Warning: Use of undefined constant ddsg_language - assumed 'ddsg_language' (this will throw an Error in a future version of PHP) in /var/www/filcom/data/www/filcom.ru/wp-content/plugins/sitemap-generator/sitemap-generator.php on line 45
Тема 8. "электродинамика. законы постоянного тока".. физика, архив

Тема 8. «электродинамика. законы постоянного тока»

Свойства электрического тока

Направлением электрического тока принято считать движение свободных положительных зарядов. Ток называется постоянным, если его направление и сила постоянны во времени.

Электрическое поле величиной E действует на заряд величиной q с силой F, которая равна:

$ F = q * E $ (1).

В результате в проводнике возникает электрический ток. Для создания электрического поля E, к концам проводника должно быть приложено напряжение U, которое равно разности потенциалов φ1 и φ2 на концах проводника:

$ U = φ2 – φ1 $ (2),

при этом φ2 > φ1.

Единица электрического тока — ампер (А) — названа в честь французского физика Ампера. Эта единица является одной семи основных единиц в Международной системе СИ. Единицей измерения напряжений является вольт (В), названная в честь итальянского исследователя Алессандро Вольта.

Почему вещества сопротивляются току?

Высокая электропроводность металлов связана с тем, что в них содержится большое количество свободных носителей зарядов – электронов проводимости, которые образуются из электронов, не принадлежащих конкретному атому. Если к металлическому проводнику не приложено напряжение (по нему не течёт ток), то такие электроны движутся хаотически. Под воздействием внешнего электрического поля электроны начинают двигаться упорядоченно и переносят заряд в определённом направлении, то есть образовывается электрический ток.

Почему проводники оказывают сопротивление электрическому току? Во время своего движения электрические заряды взаимодействуют с кристаллической решёткой (сталкиваются с атомами решётки). При этом электроны отдают энергию, полученную от электрического поля источника тока, решётке. Атомы, находящиеся в колебательном движении вокруг положения равновесия, увеличивают амплитуду колебаний. То есть энергия электрического поля превращается в энергию колебания атомов, тепло, что приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.

В других средах (полупроводниках, диэлектриках, газах и т. д.) физическая причина сопротивления может быть другой. Линейная зависимость, выраженная законом Ома, соблюдается не во всех случаях (см. Рис. 6). Сопротивление проводника зависит от его геометрии, удельного электрического сопротивления материала, из которого он состоит.

Рис. 6. Различные вольтамперные характеристики

Сопротивление однородного проводника также зависит от температуры. Сопротивление металлов снижается при понижении температуры. При температуре порядка нескольких кельвинов большинство металлов становятся так называемыми сверхпроводниками, то есть их сопротивление можно считать равным нулю. У полупроводников при снижении температуры сопротивление растёт.

Сопротивление может возрастать при увеличении силы тока, который течёт по проводнику или полупроводнику.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. На рисунке приведена схема электрической цепи, состоящей из источника тока, ключа и двух параллельно соединённых резисторов. Для измерения напряжения на резисторе ​\( R_2 \)​ вольтметр можно включить между точками

1) только Б и В 2) только А и В 3) Б и Г или Б и В 4) А и Г или А и В

2. На рисунке представлена электрическая цепь, состоящая из источника тока, резистора и двух амперметров. Сила тока, показываемая амперметром А1, равна 0,5 А. Амперметр А2 покажет силу тока

1) меньше 0,5 А 2) больше 0,5 А 3) 0,5 А 4) 0 А

3. Ученик исследовал зависимость силы тока в электроплитке от приложенного напряжения и получил следующие данные.

Проанализировав полученные значения, он высказал предположения:

А. Закон Ома справедлив для первых трёх измерений. Б. Закон Ома справедлив для последних трёх измерений.

Какая(-ие) из высказанных учеником гипотез верна(-ы)?

1) только А 2) только Б 3) и А, и Б 4) ни А, ни Б

4. На рисунке изображён график зависимости силы тока в проводнике от напряжения на его концах. Чему равно сопротивление проводника?

1) 0,25 Ом 2) 2 Ом 3) 4 Ом 4) 8 Ом

5. На диаграммах изображены значения силы тока и напряжения на концах двух проводников. Сравните сопротивления этих проводников.

1) ​\( R_1=R_2 \)​ 2) \( R_1=2R_2 \)​ 3) \( R_1=4R_2 \)​ 4) \( 4R_1=R_2 \)​

6. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения мощности тока для двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения напряжения ​\( U_1 \)​ и ​\( U_2 \)​ на концах этих проводников.

1) ​\( U_2=\sqrt{3}U_1 \)​ 2) \( U_1=3U_2 \) 3) \( U_2=9U_1 \) 4) \( U_2=3U_1 \)

7. Необходимо экспериментально обнаружить зависимость электрического сопротивления круглого угольного стержня от его длины. Какую из указанных пар стержней можно использовать для этой цели?

1) А и Г 2) Б и В 3) Б и Г 4) В и Г

8. Два алюминиевых проводника одинаковой длины имеют разную площадь поперечного сечения: площадь поперечного сечения первого проводника 0,5 мм2, а второго проводника 4 мм2. Сопротивление какого из проводников больше и во сколько раз?

1) Сопротивление первого проводника в 64 раза больше, чем второго. 2) Сопротивление первого проводника в 8 раз больше, чем второго. 3) Сопротивление второго проводника в 64 раза больше, чем первого. 4) Сопротивление второго проводника в 8 раз больше, чем первого.

9. В течение 600 с через потребитель электрического тока проходит заряд 12 Кл. Чему равна сила тока в потребителе?

1) 0,02 А 2) 0,2 А 3) 5 А 4) 50 А

10. В таблице приведены результаты экспериментальных измерений площади поперечного сечения ​\( S \)​, длины ​\( L \)​ и электрического сопротивления ​\( R \)​ для трёх проводников, изготовленных из железа или никелина.

На основании проведённых измерений можно утверждать, что электрическое сопротивление проводника

1) зависит от материала проводника 2) не зависит от материала проводника 3) увеличивается при увеличении его длины 4) уменьшается при увеличении его площади поперечного сечения

11. Для изготовления резисторов использовался рулон нихромовой проволоки. Поочередно в цепь (см. рисунок) включали отрезки проволоки длиной 4 м, 8 м и 12 м. Для каждого случая измерялись напряжение и сила тока (см. таблицу).

Какой вывод можно сделать на основании проведённых исследований?

1) сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения 2) сопротивление проводника прямо пропорционально его длине 3) сопротивление проводника зависит от силы тока в проводнике 4) сопротивление проводника зависит от напряжения на концах проводника 5) сила тока в проводнике обратно пропорциональна его сопротивлению

12. В справочнике физических свойств различных материалов представлена следующая таблица.

Используя данные таблицы, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) При равных размерах проводник из алюминия будет иметь меньшую массу и большее электрическое сопротивление по сравнению с проводником из меди. 2) Проводники из нихрома и латуни при одинаковых размерах будут иметь одинаковые электрические сопротивления. 3) Проводники из константана и никелина при одинаковых размерах будут иметь разные массы. 4) При замене никелиновой спирали электроплитки на нихромовую такого же размера электрическое сопротивление спирали уменьшится. 5) При равной площади поперечного сечения проводник из константана длиной 4 м будет иметь такое же электрическое сопротивление, что и проводник из никелина длиной 5 м.

Часть 2

13. Меняя электрическое напряжение на участке цепи, состоящем из никелинового проводника длиной 5 м, ученик полученные данные измерений силы тока и напряжения записал в таблицу. Чему равна площадь поперечного сечения проводника?

Сторонние силы

Для того, чтобы в проводнике электрический ток был длительное время, необходимо создать определенные условия. Для этого на отдельных участках цепи, кроме сил стационарного поля, действуют, так называемые, сторонние силы. Участки цепи, на которых имеется действие дополнительных, сторонних, сил называются неоднородными. В этом случае перемещение зарядов возникает под действием сил не электростатической природы, действующих в устройствах, называемых источниками постоянного тока.

Силы, приводящие в движение электрические заряды внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических реакций, происходящих между частицами металлического электрода и молекулами электролита. В генераторах постоянного тока сторонней силой является сила, возникающая от действия магнитного поля на движущийся электрический заряд. Работа источника тока похожа на функцию насоса, который заставляет двигаться жидкость (качает) по трубам замкнутого гидравлического контура. Под воздействием сторонних сил заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи длительное время поддерживается постоянный электрический ток.

Рис. 1. Источники постоянного тока, аккумуляторы, гальванические элементы, генераторы.

В организме человека имеется множество химических веществ, которые вступая друг с другом в различные реакции, способствуют возникновению электрической энергии. Например, в сердце есть клетки, которые в процессе поддержания сердечного ритма поглощают натрий и выделяют калий, что приводит к образованию электрических зарядов. При достижении определенной величины заряда, возникает импульс электрического поля, заставляющий сокращаться сердечную мышцу. Эти импульсы регистрируют с помощью кардиографа в больницах и поликлиниках при снятии электрокардиограммы (ЭКГ), дающей информацию о работе сердца..

Сверхпроводимость

Сверхпроводимость – это свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры меньше определённой, так называемой критической температуры.

Существует несколько сотен материалов, которые могут переходить в сверхпроводящее состояние при определённой температуре.

Ранее среди физиков бытовало мнение, что при уменьшении температуры сопротивление должно плавно уменьшаться, а при достижении температуры, близкой к абсолютному нулю, электроны вообще перестают двигаться, следовательно, ток перестанет течь по проводникам. Однако 8 апреля 1911 года  обнаружилось, что при температуре 3 К С электрическое сопротивление ртути практически равно нулю. Более точные измерения показали, что резкий спад сопротивления до нуля происходит при температуре 4,15 К.

Для постоянного электрического тока электрическое сопротивление сверхпроводника равно нулю. Это было продемонстрировано в ходе эксперимента, где в замкнутом сверхпроводнике был индуцирован электрический ток, который протекал в нём без затухания в течение 2,5 лет. Эксперимент был прерван забастовкой рабочих, подвозивших криогенную жидкость (сжиженный газ с температурой ниже 120 К).

В технике применяются сверхпроводники на основе сплавов ниобия (см. Рис. 7)

Отсутствие потерь на нагревание при прохождении постоянного тока через сверхпроводник делает привлекательным применение сверхпроводящих кабелей (см. Рис. 8) для доставки электричества, так как один такой тонкий кабель способен передавать мощность, которую традиционным методом можно передать с помощью цепи линий электропередач с несколькими более толстыми кабелями.

Рис. 7. Сплав ниобия

Проблемами, препятствующими широкому использованию сверхпроводящих кабелей, являются высокая стоимость кабеля и его обслуживание (через сверхпроводящие линии необходимо постоянно перекачивать жидкий азот). Однако в Нью-Йорке в конце июня 2008 года была запущена первая коммерческая сверхпроводящая линия электропередач.

Рис. 8. Сверхпроводящий кабель

Ссылка на основную публикацию