Електричний струм. Закон Ома для ділянки кола - Фізика - Скачать бесплатно
План
Умови існування електричного струму.
Закон Ома для ділянки кола.
1. Для існування електричного струму в речовині мають бути вільні заряджені частинки і створена між кінцями провідника різниця потенціалів.
Щоб струм через провідник був тривалим, цей провідник має бути замкнутим. У протилежному випадку заряди нагромаджуватимуться на кінцях провідника, відштовхуватимуть наступні однойменно заряджені частинки і струм припиниться.
Якби рухомі заряджені частинки у провіднику не взаємодіяли з іншими зарядженими частинками, після приведення їх в рух вони продовжували б його як завгодно довго. Такий струм можна спостерігати в деяких металах при дуже низьких температурах, близьких до абсолютного нуля. Опір таких металів – їх називають надпровідниками – дорівнює нулеві.
Нехай є два різнойменно заряджені тіла А і В. З’єднаємо ці тіла провідником (мал.1). Тоді позитивний заряд під дією електричного поля переміщатиметься в напрямі, вказаному стрілкою, а негативний – у протилежному напрямі, і провідником йтиме струм. Переміщення зарядів відбуватиметься лише доти, поки різниця потенціалів між тілами не дорівнюватиме нулю. Одночасно зникне і електричне поле в провіднику, яке виконувало роботу на переміщення зарядів. Після цього струм у провіднику припиниться.
Щоб струм не припинявся, треба щоб позитивні заряди, які переміщалися на тіло В з тіла А, знову повернулися на тіло А, наприклад по шляху ВА, вказаному пунктиром, тобто щоб заряди рухалися проти діючих електростатичних (кулонівських) сил. Для цього на заряди мають діяти зовнішні (сторонні) сили, спрямовані протилежно до електростатичних сил. Пристрій з двох заряджених тіл (електродів), між якими підтримується стала напруга, а внаслідок цього у провіднику, що сполучає ці тіла, діє незмінне електричне поле, називають джерелом струму. Такими джерелами струму є електрогенератори електростанцій, гальванічні елементи, акумулятори тощо.
2. Сила струму на ділянці кола прямо пропорційна прикладеній напрузі і обернено пропорційна опорові цієї ділянки:  . Вперше цю залежність сили струму від напруги й опору встановив у 1827 р. німецький вчений Георг Ом. На його честь вона називається законом Ома для ділянки кола. На малюнку 2 показано графіки залежності сили струму від напруги для трьох різних металевих провідників. Звичайно такі графіки називають вольт амперними характеристиками провідника.
Іноді формулу закону Ома записують так:
U=IR,
добуток IR називають спадом напруги на даній ділянці кола. Якщо вона не містить джерела струмку, то поняття напруги і спаду напруги співпадають.
Електрична енергія від джерела струму передається по проводах споживачам: електродвигунам, лампам, нагрівальним приладам, телевізорам, радіоприймачам тощо. За допомогою з’єднувальних провідників і вимикачів в електричне коло часто вмикають також вимірювальні прилади: амперметри, вольтметри, омметри, лічильники електричної енергії тощо.
Послідовне з’єднання провідників. Послідовне з’єднання двох споживачів зображене на малюнку 3. Це можуть бути електроплитки, лампи, обмотки електродвигуна тощо. Сила струму в обох провідниках однакова. Відповідно до закону Ома запишемо:
U1=IR1 і U2=IR2, звідки  .
Таким чином, при послідовному з’єднанні провідників напруга на кожному з них пропорційна його опорові. Цей висновок справедливий для довільного числа з’єднаних послідовно провідників.
Напруга на кінцях ділянки кола, яка складається з двох послідовно з’єднаних провідників з опорами R1 і R2, дорівнює сумі напруг на першому і другому провідниках:
U=U1+U2=IR1+IR2=I(R1+R2).
Позначимо загальний опір ділянки кола, яка складається з двох послідовно з’єднаних провідників, через R. За законом Ома,
U=IR.
Прирівнявши праві частини останніх рівностей, дістанемо:
R=R1+R2.
Звідси можна зробити висновок, що при послідовному з’єднанні провідників їхні опори додаються. Цей висновок також справедливий для довільного числа з’єднаних послідовно провідників.
Для вимірювання сили струму амперметр вмикають у коло послідовно з тим споживачем, силу струму в якому треба виміряти, і через нього проходить весь вимірювальний струм. Але амперметр має певний опір Rа і його вмикання веде до збільшення опору кола, а значить до зменшення сили струму в ньому. Щоб ці зміни сили струму були незначними, амперметр повинен мати дуже малий опір порівняно з опором споживача.
Паралельне з’єднання провідників. При послідовному з’єднанні споживачів вихід з ладу одного з них веде до розмикання кола. На практиці значно частіше споживачі з’єднують паралельно. Паралельно підключають до мережі електродвигуни верстатів у цехах заводів і фабрик, електродвигуни трамваїв, усі побутові прилади. Ознакою паралельного з’єдання провідників є розгалуження електричного струму. Електричний струм І у з’єднанні групи провідників з опорами R1, R2 і R3 (мал. 4) розгалужується на три частини І1, І2, І3.У точці В, де сходяться три провідники (таку точку називають вузлом), електричний заряд нагромаджуватися не може, отже, із закону збереження заряду випливає, що сила струму І дорівнює сумі сил струмів І1, І2, І3:
І = І1 + І2 + І3.
Напруга U на всіх провідниках однакова, тому можна записати: U=I1R1=I2R2=I3R3, звідки  .
Таким чином, при паралельному з’єднані провідників сили струму в окремих провідниках обернено пропорційні їхнім опорам.
Щоб визначити загальний опір ділянки ВС, яка містить три паралельно з’єднані провідники з опорами R1, R2 і R3, запишемо:
Позначивши загальний опір розгалуження ВС через R, на основі закону Ома можна записати:
.
Прирівнявши праві частини останніх рівностей, дістанемо:
Таким чином, величина, обернена до загального опору паралельного з’єднання провідників, дорівнює сумі величин, обернених до опорів окремих провідників. Цей висновок справедливий для довільного числа паралельно з’єднаних провідників.
Зверніть увагу, що загальний опір при паралельному з’єднані завжди менший за найменший з опорів провідників цього з’єднання. Спробуйте самостійно з’ясувати чому.
Для вимірювання напруги на ділянці кола до неї паралельно підключають вольтметр (мал. 5). Напруга на вольтметрі співпадає з напругою на ділянці кола. При цьому частина струму відгалужується у вольтметр, внаслідок чого зменшується сила струму в ділянці кола (при незмінній силі струму в нерозгалуженому колі). В результаті цього вимірювання напруга на ділянці кола зменшиться. Щоб зробити ці зміни незначними, опір вольтметра має бути в багато разів більшим за опір ділянки кола, на якій вимірюється напруга.
|
