Электрическая цепь и её составные части. Сила тока. Напряжение

Ключевые слова: электрическая цепь, сила тока, напряжение.

На этом уроке вы научитесь:

• применять условные обозначения элементов электрической цепи при графическом изображении электрических схем;
• объяснять физический смысл напряжения и силы тока, их единицы измерения.

Действия тока. Прохождение электрического тока сопровождается непрерывным расходованием энергии на преодоление сопротивления. Эту энергию доставляет источник электрической энергии, в котором происходит процесс преобразования механической, химической, тепловой или другого вида энергии в электрическую. Электрический ток, проходя по потребителям (а ими могут быть лампы, электроплитки, пылесосы, электродвигатели), может оказывать тепловое (наблюдается во всех проводниках, кроме сверхпроводников), магнитное (наблюдается во всех проводниках) и химическое (наблюдается в электролитах) действия, т. е. электрический ток совершает работу.

Тепловое действие тока заключается в том, что ток, проходя по проводнику, вызывает его нагревание. Наиболее отчетливо это действие проявляется в электронагревательных приборах (рис. 24.1).

Магнитное действие заключается в том, что ток, протекая по проводникам, создает вокруг них магнитное поле. Так, например, если пропустить ток по двум параллельным проводникам в одном направлении, то они начнут притягиваться, если же токи идут в противоположных направлениях, то проводники будут отталкиваться (рис. 24.2).

Рис. 24.1. Электронагревательные приборы

Рис. 24.2

Химическое действие тока заключается в том, что при прохождении тока через водные растворы солей, щелочей или кислот, наблюдается выделение веществ (рис. 24.3).

Рис. 24.3

Электрическая цепь. Источник тока, потребители, замыкающие устройства, соединенные между собой проводами, образуют электрическую цепь. Если выключатель разомкнуть, то ток в цепи прекратится.

Для удобства изображения электрической цепи и ее основных элементов вводят условные обозначения элементов (табл. 24.1). Получившийся чертеж называется электрической схемой.

Сила тока. Мы знаем, что электрический ток, проходя по потребителям, совершает различные действия, которые проявляются в разной степени — сильнее или слабее. Совершенно ясно, что чем больший заряд пройдет за единицу времени по потребителю, тем большее действие окажет ток. Поэтому для характеристики действия тока вводят особую величину — силу тока.

Сила тока $I$ — это физическая величина, которая показывает, какой величины заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.

$$I = \frac{q}{t}. \qquad (24.1)$$

Единицу силы тока в честь французского физика А. М. Ампера назвали ампером. $[I] = [\text{А}]$.

За 1 А принимают такую силу тока, которая, протекая по отрезкам двух параллельных проводников длиной по 1 м, находящихся на расстоянии 1 м друг от друга, вызывает их взаимодействие с силой $2 \cdot 10^{-7}$ Н.

На практике часто применяют дольные единицы силы тока, например,

$$1\ \text{мА} = 10^{-3}\ \text{А}, \quad 1\ \text{мкА} = 10^{-6}\ \text{А}.$$

Измеряют силу тока с помощью амперметра, который включают в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором измеряют.

Андре Мари Ампер (1775—1836).

Напряжение. Электрическая цепь имеет еще одну характеристику, которую называют напряжением $U$. Электрическое поле, перемещая заряженные частицы, совершает работу. Эту работу называют работой тока. Очевидно, что величина этой работы зависит от напряжения.

Напряжение — это физическая величина, показывающая, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного заряда по проводнику.

$$U = \frac{A}{q_0}.$$

Единицу измерения напряжения в честь итальянского физика А. Вольта назвали вольтом:

$$[U] = [\text{В}] = \left[\frac{\text{Дж}}{\text{Кл}}\right].$$

Если при перемещении по проводнику заряда в 1 Кл электрическое поле совершает работу в 1 Дж, то говорят, что напряжение на концах проводника равно 1 В.

На практике часто применяют дольные и кратные единицы напряжения, например:

$$1\ \text{мВ} = 10^{-3}\ \text{В}, \quad 1\ \text{мкВ} = 10^{-6}\ \text{В}, \quad 1\ \text{кВ} = 10^{3}\ \text{В}.$$

Напряжение измеряют с помощью вольтметра, который включается параллельно тому участку цепи, на котором необходимо определить напряжение.

Алессандро Вольта (1745—1827).

Вопросы

1. Назовите действия, которые оказывает ток, проходя по электрической цепи.
2. Приведите примеры теплового, химического и магнитного действий тока.
3. Назовите основные составляющие электрической цепи.
4. Каково назначение источника тока и потребителя в электрической цепи?
5. Какое место в электрической цепи занимает амперметр? Почему именно такое?
6. Чем отличается включение вольтметра в электрическую цепь от включения амперметра?
7. Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника тока, звонка, амперметра, реостата, соединенных последовательно, и вольтметра, измеряющего напряжение на реостате.
8. Рассмотрите две схемы рисунка 24.4, а, б. На схеме рисунка 24.4, а показания амперметра равны 1,2 А. Каковы показания этого же амперметра, включенного в ту же цепь в другое место (рис. 24.4, б)?

Рис. 24.4

Упражнение 15

1. Выразите в амперах силу тока $I_1 = 200$ мА, $I_2 = 420$ мкА, $I_3 = 0{,}034$ кА.
2. Выразите в вольтах напряжение $U_1 = 240$ мВ, $U_2 = 3{,}40$ кВ, $U_3 = 780$ мкВ.
3. Сила тока в лампочке фонарика равна 200 мА. Сколько электронов прошло через поперечное сечение спирали, если фонарик работал 12 мин? Величина элементарного заряда $e = 1{,}6 \cdot 10^{-19}$ Кл. (Ответ: $9 \cdot 10^{20}$)
4. По графику (рис. 24.5) определите силу тока в проводнике. (Ответ: 4 А)

Рис. 24.5

5. Электроплитка работала 15 мин. Какой заряд прошел через поперечное сечение ее спирали, если сила тока в плитке равна 2,5 А? (Ответ: 2,25 кКл)
6. Через поперечное сечение спирали лампочки, находящейся под напряжением 220 В, прошел заряд 400 Кл. Определите работу электрического поля. (Ответ: 88 кДж)
7. Какой заряд прошел по резистору, если электрическое поле совершило работу 2,4 кДж, а на резистор подано напряжение 12 В? (Ответ: 200 Кл)