Зависимость тока в проводнике от напряжения. Зависимость силы тока от напряжения
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?
Тема: Зависимость силы тока от напряжения
Цель: Установить зависимость силы тока от напряжения.
Задачи:
Обучающее:
1. Повторить понятия из предыдущих тем (сила тока, электрическое напряжение, электрический ток, последовательное соединение, параллельное соединение, амперметр, вольтметр).
2. Формировать у учащихся культуру общения через кроссворд.
3. Закрепить новый материал при помощи решения качественной количественной задачи на определение напряжение на концах участка цепи.
Развивающие:
1. Развивать интерес к процессу познания с помощью демонстрационного опыта с помощью приборов (амперметр, вольтметр).
2. Развивать внимание учеников с помощью демонстрации;
3. Развивать мышление с помощью решения задач.
Воспитательные:
1. Воспитать умение работать в коллективе при помощи фронтального опроса, аккуратность при составлении таблицы. Изучить новый материал «Зависимость силы тока от напряжения» демонстрационным способом установить зависимость силы тока от напряжения.
2. Воспитать умение работать учащихся в группе при проверке домашнего задания.
Оборудование:
Амперметр-1шт, Вольтметр-1шт, ключ-1шт, реостат-1шт, источник питания (выпрямитель)-1шт, соединительные провода-6шт.
2. ответить на вопросы на стр. 86;
3. выполнить упражнение 19 на стр. 87;
План - график урока
I. Организационный момент. (2 мин).
1. приветствие (30 сек).
2. отметка отсутствующих (1.30 мин).
II. Запись домашнего задания в дневник. ( 1 мин).
III. Проверка домашнего задания. ( 10 мин).
1. раздать карточки, пояснить задания - 1.30 мин.
2. выполнить задания - 8мин.
3. собрать карточки - 30 сек.
IV. Объяснение нового материала. ( 17 мин).
1. выяснить знания учащихся с прошлых тем. (7 мин)
А) Амперметр. Измерение силы тока.
Б) Вольтметр. Измерение напряжения.
В) Сила тока.
Г) Электрический ток.
Д) Электрическое напряжение.
2. объяснение новой темы. (10 мин).
Показать опыт, подтверждающий зависимость силы тока от
напряжения.
V . Закрепление. (8 мин)
Закрепить данную тему с решением качественной задачи.
VI. Итог. (2 мин).
1. Итог деятельности учащихся. Постановка оценок. (2 мин).
План - конспект.
I . Организационный момент. (2 мин)
Здравствуйте дети, садитесь. Отметим отсутствующих.
II . Запись домашнего задания в дневники. (1 мин)
Откройте дневники, запишите домашнее задание:
2. ответить на вопросы к параграфу 49 на стр. 86.
3. выполнить упражнение 19 на стр. 87.
закройте дневники, отложите в сторонку.
III . Проверка домашнего задания в дневники. (10 мин)
Прежде чем приступить к новой теме сначала проверим домашнее задание нестандартным образом.
Разбивайтесь на 3 группы (если учеников много, то можно на 4).
Теперь слушайте внимательно, сейчас каждая группа получит кроссворд и жетоны (жетоны должны быть по числу учеников каждой группы). Вам необходимо как можно быстрее угадывать слова в кроссворде.
Каждый, кто угадал слово в кроссворде, берет себе по одному жетону у кого больше всего жетонов окажется, тот претендует на хорошие оценки (раздать ученикам кроссворды и жетоны). На все это у вас будет 8мин.
Получить оценку: «5»= больше 7; «4»= 4-6; «3»= 2-3. (учитель раздает карточки и дает команду на выполнение).
IV . Объяснение нового материала. (17 мин)
1. Выяснить знания учащихся с прошлых тем с помощью фронтального опроса (7 мин)
Прежде чем перейти к изучению новой темы, повторим предыдущие темы.
Вопрос : Дайте определения электрического тока? (назвать конкретного учащегося).
Ответ: Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц.
Вопрос : Каковы условия существования электрического тока?
Ответ: 1. существования свободного заряда.
2. существования электрического поля.
Вопрос : Молодец. Какие действия электрического тока существует?
Ответ: Тепловое, химическое, магнитное.
Вопрос : По какой формуле выражается сила тока?
Ответ: J=q/t. где q-заряд, t-время.
Вопрос : Единица измерения заряда?
Ответ: Кулон.
Вопрос : Единица измерения времени?
Ответ: Секунд.
Вопрос : Хорошо. Каким прибором измеряют силу тока?
Ответ: Амперметр.
Вопрос : Правильно. Как соединяется амперметр?
Ответ: Последовательно.
Вопрос : Дайте определение электрического напряжения?
Ответ: Э лектрическое напряжение - это физическая величина, характеризующая электрическое поле, которое создает ток.
Вопрос : Обозначение электрического напряжения?
Ответ : U.
Вопрос : Единица измерения электрического напряжения?
Ответ : Вольт.
Вопрос : Теперь внимательно смотрим на доску. Что нарисовано на доске? (спросить конкретного ученика).
https://pandia.ru/text/78/388/images/image005.gif" height="14"> - +
Ответ: Электрическая схема.
Вопрос : Какой прибор необходим для установления зависимости силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении (спросить конкретного ученика).
Ответ: Вольтметр.
Вопрос : Правильно. Как соединяется вольтметр?
Ответ: Параллельно.
Вопрос : (Вызвать конкретного ученика на доску). Нарисуй вольтметр на схеме.
https://pandia.ru/text/78/388/images/image005.gif" height="14"> - +
0 " style="border-collapse:collapse;border:none">
Начертите горизонтальную линию, отступили от этой черты на две клетки, нарисовали еще одну горизонтальную линию еще раз отступили от этой черты на две клетки и так 5 раз провели горизонтальную линию и отступаем на две клетки. Отступили от края на 4 клетки начертили вертикальную линию и так чертим 4 раза. А теперь все внимательно смотрим на схему. Нам необходимо установить зависимость силы тока от напряжения. Для этого изменяя напряжения,(т. е увеличивая) смотрим на показания амперметра. (сопротивление у нас не изменяется, учитель сам при себе считает показания сопротивления по закону Ома и полученное число заносит в таблицу).
Вопрос: Амперметр сколько делений показывает?
Ответ: 0.6
Вопрос : Показания амперметра заносим в таблицу. Теперь напряжение увеличиваем 2 раза. Смотрим на показания амперметра. Сколько делений показывает?
Ответ: 1.2
Вопрос : Показания амперметра заносим в таблицу. Теперь напряжение увеличиваем 3 раза. Смотрим на показания амперметра. Сколько делений показывает?
Ответ: 2.4
Результат опыта:
При постоянном сопротивлении R=3, подаем напряжение U=2, при этом при этом сила тока принимает значение I=0,6. При увеличении напряжения в два раза U=4, амперметр покажет вдвое большую силу тока I=1,2. При трехкратном увеличении напряжения U=6, амперметр покажет, втрое большую силу I=2,4.
Анализ опыта: А теперь по показаниям таблицы начертим график зависимости силы тока от напряжения. По горизонтальной оси отложено напряжение в вольтах, а по вертикальной – сила тока в амперах.
https://pandia.ru/text/78/388/images/image011.gif" width="13" height="13 src="> U.
Вопрос : А что значит прямо пропорциональна?
Ответ: При увеличении напряжения сила тока увеличивается.
Вопрос : А при уменьшении напряжения сила тока как изменяется?
Ответ: Уменьшается.
Итак, по показаниям графика мы выяснили, что при увеличении напряжения сила тока увеличивается.
V . Закрепление. (8 мин)
А теперь решим задачу.
Задача1 : (Решать устно).
Определить по графику силу тока. При напряжении на концах участка цепи, равном 3В, 5В, 7В сколько будет сила тока в проводнике? (спрашивать конкретного ученика, смотрим на график).
Конкретным ученикам оценки выставляются по выполнению карточек.
В электротехнике для описания процессов, протекающих внутри электрических цепей, используются термины «ток», «напряжение» и «сопротивление». Каждый из них имеет собственное назначение со специфическими характеристиками.
Рассмотрим и подведем выводы о каждом из терминах.
Электрический ток
Слово используется для характеристики движения заряженных частиц (электроны, дырки, катионы и анионы) через определенную среду вещества. Направление и количество носителей заряда определяет тип и силу тока.
Основные характеристики тока, влияющие на его практическое применение
Обязательным требованием для протекания зарядов является наличие цепи или, другим словами, замкнутого контура, создающего условия для их передвижения. Если внутри движущихся частиц образуется разрыв, то их направленное перемещение сразу прекращается.
На этом принципе работают все выключатели и защиты, используемые в электрике. Они создают разделение подвижными контактами токопроводящих частей между собой и этим действием прерывают протекание электрического тока, отключая прибор.
В энергетике наибольшее распространение получил метод создания электрического тока за счет передвижения электронов внутри металлов, изготовленных в виде проводов, шин или других токопроводящих частей.
Кроме этого способа также используется создание тока внутри:
1. газов и жидкостей-электролитов за счет движения электронов или катионов и анионов - ионов с положительными и отрицательными знаками заряда;
2. среды из вакуума, воздуха и газов при условии передвижения электронов, вызванного явлением термоэлектронной эмиссии;
3. полупроводниковых материалов вследствие перемещения электронов и дырок.
Электрический ток может возникнуть при:
приложении к заряженным частицам внешней разности электрических потенциалов;
нагреве проводников, не являющихся в данный момент сверхпроводниками;
протекании химических реакций, связанных с выделением новых веществ;
воздействии приложенного на проводник магнитного поля.
Форма сигнала электрического тока может быть:
1. постоянной в виде прямой линии на временно́м графике;
2. переменной синусоидальной гармоникой, хорошо описываемой основными тригонометрическими соотношениями;
3. меандром, грубо напоминающим синусоиду, но с резкими, ярко выраженными углами, которые в отдельных случаях могут быть хорошо сглажены;
4. пульсирующей, когда направление остается одним и тем же без изменения, а амплитуда колеблется периодически от нулевого до максимального значения по вполне определенному закону.
Формы тока
Электрический ток может совершать полезную для человека работу, когда он:
преобразуется в световое излучение;
создает нагрев тепловых элементов;
совершает механическую работу за счет притяжения или отталкивания подвижных якорей либо вращения роторов с приводами, закрепленных в подшипниках;
формирует электромагнитное излучение и в некоторых других случаях.
При прохождении электрического тока по проводам может создаваться вред , вызываемый:
излишним нагревом токонесущих цепей и контактов;
образованием вихревых токов в магнитопроводах электрических машин;
излучением электроэнергии электромагнитными волнами в окружающую среду и некоторыми подобными явлениями.
Конструкторы электрических приборов и разработчики различных схем учитывают перечисленные возможности электрического тока в своих устройствах. Например, вредное воздействие вихревых токов в трансформаторах, двигателях и генераторах уменьшается за счет шихтовки сердечников, используемых для пропускания магнитных потоков. В то же время вихревой ток успешно применяют для разогрева среды внутри электрических печей и микроволновок, работающих на индукционном принципе.
Электрический ток, в зависимости от своей величины, способен совершать различную работу. Для количественной оценки его возможностей принята величина, называемая силой тока. Ее размерностью в международной системе измерений является 1 ампер. Для обозначения силы тока в технической литературе принят индекс «I».
Электрическое напряжение
Этот термин используется как характеристика физической величины, выражающей затраченную работу по переносу пробного единичного электрического заряда из одной точки в другую без изменения характеров размещения остальных зарядов на действующих источниках полей.
Поскольку начальная и конечная точки обладают различными потенциалами энергии, то работа на перемещение заряда, или напряжение, совпадает с соотношением разности этих потенциалов.
В зависимости от протекающих токов используются различные термины и способы вычисления напряжения. Оно может быть:
1. постоянным - в цепях электростатики и постоянного тока;
2. переменным - в схемах с переменными и синусоидальными токами.
Для второго случая используются такие дополнительные характеристики и разновидности напряжения, как:
амплитуда - наибольшее отклонение от нулевого положения оси абсцисс;
мгновенная величина, которая выражается в конкретный момент времени;
действующее, эффективное или, называемое по-другому, среднеквадратичное значение, определяемое по совершаемой активной работе одного полупериода;
средневыпрямленное, рассчитываемое по модулю выпрямленного значения одного периода гармоники.
Характеристики переменного напряжения
Для количественной оценки напряжения введена международная единица 1 вольт, а ее обозначением стал символ «U».
При транспортировке электрической энергии по проводам воздушных линий конструкция опор и их габариты зависят от значения используемого напряжения. Его величину между проводами фаз называют линейной, а относительно каждого провода и землей - фазной.
Электрическое сопротивление
Термин применяется для характеристики свойств вещества ослаблять прохождение через него электрического тока. При этом могут выбираться разные среды, изменяться температура вещества или его габариты.
У цепей постоянного тока сопротивление совершает активную работу, поэтому его называют активным. Оно для любого участка прямо пропорционально приложенному напряжению и обратно пропорционально - проходящему току.
В цепях переменного тока введены понятия:
импеданса;
волнового сопротивления.
Электрический импеданс по-другому называют комплексным или полным сопротивлением с составляющими частями:
активной;
реактивной.
Реактивное сопротивление, в свою очередь, может быть:
емкостным;
индуктивным.
Соотношения между составляющими импеданса описываются треугольником сопротивлений.
Величиной сопротивления принята международная единица измерения в 1 Ом.
Взаимосвязь тока, напряжения, сопротивления
Классическим примеров выражения соотношений между этими характеристиками является сравнение с гидравлической схемой, в которой сила движения потока жизни (аналог - величина тока) зависит от значения приложенной к поршню силы (созданного напряжения) и характера магистралей потока, выполненных сужениями (сопротивлением).
Ток, напряжение и сопротивление
Математические закономерности, описывающие взаимосвязь электрического сопротивления, тока и напряжения впервые опубликовал и запатентовал Георг Ом. Он вывел законы для полного контура электрической цепи и его участка. Подробнее смотрите здесь: Применение закона Ома на практике
Для замера основных электрических величин электроэнергии применяют амперметры, вольтметры и омметры.
Замеры тока, напряжения и сопротивления
Амперметр замеряет ток, проходящий по цепи. Поскольку на всем замкнутом участке он не изменяется, то амперметр врезают в любом месте между источником напряжения и потребителем, создавая прохождение зарядов через измерительную головку прибора.
Вольтметром измеряют напряжение на клеммах подключенного к источнику тока потребителя.
Замеры сопротивления омметром могут выполняться только на обесточенном потребителе. Это объясняется тем, что омметр выдает калиброванное напряжение и замеряет ток, проходящий по измерительной головке, который переводится в Омы за счет деления напряжения на полученное значение тока.
Любое подключение маломощного постороннего напряжения при выполнении измерения создаст дополнительные токи и исказит результат. Учитывая, что внутренние цепи омметра изготавливаются маломощными, то при ошибочных замерах сопротивления при поданном постороннем напряжении довольно часто прибор выходит из строя за счет того, что у него выгорает внутренняя схема.
Знание основных характеристик тока, напряжения, сопротивления и зависимостей между ними позволяет электрикам успешно выполнять свою работу и надежно эксплуатировать электрические системы, а допускаемые ошибки очень часто заканчиваются несчастными случаями и травмами.
§ 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:
