Сила тока: определение, как найти, расчет в проводнике

Сила тока: определение, как найти, расчет в проводнике

Сила тока — физическая величина, которая позволяет дать количественную характеристику току. Она обозначается буквой I и численно равна заряду, который за единицу времени протекает через поперечное сечение проводника.

Природа происхождения

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц под воздействием электрического поля.

В качестве частиц выступают:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

• в металлических проводниках — электроны;
• в полупроводниках — дырки или электроны;
• в вакууме — электроны (при определенных условиях);
• в газах — электроны и ионы;
• в растворах и расплавах электролитов — ионы.

Пока по проводнику не течет электрический ток частицы движутся хаотично. И их количество перетекших в одном направлении примерно соответствует и количеству частиц, перетекших в противоположном направлении.

Но ситуация меняется после того, как по проводнику пускают ток. В этом случае количество движущихся в одном направлении частиц значительно возрастает. И чем больше их проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше и сила тока.

Модель электрической цепи

Лучше понять физический смысл рассматриваемой величины можно на примере механической модели электрической цепи. В качестве ее возьмем водопроводную сеть частного дома.

Для того, чтобы вода начала поступать в водопровод из скважины или колодца необходим насос. Поэтому его можно рассматривать в качестве аналога батареи или иного источника тока. Он создает в системе давление, которое и приводит воду в движение. Соответственно трубы выступают роли проводников, молекулы воды — электронов, а краны — электрических переключателей.

Чем сильнее напор в водопроводной системе, тем большее количество воды, а вернее ее молекул, протекает через поперечное сечение трубы за каждую секунду. Отсюда можно сделать вывод, что чем больше сила тока, тем сильнее и его действие.

Воздействие тока силой до 0,5 мА (частота 50 Гц) человек не ощущает. При силе от 2 до 10 мА возникают болезненные сокращения мышц. А удар током силой свыше 100 мА грозит развитием фибрилляции желудочков и остановкой сердечной деятельности.

Единица измерения

Так как сила тока — это количественная величина, то в физике есть и единица ее измерения. Она позволяет проводить сравнительный анализ различных токов и их действий.

В чем измеряется

Формула силы тока записывается так:

где (triangle t) — это единица времени, а (triangle q) — количества электрического заряда, протекшего за указанный промежуток времени через поперечное сечение проводника.

В Интернациональной системе (СИ) заряд измеряется в Кулонах, а время — в секундах. В соответствии с этим единица измерения силы тока — Кулон/секунду. По международному соглашению ее стали называть Ампером.

В 1948 году было предложено определять силу тока по взаимодействию двух проводников, расположенных в вакууме на расстоянии одного метра друг от друга и длиной в один метр.

За силу тока в 1 A принимают такой ток, при котором два проводника притягиваются друг к другу (ток течет в одном направлении) или отталкиваются (ток течет в разных направлениях) с силой 0,0000002 H.

На практике очень часто применяются кратные единицы силы тока:

1 кА = 103 А, 1 мкА = 10-6 А, 1 мА = 10-3 А

В честь кого названа единица измерения

Единица измерения силы тока была названа в честь французского ученого Андрэ-Мари Ампер. Его называют «отцом» учения о электромагнетизме. Именно он ввел в науку такие термины как электрический ток, электростатика и электродинамика, гальванометр, напряжение, электродвижущая сила, соленоид. Амперу удалось найти доказательство теоремы «О циркуляции магнитного поля» и описать математически силу взаимодействия между токами.

Как найти силу тока

С проблемой определения силы тока сталкиваются и при решении задач, и в повседневной жизни. Вычислить этот параметр для проводника или электрической цепи можно не только путем проведения измерений, но и при помощи формул.

В проводнике

Основными величинами, характеризующими электрический ток, являются сила, напряжение и сопротивление. Взаимосвязь между ними была установлена экспериментальным путем в 1826 году Георгом Омом. В последствии она была сформулирована в виде закона, который и был назван в честь ученого.

Закон Ома: сила тока в участке цепи или проводнике обратно пропорциональна сопротивлению и прямо пропорциональна напряжению.

Рассчитать силу тока в проводнике также можно, если разделить мощность на напряжение.

При протекании тока происходит нагревание проводника. И по количеству выделившегося тепла на основании закона Джоуля-Ленца возможно провести вычисление силы тока.

В цепи

Реальный источник тока всегда обладает своим внутренним сопротивлением.

Закон Ома для полной цепи формулируется так: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна сумме внутреннего и внешнего сопротивления.

Формулы

Закон Ома для участка цепи:

где R — сопротивление проводника, а U — напряжение.

Закон Ома для полной цепи:

где ε — электродвижущая сила источника тока, R + r — сумма сопротивлений источника и внешней нагрузки.

Формула, для определения силы тока по мощности и напряжению:

где P — мощность, а U — напряжение.

Закон Джоуля-Ленца: при протекании по проводнику тока происходит выделение тепла (Q), которое равно произведению квадрата силы тока (I) на время (t), которое он протекал и на сопротивление проводника (R).

Математически формула выглядит так:

Исходя из нее можно вывести еще одну формулу для расчета силы тока:

Как можно измерить силу тока

Для измерения силы тока используется прибор, называемый амперметром. На электрических схемах он обозначается буквой А, заключенной в окружность.

В любом проводнике замкнутой цепи, собранной последовательно, протекает электрический ток одинаковой величины. Поэтому для его измерения достаточно просто разомкнуть эту цепь в любом месте и подключить амперметр. Нельзя подключать его к источнику тока при отсутствии устройства потребления.

Ток бывает переменный и постоянный. И для его измерения необходимы разные устройства. На шкале амперметров для постоянного тока имеется одно из следующих обозначений — «-», «DC» или указание на полярность подключения. Амперметры, предназначенные для измерения силы переменного тока обозначаются « (sim) » или «АС».

Амперметр для постоянного тока необходимо включать в цепь с соблюдением полярности, то есть к клемме прибора, имеющей обозначение «+», присоединяют провод, идущий от положительного электрода.

Если на источнике тока отсутствует указание полярности, то узнать ее можно по электрической схеме. Короткая линия всегда соответствует «минусу», а длинная — «плюсу».

Амперметр для переменного тока не имеет полярности и подключается без ее учета.

Описание прибора

Амперметр — это один из электроизмерительных приборов. Он обладает очень низким сопротивлением, чтобы не оказывать влияния на величину измеряемой силы тока. Ведь закон Ома гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Это означает, что чем больше сопротивление проводников, тем меньше сила тока.

Шкала прибора может быть градуирована не только в А, но и в других кратных единицах — мкА, мА, кА.

• аналоговые (стрелочные);
• цифровые (электронные).

Измерители стрелочного типа не нуждаются в источнике питания, так как потребляют электрический ток непосредственно из измеряемой цепи. Но они показывают величину силы тока с некоторой задержкой, а не мгновенно.

Электронные амперметры практически полностью лишены такого недостатка как инерционность. Современные процессоры, используемые в этих моделях, обеспечивают частоту обновления показателей до 1000 в минуту. Их недостатком является высокая цена и необходимость отдельного источника питания для функционирования.

Примеры нахождения силы тока в задачах

Задача №1

Определите силу тока проводнике, имеющем сопротивление 55 Ом при напряжении в сети 220В.

Решение

Вычисление

Ответ: сила тока в проводнике 4,4 А.

Задача №2

Сила тока в резисторе при напряжении 100В (U1) составляет 4 А (I1). Если напряжение увеличить на 20В (Δ U), как изменится сила тока (I2), протекающего через этот резистор?

Решение

По условию задачи сопротивление резистора не изменяется. Тогда:

Вычисление

Ответ: сила тока станет 4,8 А.

Задача №3

Определите силу тока в цепи с внешним сопротивлением 10 Ом и источником постоянного тока, ЭДС которого составляет 15В, а внутреннее сопротивление – 1 Ом.

Решение

Вычисление

Задача №4

При какой силе тока (I) проволока с сопротивлением (R) 20 Ом за 300 секунд (t) выделит 6 кДж теплоты (Q)?

Единица измерения количества теплоты

Количеством теплоты или просто теплотой ($Q$) называют внутреннюю энергию, которая без совершения работы передается от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой в процессах теплопроводности или лучеиспускания.

Джоуль — единица измерения количества теплоты в системе СИ

Единицу количества теплоты можно получить из первого начала термодинамики:

[Delta Q=A+Delta U left(1right),]

где $A$ — работа термодинамической системы; $Delta U$ — изменение внутренней энергии системы; $Delta Q$ — количество теплоты, подводимое к системе.

Из закона (1), а тем более из его варианта для изотермического процесса:

[Delta Q=A left(2right).]

очевидно, что в Международной системе единиц (СИ) джоуль (Дж) — единица измерения энергии и работы.

Через основные единицы джоуль легко выразить, если использовать определение энергии ($E$) вида:

где $c$ — скорость света; $m$ — масса тела. Исходя из выражения (2), имеем:

С джоулем используют все стандартные приставки системы СИ, обозначающие десятичные дольные и кратные единицы. Например, $1кДж=<10>^3Дж$; 1МДж =$<10>^6Дж$; 1 ГДж=$<10>^9Дж$.

Эрг — единица измерения количества теплоты в системе СГС

В системе СГС (сантиметр, грамм, секунда) теплота измеряется в эргах (эрг). При этом одни эрг равен:

[1 эрг=1 динcdot 1 см.]

Принимая во внимание то, что:

получаем соотношение между джоулем и эргом:

Калория — единица измерения количества теплоты

В качестве внесистемной единицы измерения количества теплоты используется калория. Одна калория равна количеству теплоты, которое следует передать воде массой один килограмм, чтобы нагреть ее на один градус Цельсия. Соотношение между джоулем и калорией следующее:

[1калapprox 4,2 Дж.]

Если говорить точнее, то различают:

• Международную калорию, она равна: [1 кал=4,1868 Дж;;]
• термохимическую калорию: [1 кал=4,184 Дж;;]
• 15-градусная калория, используемая для термических измерений: [1 кал=4,1855 Дж;;]

Часто калории используют с десятичными приставками, такими как: ккал (килокалория) $1ккал=<10>^3кал$; Мкал (мегакалория) 1Мкал =$<10>^6кал$; Гкал (гигакалория) 1 Гкал=$<10>^9кал$.

Иногда килокалорию называют большой калорией или килограмм-калорией.

Примеры задач с решением

Задание. Какое количество теплоты поглощает водород массой $m=0,2$кг при его нагревании от $t_1=0^circ!C>$ до $t_2=100^circ!C>$ при неизменном давлении? Запишите ответ в килоджоулях.

Решение. Запишем первое начало термодинамики:

[Delta Q=A+Delta U left(1.1right).]

Изменение внутренней энергии, если считать водород идеальным газом равно:

[Delta U=frac<2>fracRDelta T left(1.2right),]

где $i=5$ — число степеней свободы молекулы водорода; $mu =2cdot <10>^<-3>frac<кг><моль>$; $R=8,31 frac<Дж><мольcdot К>$; $Delta T=t_2-t_1$. По условию мы имеем дело с изобарным процессом. Работа в изобарном процессе равна:

Учитывая выражения (1.2) и (1.3) преобразуем первое начало термодинамики для изобарного процесса к виду:

[Delta Q=fracRDelta T +frac<2>fracRDelta T=fracRDelta Tleft(1+frac<2>right) left(1.4right).]

Проверим, в каких единицах измеряется теплота, если ее вычислить по формуле (1.4):

[Delta Q=frac<0,2><2•<10>^<-3>>cdot 8,31cdot 100left(1+frac<5><2>right)approx 291cdot <10>^3left(Джright)=291 left(кДжright).]

Ответ. $Delta Q=291 $ кДж

Задание. Гелий, имеющий массу $m=1 г$ нагрели на 100 К в процессе, изображенном на рис.1. Какое количество теплоты передано газу? Ответ запишите в единицах системы СГС.

Решение. На рисунке 1 изображен изохорный процесс. Для такого процесса первое начало термодинамики запишем как:

[Delta Q=Delta U left(2.1right).]

Изменение внутренней энергии найдем как:

[Delta U=frac<2>fracRDelta T left(2.2right),]

где $i=3$ — число степеней свободы молекулы гелия; $mu =4frac<г><моль>$; $R=8,31cdot <10>^7 frac<эрг><мольcdot К>$; $Delta T=100 К.$ Все величины записаны в СГС. Проведем вычисления:

[Delta Q=frac<3><2>cdot frac<1><4>cdot 8,31cdot <10>^7cdot 100approx 3cdot <10>^9(эрг) ]

Почему в расчетах тепла используются Гкал и кВт

По сути, нет никаких проблем, связанных с тем, в каких единицах измерения рассчитывать потребленное тепло, однако для рядового потребителя не все так однозначно. Сложности возникают только из-за того, что оплачивать расход тепловой энергии необходимо в Гкал, но при этом у многих пользователей установлены приборы учета, выдающие измерения в кВт. Соответственно, необходимо все правильно перевести из одной единицы измерения в другую, то есть, по сути, это проблема математического толка, но при этом многие потребители задаются вопросом: из-за чего возникают такие сложности и как их избежать.

Что такое гигакалория или как рассчитать тепловую энергию

Сразу нужно обратить внимание, что именно такая единица измерения как «калория» (кал или cal) широко используется для расчетов объемов потребления энергии, в том числе и тепловой. Калория является специальной или внесистемной единицей измерения, которая приравнивается к 4,19 Дж. Именно столько энергии используется для нагрева всего 1 г воды на 1 ° C при нормальном атмосферном давлении. Использование такой величины позволяет легко производить расчеты теплосодержания воды, поставляемой на различные объекты коммунального или промышленного назначения. А учитывая тот факт, что тепло в дома и квартиры, чаще всего, попадает при помощи жидкого теплоносителя, в роли которого за редким исключением традиционно выступает вода, то именно учет в Гкал стал наиболее оптимальным вариантом.

ЗАКАЗАТЬ УСЛУГУ У АККРЕДИТОВАННЫХ КОМПАНИЙ

Важно обратить внимание, что из-за того, что 1 калория представляет собой практически мизерную величину, то для удобства учета, единицей измерения тепла выступает Гкал, которая равна 1 млрд. калорий. Следует уточнить и тот факт, что учет тепловой энергии в Гкал для коммунальной сферы в России применяется с 1995 г., именно тогда было принято соответствующее постановление министерства топлива и энергетики. В соответствии с этим документом вводилась норма потребления тепловой энергии на 1 м 2 , усредненное значение которой составляла 0,0342 в месяц. Но нужно отметить, что это показатель отличается в разных регионах и в зависимости от климатических условий может быть выше или ниже.

Следует обратить внимание и на то, что в основном в качестве единицы измерения в квитанциях за отопление используются Гкал, хотя могут применяться и Гкал/час. В первом случае указывается реальная величина тепловой энергии, потребленной за определенный период, чаще всего – за месяц. Во втором случае используется иной способ расчета, а именно – указывается количество потребляемого тепла за 1 час. А для того чтобы правильно заполнить квитанцию и произвести оплату за месяц, эту величину нужно умножить на 24ч и на количество дней.

Надо отметить и тот факт, что такая единица измерения, как Гкал применяется не только для расчета полученной тепловой энергии, эта величина также привязывается и к топливу, которое используется для производства тепловой энергии. То есть показывает то количество тепла, которое можно получить при использовании 1 м 3 того или иного вида топлива. Естественно, этот параметр для дров, природного газа или жидкого топлива будет разным.

Особенности учет тепловой мощности

Как правило, при строительстве зданий различного назначения, все теплотехнические расчеты производятся в Гкал и основная причина этого – приближенность получаемых данных к реальной ситуации и возможность получения достоверных данных, которые будут максимально достоверны как для крупного промышленного объекта, так и для небольшого здания. То есть, с использованием данной единицы измерения можно правильно и точно рассчитать количество необходимой тепловой энергии, достаточной для того, чтобы создать оптимальный температурный режим в помещении.

Но при этом, рассчитывая необходимое количество тепловой энергии, важно понимать, что ее получение будет обеспечиваться за счет работы отопительного оборудования. А технические возможности оборудования определяются как мощность и измеряются в кВт. Таким образом, появляется необходимость в переводе одной величины в другую, то есть надо выбрать котел или другое теплогенерирующее оборудование, мощности которого хватит для производства нужного количества тепловой энергии, измерение которой производится в Гкал.

Также следует обратить внимание и на то, что необходимость в переводе кВт в Гкал появляется и в том случае, если используются счетчики тепла, учет потребления в которых ведется именно в кВт, то есть, по сути, определяются мощностные характеристики теплоносителя, прокачиваемого через систему отопления. Хотя нужно обратить внимание на то, что многие теплосчетчики, особенно отечественного производства, адаптированы к российской системе учета и показывают именно потребление тепловой энергии, то есть ведут учет в Гкал. В этом случае потребителю не надо заниматься дополнительными вычислениями, но в остальных – нужно знать, как перевести значения, полученные в кВт в Гкал.

Как правильно перевести Гкал в кВт и наоборот

Сразу нужно сказать, что для современного человека вопрос перевода величин не представляет особой проблемы, так как легко и просто можно воспользоваться онлайн-счетчиками, которые, как отдельная опция, прикручены на многих сайтах тематической направленности. Однако все же каждому потребителю следует научиться производить расчеты самостоятельно, так как это позволяет точно контролировать свой учет и потребление тепловой энергии в доме или на ином объекте. Тем более что лезть в математические дебри не потребуется, хотя и вполне допустимо: для точных расчетов предназначены специальные формулы, в которых учитываются все факторы, влияющие на теплопотребление. Но это больше относится к сфере проектирования систем отопления, а для того, чтобы правильно рассчитать сумму, которую необходимо выделить для оплаты коммунальных услуг, достаточно знания лишь нескольких числовых значений и коэффициентов.

Для начала следует знать, что 1 Гкал – это 1162,2кВт, соответственно 1 кВт будет равен 0,00086 Гкал/ч. Таким образом, если счетчик тепла показывает расход в кВт, то узнать количество полученных Гкал совсем просто – нужно просто умножить полученные данные на коэффициент 0,00086. Например, если потребление тепла за месяц составило 300 кВт, то оплатить нужно будет за 0,258 Гкал.

В том случае если требуется произвести перевод гигакалорий в кВт, то первое значение следует, соответственно, умножить на 1162,2. Например, если получено 0,400 Гкал, то это значение будет равно 464,88 кВт.

Таким образом, если в доме или квартире установлены приборы учета, значения которых не совпадают с теми, которые используются при расчетах за тепло, то знание всего двух постоянных величин позволяет легко справиться с заполнением платежного документа и оплатой за потребленный ресурс.

Если в многоквартирном доме установлен общедомовой теплосчетчик, то такой проблемы нет, так как необходимыми вычислениями занимается управляющая компания, которая и производит начисления в соответствии с полученными данными и распределяет их между владельцами помещений пропорционально их площади. При этом оплата производится не только за тепло, поступающее в каждую отдельную квартиру, но и за помещения общего пользования: коридоры, лестничные площадки и различные подсобки. Справедливости ради нужно отметить, что и владельцы индивидуальных приборов учета тоже должны оплачивать отопление мест общего пользования.

Поэтому, независимо от того, в каких единицах измеряется количество поступающего тепла в дом, оплата производится за всю тепловую энергию, то есть за каждую гигакалорию. В частных домах и на объектах с индивидуальными системами отопления может использоваться иной способ учета и оплаты за полученное тепло и, чаще всего, единицей измерения выступает количество израсходованного топлива.

Работа и мощность электрического тока

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Работа и мощность электрического тока»

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о том, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством особого вида материи, которую называют электрическим полем. Примером такого взаимодействия может служить электрический ток, то есть упорядоченное движение заряженных частиц, которое создаётся электрическим полем. Следовательно, электрическое поле способно совершать работу, которую называют работой тока.

Давайте вспомним, что в общем случае под работой понимают скалярную физическую величину, которая описывает действие силы (заметьте, именно силы, а не те́ла), приводящее к изменению значения скорости рассматриваемого тела.

Из этого становится очевидным, что термин «работа тока» — это своеобразный жаргонизм, с которым вы уже неоднократно сталкивались. Работа тока — это, говоря строгим языком физики, работа электрически сил, которые, перемещая заряженные частицы, увеличивают их скорость, а значит и кинетическую энергию.

Мы уже с вами знаем, что работа по переносу электрического заряда в электрическом поле оценивается произведением величины перенесённого заряда на величину разности потенциалов между начальной и конечной точками переноса, то есть на величину напряжения:

A = ΔqU.

Очевидно, что это соотношение может быть применимо и для оценки работы тока. Однако эта формула имеет неудобство в связи с тем, что и ней фигурирует перенесённый в электрическом поле заряд, измерение которого требует особых методов. Поэтому удобнее расписать этот заряд, используя формулу силы тока:

Такая запись приводит нас к удобной формуле для определения работы электрического тока: работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток:

A = IUΔt.

Единицей работы тока, как вы догадались, является джоуль. Эту единицу можно выразить через электрические единицы — ампер и вольт:

1 Дж = 1 А ∙ 1 В ∙ 1 с.

Для измерения работы тока в реальной жизни пользуются специальными приборами — счётчиками электрической энергии, которые сейчас можно увидеть в каждом доме. Однако в них работу тока принято выражать не в джоулях, а в киловатт-часах (1 кВт ∙ час = 3,6 ∙ 10 6 Дж).

Применяя к потребителю электротока закон Ома, можно из основной формулы работы получить ещё два варианта, исключив в первом случае из формулы напряжение, а во-втором — силу тока:

Получив формулу для работы электрического тока, мы легко получим и формулу для мощности тока. Ведь в любом случае мощность есть отношение работы ко времени её совершения:

Напомним, что единицей измерения мощности является ватт.

А для измерения мощности электрического тока в цепи используют специальные приборы, называемые ваттметрами.

Давайте для примера решим с вами такую задачу. Два потребителя, сопротивления которых равны R₁ и R₂ подключают к сети постоянного тока сначала последовательно, а потом — параллельно. В каком случае потребляется большая мощность от сети?

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах. Давайте с вами вспомним, что тепловое действие тока проявляется в том, что при протекании тока по проводнику последний нагревается.

Химическое действие тока мы можем наблюдать при его прохождении через растворы солей, кислот или щелочей.

А магнитное действие тока проявляется в создании им магнитного поля.

Также мы с вами говорили о том, что тепловое действие ток производит в любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной. Например, нагревание проводника происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные носители зарядов — электроны — сталкиваются с ионами кристаллической решётки проводника и отдают им часть своей энергии. В результате энергия теплового движения ионов около положений равновесия возрастает. То есть происходит переход энергии электрического поля во внутреннюю энергию проводника.

При этом, очевидно, что чем больше будет сопротивление проводника, тем большее количество теплоты в нём выделится при протекании электрического тока одной и той же силы.

Это легко проверить на простом опыте. Возьмём три последовательно соединённых проводника, изготовленных из разных материалов, например, из нихрома, никелина и меди, и подключим их к источнику постоянного тока.

Спустя некоторое время мы заметим, нихромовый проводник нагрелся почти до белого каления, никелиновый — лишь слегка покраснел, а вот медный проводник практически не изменил свой цвет.

Таким образом, действительно, чем больше сопротивление проводника, тем «труднее» двигаться зарядам в нём и тем больше нагревается проводник.

В 1841 году английский учёный Джеймс Прескотт Джоуль и независимо от него в 1842 году российский учёный Эмилий Христианович Ленц, изучая на опыте тепловые действия тока установили закон, позволяющий рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике при протекании в нём электрического тока. Согласно этому закону, количество теплоты, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, проходящего по проводнику, сопротивлению проводника и времени, в течение которого поддерживается неизменный ток в проводнике.

Проверим его справедливость с помощью такого опыта. Возьмём калориметр, содержащий 100 мл миллилитров воды при температуре 18 о С, и поместим в неё проводник в виде спиральки известного сопротивления. Концы проводника включим в цепь, состоящую из источника тока, амперметра и ключа. С помощью секундомера будем засекать время эксперимента.

Замкнув ключ, подождём пока температура воды в калориметре не повысится на 10 о С.

Теперь рассчитаем количество теплоты, полученное водой, используя для этого известную нам формулу из термодинамики:

Здесь c — это удельная теплоёмкость воды; m — её масса; а Δt — изменение температуры воды. Тогда после подстановки чисел и простых расчётов, получаем, что вода получила от нагревателя 4200 Дж теплоты.

Теперь определим количество теплоты, выделившееся в проводнике, используя для этого закон Джоуля — Ленца:

Подставив в полученное уравнение данные наших опытов, найдём, что за время эксперимента в проводнике выделились те же 4200 Дж теплоты. Это подтверждает правоту закона Джоуля — Ленца.

Формулой Q = I 2 RΔt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же.

При параллельном же соединении проводников ток в них различен, а вот напряжение на концах этих проводников одно и то же. Поэтому расчёт количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле: Q = U 2 Δt / R.

Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника.

Электрический ток. Закон Ома

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, при котором происходит перенос заряда из одних областей пространства в другие.

Сила тока — количественная характеристика электрического тока. В случае постоянного тока абсолютная величина силы тока есть отношение абсолютной величины заряда (q) , прошедшего через поперечное сечение проводника за время (t) , к этому времени. [I=dfrac]

Единицы измерения: (displaystyle [text<А>]) (Ампер).

Электродвижущая сила (ЭДС)

Сторонняя сила (vec_text<ст>) не имеет отношения к стационарному электрическому полю.

Данная величина называется электродвижущей силой (ЭДС) источника тока.

Единицы измерения: (displaystyle [text<В>]) (Вольт).

Электрическое напряжение между точками A и B электрической цепи или электрического поля — физическая величина, значение которой равно работе эффективного электрического поля, совершаемой при переносе единичного пробного заряда из точки A в точку B.

Единицы измерения: (displaystyle [text<В>]) (Вольт).

Закон Ома для участка цепи

Омическое сопротивление (R) — сопротивление цепи постоянному току, вызывающее безвозвратные потери энергии постоянного тока.

Единицы измерения: (displaystyle [text<Ом>]) (Ом).

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине (l) и обратно пропорционально площади поперечного сечения (S) :

Коэффициент пропорциональности (rho) — удельное сопротивление данного вещества.

Единицы измерения: (displaystyle [text<Ом>cdottext<м>]) (Ом на метр).

Зависимость удельного сопротивления от температуры

Множитель (alpha) называется температурным коэффициентом сопротивления. Его значения для различных металлов и сплавов можно найти в таблицах.

(rho_0) — удельное сопротивление проводника при (0^oC) .

Последовательное и параллельное соединение проводников

Последовательное соединение проводников

Параллельное соединение проводников

Закон Ома для полной цепи

Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи, где под полным сопротивлением понимается сумма внешних и внутренних сопротивлений.

Единицы измерения: (displaystyle [text<Дж>]) (Джоуль).

Мощность тока — отношение работы тока ко времени, за которое эта работа совершена.

Единицы измерения: (displaystyle [text<Вт>]) (Ватт).

Пусть на рассматриваемом участке цепи не совершается механическая работа и не протекают химические реакции. Работа поля (A) целиком превращается в тепло (Q=A) .

Первое правило Кирхгофа

Алгебраическая сумма токов ветвей, сходящихся в каждом узле любой цепи, равна нулю.

Также можно легко запомнить первый закон Кирхгофа следующим образом: сумма всех токов, втекающих в узел, равна сумме всех токов, вытекающих из узла.

Здесь ток (I_1) — ток, втекающий в узел, а токи (I_2) и (I_3) — токи, вытекающие из узла. Тогда можно записать:

(I_1 = I_2 + I_3, (1))

Перенесем токи (I_2) и (I_3) в левую часть выражения (1), тем самым получим:

(I_1 — I_2 — I_3 = 0, (2))

Знаки «минус» в выражении (2) и означают, что токи вытекают из узла.

Знаки для втекающих и вытекающих токов можно брать произвольно, однако в основном всегда втекающие токи берут со знаком «+», а вытекающие со знаком «—».

Второе правило Кирхгофа

Алгебраическая сумма напряжений на резистивных элементах замкнутого контура равна алгебраической сумме ЭДС, входящих в этот контур.

Термин «алгебраическая сумма» означает, что как величина ЭДС, так и величина падения напряжения на элементах может быть как со знаком «+», так и со знаком «—». При этом определить знак можно по следующему алгоритму:

1. Выбираем направление обхода контура (два варианта: либо по часовой стрелке, либо против).

2. Произвольно выбираем направление токов через элементы цепи.

3. Расставляем знаки для ЭДС и напряжений, падающих на элементах по правилам:

— ЭДС, создающие ток в контуре, направление которого совпадает с направление обхода контура, записываются со знаком «+», в противном случае ЭДС записываются со знаком «—».

— напряжения, падающие на элементах цепи, записываются со знаком «+», если ток, протекающий через эти элементы совпадает по направлению с обходом контура, в противном случае напряжения записываются со знаком «—».

Например, рассмотрим цепь на рисунке и запишем выражение согласно второму закону Кирхгофа, обходя контур по часовой стрелке и выбрав направление токов через резисторы, как показано на рисунке.