность зависит от материала проводника.

Наглядно изобразим такие зависимости с помощью графиков I и II (рис). На графике по оси абсцисс отложено напряжение в вольтах, по оси ординат - сила тока в амперах. В системе координат отложено два графика, которые демонстрируют, что сила тока в цепях может увеличиваться по мере возрастания напряжения, причем, для разных материалов проводников (I и II) эти зависимости отличаются.

Георг Ом делает вывод о том, что различные проводники имеют различные свойства проводимости. Из-за этого было введено такое понятие, как электрическое сопротивление.

Итак, при увеличении напряжения растет сила тока в цепи, чем больше сила тока в проводнике, тем большее количество свободно заряженных частиц движется от одной части проводника в другую. Зависимость силы тока от напряжения выглядит таким образом:

(сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжения участка цепи)

Не забываем, что сопротивление оказывает замедление в протекании тока в проводнике, то есть при увеличении сопротивления проводника наблюдается уменьшение силы тока. Зависимость силы тока от сопротивления можно записать следующим образом:

(сила тока обратно пропорциональна сопротивлению проводника)

Сведем записанные зависимости в одну формулу:

(Сопротивление проводника равно отношению напряжения на участке цепи к силе тока на этом участке)

§ 2 Электрическое сопротивление

Из данной формулы можно получить единицу измерения сопротивления в системе СИ (система интернациональная):[R]=В/A=Ом.

1 Ом равен электрическому сопротивлению проводника, между концами которого возникает напряжение 1 вольт при силе постоянного тока 1 ампер.

Обращаем внимание на то, что сопротивление не зависит ни от силы тока, ни от напряжения.

Осталось узнать, от чего зависит сопротивление проводника согласно опытам:

Выразим из формулы (3) удельное сопротивление:

Каков физический смысл удельного сопротивления? Указывает, чему равно сопротивление проводника длиной 1 метр и сечением 1 квадратный метр (1 квадратный миллиметр).

В заключении хотелось отметить, что электрическое сопротивление зависит от взаимодействия свободных электронов с положительными ионами, которые находятся в узлах кристаллической решетки, а также от взаимодействия свободных электронов между собой. Очень важно знать о сопротивлении, когда создают изоляционные материалы, заземляющие устройства, чтобы в дальнейшем использовать оборудование.

Список использованной литературы:

Физика. 8 класс: Учебник для общеобразовательных учреждений / А.В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2010.
Физика 7-9. Учебник. И.В. Кривченко.
Физика. Справочник. О.Ф. Кабардин. – М.: АСТ-ПРЕСС, 2010.
Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике 7-9 класс – М.: Просвещение, 2008.
Чеботарева В.А. Тесты по физике. 8 класс. – Издательство «Экзамен», 2009.

Использованные изображения: