План-конспект урока общеметодологической направленности по технологии деятельностного метода

Предмет : Электротехника

Курс: 2

Тема : Физика электрического тока

Базовый учебник: В.М. Прошин Электротехника М.: Издательский центр «Академия», 2012.

Цели урока:

Деятельностная формирование деятельностных способностей и способностей к структурированию и систематизации изучаемого предметного содержания.

Содержательная построение обобщённых деятельностных норм и способностей к выявлению теоретических основ развития содержательных методических линий курса.

Задачи:

Образовательные: научить учащихся вычислять силу, плотность и мощность тока по формулам, учить применять данные формулы при решении прикладных задач.

Развивающие: развить творческую деятельность (интуицию, пространственное воображение, смекалку); мыслительную деятельность (умения анализировать, обобщать, классифицировать)

Воспитательные: показать, что изучаемые понятия не изолированы друг от друга, а представляют определенную систему знаний, все звенья которой находятся во взаимной связи, сформировать эстетические навыки при оформлении записей, выполнении чертежей, стремление к самореализации .

Тип урока: урок общеметодологической направленности деятельностного метода

Формы работы учащихся: групповая, индивидуальная, фронтальная, парная

КМО: ноутбук, мультипроектор, презентация .

Межпредметная связь: физика, математика.

Время: 45 минут.

Образовательный уровень: 2

Ход урока.

1. Этап мотивации

Здравствуйте. Что бы понять работу электрических аппаратов, приборов и машин, надо знать, что такое электрический ток и откуда в природе берется электричество.

Вашему вниманию предлагается лекционная подача материала, в тетради необходимо сделать краткие записи, которые помогут в подготовке по теме.

Электротехника – это наука об основных законах физики в области электричества и его применения в промышленности и быту.

Изучая действия электрического тока с помощью созданной им огромной батареи элементов, он произвел такой опыт: присоединив к батарее два древесных угля, коснулся ими друг друга. Сверкнула искра. Петров раздвинул чуть-чуть угли, так, что между ними образовался промежуток. Но искра не погасла, она превратилась в ослепительно яркое пламя, сверкающим мостиком соединившее угли.

1820 г. – А.М. Ампер измерил силу взаимодействия между двумя пареллельными проводниками с током;

1826 - Г. Ом положил начало расчета электрических цепей;

1831 – М. Фарадей открыл явление электромагнитной индукции;

1834 – Б.С. Якоби построил электрический двигатель постоянного тока;

1875 – П.Н. Яблочков создал трансформатор;

1895 – А.С. Попов продемонстрировал возможности радиосвязи.

2. Этап актуализации опорных знаний учащихся

Фронтальный опрос.

Но прежде всего, давайте вспомним ранее изученный материал и ответим на следующие вопросы:

Что такое атом? Опишите строение атома;

Ответ:

Атом - частица вещества микроскопических размеров и массы, наименьшая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. Атом состоит из атомного ядра и электронов.

Как взаимодействуют электрические заряды между собой?

Ответ:

Заряды с одинаковым знаком (т. е. одноименные) отталкиваются друг от друга. Разноименные (заряды с разным знаком) притягиваются друг к другу.

Что такое электровалентная связь?

Ответ:

Форма химической связи, обусловленная электростатическим взаимодействием заряженных ионов. Это притяжение ионов как разноименно заряженных тел.

Какое бывает физическое (агрегатное) состояние вещества?

Ответ:

Традиционно выделяют три агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. К агрегатным состояниям принято причислять также плазму.

3.Освоение нового материала.

Электрический ток – это движение электрических зарядов. В электротехнических устройствах, машинах и аппаратах движение электрических зарядов имеет упорядоченный, направленный характер. Электрический ток в электротехнике – основная физическая величина. Электрический ток является носителем особого вида энергии – электрической энергии. Электротехника основывается на использовании разнообразных свойств электрического тока.

Итак, электрический ток - направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц. Такими частицами могут являться: в металлах - электроны, в электролитах - ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны.

Преимущества электрической энергии перед другими видами энергий:

Способность легко передаваться на любые расстояния;

Возможность деления на любые части;

Простота преобразования в другие виды энергий.

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения заряженных частиц.

Электрический ток имеет количественные характеристики: скалярную - силу тока, и векторную - плотность тока.

Вспомните, что называется скалярными и векторными величинами?

Ответ:

Скалярная величина- величина, каждое значение которой может быть выражено одним действительным числом. К скалярным величинам относятся длина, площадь, время, температура и т. д.

Векторная величина - физическая величина, являющаяся вектором, т.е. имеющая направление. Например, радиус.

Продолжим запись.

Сила тока - физическая величина, равная отношению количества заряда, прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (русское обозначение: А).

По сила тока на участке цепи прямо пропорциональна , приложенному к этому участку цепи, и обратно пропорциональна его :

Плотность тока - вектор, абсолютная величина которого равна отношению силы тока, протекающего через некоторое сечение проводника, перпендикулярное направлению тока, к площади этого сечения, а направление вектора совпадает с направлением движения положительных зарядов, образующих ток.

Электрический ток применяется:

Получения механической энергии во всевозможных электродвигателях;

Получения тепловой энергии в нагревательных приборах, электропечах, при электросварке;

Получения световой энергии в осветительных и сигнальных приборах;

Возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, сверхвысокой частоты и радиоволн;

Получения звука;

Получения различных веществ путём электролиза. Здесь электромагнитная энергия превращается в химическую;

Использование электрического тока в медицине;

Создания магнитного поля (в ).

С электрическим током надо обращаться предельно осторожно. Тело человека является проводником электрического тока. Сопротивление человека при сухой и неповрежденной коже колеблется от 3 до 100 кОм.

Ток, пропущенный через организм человека или животного, производит следующие действия:

Термическое (ожоги, нагрев и повреждение кровеносных сосудов);

Электролитическое (разложение крови, нарушение физико-химического состава);

Биологическое (раздражение и возбуждение тканей организма, судороги)

Механическое (разрыв кровеносных сосудов под действием давления пара, полученного нагревом током крови).

Основным фактором, обуславливающим исход поражения током, является величина тока, проходящего через тело человека. По технике безопасности электрический ток классифицируется следующим образом:

Безопасным считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений, его величина не превышает 50 мкА (переменный ток 50 Гц) и 100 мкА постоянного тока;

Минимально ощутимый человеком переменный ток составляет около 0,6-1,5 мА (переменный ток 50 Гц) и 5-7 мА постоянного тока;

Пороговым неотпускающим называется минимальный ток такой силы, при которой человек уже неспособен усилием воли оторвать руки от токоведущей части. Для переменного тока это около 10-15 мА, для постоянного - 50-80 мА;

Фибрилляционным порогом называется сила переменного тока (50 Гц) около 100 мА и 300 мА постоянного тока, воздействие которого дольше 0,5 с с большой вероятностью вызывает фибрилляцию сердечных мышц. Этот порог одновременно считается условно смертельным для человека.

4.Контроль усвоения:

Фронтальный опрос

Ответьте на вопросы:

Что такое «Электротехника»?;

Что изобрел П.Н. Яблочков?;

Что называется электрическим током?;

В чем измеряется сила тока в Международной системе единиц?;

Как используется электрический ток в быту?;

Что такое фибрилляционный порог?

5.Информация о домашнем задании.

6. Рефлексия в форме неоконченных фраз и вопросов:

Закончите предложения:

Сегодня на уроке я научился …

Сегодня мне было интересно …

Мне не понравилось…

Урок окончен. Спасибо за хорошую работу.

Слайд 1

Лекция №12Электрический ток

План лекции 1. Понятие о токе проводимости. Вектор тока и сила тока. 2. Дифференциальная форма закона Ома. 3. Последовательное и параллельное соединение проводников. 4. Причина появления электрического поля в проводнике, физический смысл понятия сторонних сил. 5. Вывод закона Ома для всей цепи. 6. Первое и второе правила Кирхгофа. 7. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления. 8. Электрический ток в различных средах. 9. Ток в жидкостях. Электролиз. Законы Фарадея.

Слайд 2

Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. Носителями тока могут быть электроны, ионы, заряженные частицы. Если в проводнике создать электрическое поле, то в нем свободные электрические заряды придут в движение – возникает ток, называемый током проводимости. Если в пространстве перемещается заряженное тело, то ток называется конвекционным. 1. Понятие о токе проводимости. Вектор тока и сила тока

Слайд 3

За направление тока принято принимать направление движения положительных зарядов. Для возникновения и существования тока необходимо: 1.наличие свободных заряженных частиц; 2.наличие электрического поля в проводнике. Основной характеристикой тока является сила тока, которая равна величине заряда, прошедшего за 1 секунду через поперечное сечение проводника. Где q – величина заряда; t – время прохождения заряда; Сила тока величина скалярная.

Слайд 4

Электрический ток по поверхности проводника может быть распределен неравномерно, поэтому в некоторых случаях пользуются понятием плотность токаj. Средняя плотность тока равна отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника. Где j – изменение тока; S – изменение площади.

Слайд 5

Плотность тока

Слайд 6

В 1826 г. немецкий физик Ом опытным путем установил, что сила тока J в проводнике прямо пропорциональна напряжению U между его концами Где k – коэффициент пропорциональности, называемый электропроводностью или проводимостью; [k] = [См] (сименс). Величина называется электрическим сопротивлением проводника. закон Ома для участка электрической цепи, не содержащей источника тока 2. Дифференциальная форма закона Ома

Слайд 7

Выражаем из этой формулы R Электрическое сопротивление зависит от формы, размеров и вещества проводника. Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади поперечного сеченияS Где – характеризует материал, из которого изготовлен проводник и называется удельным сопротивлением проводника.

Слайд 8

Выразим : Сопротивление проводника зависит от температуры. С увеличением температуры сопротивление увеличивается ГдеR0 – сопротивление проводника при 0С; t – температура; – температурный коэффициент сопротивления (для металла  0,04 град-1). Формула справедлива и для удельного сопротивления Где0 – удельное сопротивление проводника при 0С.

Слайд 9

При низких температурах (

Слайд 10

Перегруппируем члены выражения Где I/S=j– плотность тока; 1/= – удельная проводимость вещества проводника; U/l=Е – напряженность электрического поля в проводнике. закон Ома в дифференциальной форме.

Слайд 11

Закон Ома для однородного участка цепи. Дифференциальная форма закона Ома.

Слайд 12

3. Последовательное и параллельное соединение проводников

Последовательное соединение проводников I=const(по законусохранения заряда); U=U1+U2 Rобщ=R1+R2+R3 Rобщ=Ri R=N*R1 (Для N одинаковых проводников) R1 R2 R3

Слайд 13

Параллельное соединение проводников U=const I=I1+I2+I3 U1=U2=U R1 R2 R3 Для N одинаковых проводников

Слайд 14

4. Причина появления электрического тока в проводнике. Физический смысл понятия сторонних сил Для поддержания постоянного тока в цепи, необходимо разделять положительные и отрицательные заряды в источнике тока, для этого на свободные заряды должны действовать силы неэлектрического происхождения, называемые сторонними силами. За счет создаваемого сторонними силами поля электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля.

Слайд 15

Благодаря этому на концах внешней цепи поддерживается разность потенциалов и в цепи идет постоянный электрический ток. Сторонние силы вызывают разделение разноименных зарядов и поддерживают разность потенциалов на концах проводника. Добавочное электрическое поле сторонних сил в проводнике создается источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами).

Слайд 16

ЭДС источника тока Физическая величина равная работа сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда между полюсами источника называется электродвижущей силой источника тока (ЭДС).

Слайд 17

ЗаконОма для неоднородного участка цепи

Слайд 18

5. Вывод закона Ома для замкнутой электрической цепи

Пусть замкнутая электрическая цепь состоит из источника тока с , с внутренним сопротивлением r и внешней части, имеющей сопротивление R. R – внешнее сопротивление; r – внутреннее сопротивление. где – напряжение на внешнем сопротивлении; А – работа по перемещению заряда q внутри источника тока, т. е. работа на внутреннем сопротивлении.

Слайд 19

Тогда так как, то перепишем выражение для : , Так как согласно закона Ома для замкнутой электрической цепи (=IR) IR и Ir – падение напряжения на внешнем и внутреннем участках цепи,

Слайд 20

То -закон Ома для замкнутой электрической цепи В замкнутой электрической цепи электродвижущая сила источника тока равна сумме падений напряжения на всех участках цепи.

Слайд 21

6. Первое и второе правила Кирхгофа Первое правило Кирхгофа является условием постоянства тока в цепи. Алгебраическая сумма сил тока в узле разветвления равна нулю где n – число проводников; Ii – токи в проводниках. Токи, подходящие к узлу, считаются положительными, выходящие из узла – отрицательными. Для узла А первое правило Кирхгофа запишется:

Слайд 22

Первое правило Кирхгофа Узлом электрической цепи называется точка в которой сходится не менее трех проводников. Сумма токов сходящихся в узле равна нулю – первое правило Кирхгофа. Первое правило Кирхгофа является следствием закона сохранения заряда – в узле электрический заряд накапливаться не может.

Слайд 23

Второе правило Кирхгофа Второе правило Кирхгофа является следствием закона сохранения энергии. В любом замкнутом контуре разветвленной электрической цепи алгебраическая сумма Ii на сопротивления Ri соответствующих участков этого контура равна сумме приложенных в нем ЭДС i

Слайд 24

Второе правило Кирхгофа

Слайд 25

Для составления уравнения необходимо выбрать направление обхода (по часовой стрелке или против нее). Все токи, совпадающие по направлению с обходом контура, считаются положительными. ЭДС источников тока считаются положительными, если они создают ток, направленный в сторону обхода контура. Так, например, правило Кирхгофа для I, II, III к. I I1r1 + I1R1 + I2r2 + I2R2 = – 1 –2 II–I2r2 – I2R2 + I3r3 + I3R3= 2 + 3 IIII1r1 + I1R1 + I3r3 + I3R3 = – 1 + 3 На основании этих уравнений производится расчет цепей.

Слайд 26

7. Контактная разность потенциалов. Термоэлектрические явления Электроны, обладающие наибольшей кинетической энергией, могут вылететь из металла в окружающее пространство. В результате вылета электронов образуется “электронное облако”. Между электронным газом в металле и “электронным облаком” существует динамическое равновесие. Работа выхода электрона – это работа, которую нужно совершить для удаления электрона из металла в безвоздушное пространство. Поверхность металла представляет собой двойной электрический слой, подобный очень тонкому конденсатору.

Слайд 27

Разность потенциалов между обкладками конденсатора зависит от работы выхода электрона. Гдее – заряд электрона;  – контактная разность потенциалов между металлом иокружающей средой; А – работа выхода (электрон-вольт – Э-В). Работа выхода зависит от химической природы металла и состояния его поверхности(загрязнение, влага).

Слайд 28

Законы Вольта: 1. При соединении двух проводников, изготовленных из различных металлов, между ними возникает контактная разность потенциалов, которая зависит только от химического состава и температуры. 2. Разность потенциалов между концами цепи, состоящей из последовательно соединенных металлических проводников, находящихся при одинаковой температуре, не зависит от химического состава промежуточных проводников. Она равна контактной разности потенциалов, возникающих при непосредственном соединении крайних проводников.

Слайд 29

Рассмотрим замкнутую цепь, состоящую из двух металлических проводников 1 и 2. ЭДС, приложенная к этой цепи равна алгебраической сумме всех скачков потенциала. Если температуры слоев равны, то =0. Если температуры слоев различны, например, тогда Где  – постоянная, характеризующая свойства контакта двух металлов. В этом случае в замкнутой цепи появляется термоэлектродвижущая сила, прямо пропорциональная разности температур обоих слоев.

Слайд 30

Термоэлектрические явления в металлах широко используются для измерения температуры. Для этого используются термоэлементы или термопары, представляющие собой две проволоки, изготовленные из различных металлов и сплавов. Концы этих проволок спаяны. Один спай помещается в среду, температуру Т1 которой нужно измерить, а второй – в среду с постоянной известной температурой. Термопары имеют ряд преимуществ перед обычными термометрами: позволяют измерять температуры в широком диапазоне от десятков до тысяч градусов абсолютной шкалы.

Слайд 31

Газы в нормальных условиях являются диэлектрикамиR=>∞, состоят их электрически нейтральных атомов и молекул. При ионизации газов возникают носители электрического тока (положительные заряды). Электрический ток в газах называется газовым разрядом. Для осуществления газового разряда к трубке с ионизированным газом должно быть электрическое или магнитное поле.

Слайд 32

Ионизация газа - это распад нейтрального атома на положительный ион и электрон под действием ионизатора (внешних воздействий – сильного нагревания, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, радиоактивных излучений, при бомбардировке атомов (молекул) газов быстрыми электронами или ионами). Ион электрон атом нейтральный

Слайд 33

Мерой процесса ионизации является интенсивность ионизации, измеряемая числом пар противоположно заряженных частиц, возникающих в единичном объеме газа за единичный промежуток времени. Ударной ионизацией называется отрыв от атома (молекулы) одного или нескольких электронов, вызванный соударением с атомами или молекулами газа электронов или ионов, разогнанных электрическим полем в разряде.

Слайд 34

Рекомбинация - это соединение электрона с ионом в нейтральный атом. Если действия ионизатора прекращается, газ снова становится диалектиком. электрон ион

Слайд 35

1.Несамостоятельный газовый разряд – это разряд, существующий только под действием внешних ионизаторов. Вольтамперная характеристика газового разряда:по мере увеличения U растет число заряженных частиц, достигающих электрода и возрастает ток до I=Iк, при котором все заряженные частицы достигают электродов. При этом U=Uк ток насыщения Где е – элементарный заряд; N0 – максимальное число пар одновалентных ионов, образующихся в объеме газа за 1 с.

Слайд 36

2.Самостоятельный газовый разряд – разряд в газе, который сохраняется после прекращения действия внешнего ионизатора. Поддерживается и развивается за счет ударной ионизации. Несамостоятельный газовый разряд переходит в самостоятельный при Uз – напряжении зажигания. Процесс такого перехода называется электрическим пробоем газа. Различают:

Слайд 37

Коронный разряд– возникает при высоком давлении и в резко неоднородном поле с большой кривизной поверхности, применяется при обеззараживании семян сельскохозяйственных культур. Тлеющий разряд– возникает при низких давлениях, используется в газосветных трубках, газовых лазерах. Искровойразряд – при Р=Ратм ипри больших электрического поля - молния (токи до нескольких тысяч Ампер, длина – несколько километров). Дуговой разряд – возникает между близко сдвинутыми электродами,(Т=3000 °С – при атмосферном давлении. Используется как источник света в мощных прожекторах, в проекционной аппаратуре.

Слайд 38

Плазма – особое агрегатное состояние вещества, характеризующееся высокой степенью ионизации его частиц. Плазма подразделяется на: – слабо ионизированную ( – доли процента – верхние слои атмосферы, ионосфера); – частично ионизированную (несколько %); – полностью ионизированную (солнце, горячие звезды, некоторые межзвездные облака). Искусственно созданная плазма используется в газоразрядных лампах, плазменных источниках электрической энергии, магнитодинамических генераторах.

Слайд 39

Эмиссионные явления: 1. Фотоэлектронная эмиссия – вырывание под действием света электронов с поверхности металлов в вакууме. 2. Термоэлектронная эмиссия – испускание электронов твердыми или жидкими телами при их нагревании. 3. Вторичная электронная эмиссия – встречный поток электронов с поверхности, бомбардируемой электронами в вакууме. Приборы, основанные на явлении термоэлектронной эмиссии, называются электронными лампами.

Слайд 40

В твердых телах электрон взаимодействует не только со своим атомом, но и с другими атомами кристаллической решетки, происходит расщепление энергетических уровней атомов с образованием энергетической полосы. Энергия этих электронов может находиться в пределах заштрихованных областей, называемых разрешенными энергетическими зонами. Дискретные уровни разделены областями недозволенных значений энергии – запрещенными зонами (ширина их соизмерима с шириной запретных зон). Различия в электрических свойствах различных типов твердых тел объясняется: 1) шириной запрещенных энергетических зон; 2) различным заполнением электронами разрешенных энергетических зон

Слайд 41

Многие жидкости очень плохо проводят электрический ток (дистиллированная вода, глицерин, керосин и т.д.). Водные растворы солей, кислот и щелочей хорошо проводят электрический ток. Электролиз – прохождение тока через жидкость, вызывающее выделение на электродах веществ, входящих в состав электролита. Электролиты – вещества, обладающие ионной проводимостью. Ионная проводимость – упорядоченное движение ионов под действием электрического поля. Ионы – атомы или молекулы, потерявшие или присоединившие к себе один или несколько электронов. Положительные ионы – катионы, отрицательные – анионы.

Слайд 42

Электрическое поле создается в жидкости электродами (“+” – анод, “–” – катод). Положительные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательные – к аноду. Возникновение ионов в электролитах объясняется электрической диссоциацией – распадом молекул растворимого вещества на положительные и отрицательные ионы в результате взаимодействия с растворителем (Na+Cl-; H+Cl-; K+I-…). Степенью диссоциацииαназывается число молекул n0, диссоциировавших на ионы, к общему числу молекул n0 При тепловом движении ионов происходит и обратный процесс воссоединения ионов, называемый рекомбинацией.

Слайд 43

Законы М. Фарадея (1834 г.). 1.Масса вещества, выделяющегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду q, прошедшему через электролит или Где k – электрохомический эквивалент вещества; равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единицы количества электричества. Где I – постоянный ток, проходящий через электролит.

Слайд 46

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ

Посмотреть все слайды

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Московский государственный технический университет «»

Реферат по физике на тему:
«Электрический ток»

Выполнила:

Руководитель:

Москва
2010/11 уч. год

Электрический ток

В первую очередь, стоит выяснить, что представляет собой электрический ток. Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике. Чтобы он возник, следует предварительно создать электрическое поле, под действием которого вышеупомянутые заряженные частицы придут в движение.
Первые сведения об электричестве, появившиеся много столетий назад, относились к электрическим «зарядам», полученным посредством трения. Уже в глубокой древности люди знали, что янтарь, потертый о шерсть, приобретает способность притягивать легкие предметы. Но только в конце XVI века английский врач Джильберт подробно исследовал это явление и выяснил, что точно такими же свойствами обладают и многие другие вещества. Тела, способные, подобно янтарю, после натирания притягивать легкие предметы, он назвал наэлектризованными. Это слово образовано от греческого электрон - «янтарь». В настоящее время мы говорим, что на телах в таком состоянии имеются электрические заряды, а сами тела называются «заряженными».
Электрические заряды всегда возникают при тесном контакте различных веществ. Если тела твердые, то их тесному соприкосновению препятствуют микроскопические выступы и неровности, которые имеются на их поверхности. Сдавливая такие тела и притирая их друг к другу, мы сближаем их поверхности, которые без нажима соприкасались бы только в нескольких точках. В некоторых телах электрические заряды могут свободно перемещаться между различными частями, в других же это невозможно. В первом случае тела называют «проводники», а во втором - «диэлектрики, или изоляторы». Проводниками являются все металлы, водные растворы солей и кислот и др. Примерами изоляторов могут служить янтарь, кварц, эбонит и все газы, находящиеся в нормальных условиях.
Тем не менее нужно отметить, что деление тел на проводники и диэлектрики весьма условно. Все вещества в большей или меньшей степени проводят электричество. Электрические заряды бывают положительными и отрицательными. Такого рода ток просуществует недолго, потому что в наэлектризованном теле кончится заряд. Для продолжительного существования электрического тока в проводнике необходимо поддерживать электрическое поле. Для этих целей используются источники электротока. Самый простой случай возникновения электрического тока - это когда один конец провода соединен с наэлектризованным телом, а другой - с землей.
Электрические цепи, подводящие ток к осветительным лампочкам и электромоторам, появились лишь после изобретения батарей, которое датируется примерно 1800 годом. После этого развитие учения об электричестве пошло так быстро, что менее чем за столетие оно стало не просто частью физики, но легло в основу новой электрической цивилизации.

Основные величины электрического тока

Количество электричества и сила тока . Действия электрического тока могут быть сильными или слабыми. Сила действия электрического тока зависит от величины заряда, который протекает по цепи за определенную единицу времени. Чем больше электронов переместилось от одного полюса источника к другому, тем больше общий заряд, перенесенный электронами. Такой общий заряд называется количество электричества, проходящее сквозь проводник.
От количества электричества зависит, в частности, химическое действие электрического тока, т. е. чем больший заряд прошел через раствор электролита, тем больше вещества осядет на катоде и аноде. В связи с этим количество электричества можно подсчитать, взвесив массу отложившегося на электроде вещества и зная массу и заряд одного иона этого вещества.
Силой тока называется величина, которая равна отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к времени его протекания. Единицей измерения заряда является кулон (Кл), время измеряется в секундах (с). В этом случае единица силы тока выражается в Кл/с. Такую единицу называют ампером (А). Для того чтобы измерить силу тока в цепи, применяют электроизмерительный прибор, называемый амперметром. Для включения в цепь амперметр снабжен двумя клеммами. В цепь его включают последовательно.
Электрическое напряжение . Мы уже знаем, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц - электронов. Это движение создается при помощи электрического поля, которое совершает при этом определенную работу. Это явление называется работой электрического тока. Для того чтобы переместить больший заряд по электрической цепи за 1 с, электрическое поле должно выполнить большую работу. Исходя из этого, выясняется, что работа электрического тока должна зависеть от силы тока. Но существует и еще одно значение, от которого зависит работа тока. Эту величину называют напряжением.
Напряжение - это отношение работы тока на определенном участке электрической цепи к заряду, протекающему по этому же участку цепи. Работа тока измеряется в джоулях (Дж), заряд - в кулонах (Кл). В связи с этим единицей измерения напряжения станет 1 Дж/Кл. Данную единицу назвали вольтом (В).
Для того чтобы в электрической цепи возникло напряжение, нужен источник тока. При разомкнутой цепи напряжение имеется только на клеммах источника тока. Если этот источник тока включить в цепь, напряжение возникнет и на отдельных участках цепи. В связи с этим появится и ток в цепи. То есть коротко можно сказать следующее: если в цепи нет напряжения, нет и тока. Для того чтобы измерить напряжение, применяют электроизмерительный прибор, называемый вольтметром. Своим внешним видом он напоминает ранее упоминавшийся амперметр, с той лишь разницей, что на шкале вольтметра стоит буква V (вместо А на амперметре). Вольтметр имеет две клеммы, с помощью которых он параллельно включается в электрическую цепь.
Электрическое сопротивление . После подключения в электрическую цепь всевозможных проводников и амперметра можно заметить, что при использовании разных проводников амперметр выдает разные показания, т. е. в этом случае сила тока, имеющаяся в электрической цепи, разная. Это явление можно объяснить тем, что разные проводники имеют разное электрическое сопротивление, которое представляет собой физическую величину. В честь немецкого физика ее назвали Омом. Как правило, в физике применяются более крупные единицы: килоом, мегаом и пр. Сопротивление проводника обычно обозначается буквой R, длина проводника - L, площадь поперечного сечения - S. В этом случае можно сопротивление записать в виде формулы:
R = р * L/S
где коэффициент р называется удельным сопротивлением. Данный коэффициент выражает сопротивление проводника длиною в 1 м при площади поперечного сечения, равной 1 м2. Удельное сопротивление выражается в Ом х м. Поскольку провода, как правило, имеют довольно малое сечение, то обычно их площади выражают в квадратных миллиметрах. В этом случае единицей удельного сопротивления станет Ом х мм2/м. В нижеприведенной табл. 1 показаны удельные сопротивления некоторых материалов.

Таблица 1. Удельное электрическое сопротивление некоторых материалов
Материал	р, Ом х м2/м	Материал	р, Ом х м2/м
Медь	0,017	Платино-иридиевый сплав	0,25
Золото	0,024	Графит	13
Латунь	0,071	Уголь	40
Олово	0,12	Фарфор	1019
Свинец	0,21	Эбонит	1020
Металл или сплав
Серебро	0,016	Манганин (сплав)	0,43
Алюминий	0,028	Константан (сплав)	0,50
Вольфрам	0,055	Ртуть	0,96
Железо	0,1	Нихром (сплав)	1,1
Никелин (сплав)	0,40	Фехраль (сплав)	1,3
		Хромель (сплав)	1,5

По данным табл. 1 становится понятно, что самое малое удельное электрическое сопротивление имеет медь, самое большое - сплав металлов. Кроме этого, большим удельным сопротивлением обладают диэлектрики (изоляторы).
Электрическая емкость . Мы уже знаем, что два изолированных друг от друга проводника могут накапливать электрические заряды. Это явление характеризуется физической величиной, которую назвали электрической емкостью. Электрическая емкость двух проводников - не что иное, как отношение заряда одного из них к разности потенциалов между этим проводником и соседним. Чем меньше будет напряжение при получении заряда проводниками, тем больше их емкость. За единицу электрической емкости принимают фарад (Ф). На практике используются доли данной единицы: микрофарад (мкФ) и пикофарад (пФ).
Если взять два изолированных друг от друга проводника, разместить их на небольшом расстоянии один от другого, то получится конденсатор. Емкость конденсатора зависит от толщины его пластин и толщины диэлектрика и его проницаемости. Уменьшая толщину диэлектрика между пластинами конденсатора, можно намного увеличить емкость последнего. На всех конденсаторах, помимо их емкости, обязательно указывается напряжение, на которое рассчитаны эти устройства.
Работа и мощность электрического тока . Из вышесказанного понятно, что электрический ток совершает определенную работу. При подключении электродвигателей электроток заставляет работать всевозможное оборудование, двигает по рельсам поезда, освещает улицы, обогревает жилище, а также производит химическое воздействие, т. е. позволяет выполнять электролиз и т. д. Можно сказать, что работа тока на определенном участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа. Работа измеряется в джоулях, напряжение - в вольтах, сила тока - амперах, время - в секундах. В связи с этим 1 Дж = 1В х 1А х 1с. Из этого получается, для того чтобы измерить работу электрического тока, следует задействовать сразу три прибора: амперметр, вольтметр и часы. Но это громоздко и малоэффективно. Поэтому, обычно, работу электрического тока замеряют электрическими счетчиками. В устройстве данного прибора имеются все вышеназванные приборы.
Мощность электрического тока равна отношению работы тока к времени, в течение которого она совершалась. Мощность обозначается буквой «Р» и выражается в ваттах (Вт). На практике используют киловатты, мегаватты, гектоватты и пр. Для того чтобы замерить мощность цепи, нужно взять ваттметр. Электротехники работу тока выражают в киловатт-часах (кВтч).

Основные законы электрического тока

Закон Ома . Напряжение и ток считаются наиболее удобными характеристиками электрических цепей. Одной из главных особенностей применения электричества является быстрая транспортировка энергии из одного места в другое и передача ее потребителю в нужной форме. Произведение разности потенциалов на силу тока дает мощность, т. е. количество энергии, отдаваемой в цепи на единицу времени. Как было сказано выше, чтобы замерить мощность в электрической цепи, понадобилось бы 3 прибора. А нельзя ли обойтись одним и вычислить мощность по его показаниям и какой-либо характеристике цепи, вроде ее сопротивления? Многим эта идея понравилась, они посчитали ее плодотворной.
Итак, что же такое сопротивление провода или цепи в целом? Обладает ли проволока, подобно водопроводным трубам или трубам вакуумной системы, постоянным свойством, которое можно было бы назвать сопротивлением? К примеру, в трубах отношение разности давления, создающей поток, деленное на расход, обычно является постоянной характеристикой трубы. Точно так же тепловой поток в проволоке подчиняется простому соотношению, в которое входит разность температур, площадь поперечного сечения проволоки и ее длина. Открытие такого соотношения для электрических цепей стало итогом успешных поисков.
В 1820-х годах немецкий школьный учитель Георг Ом первым приступил к поискам вышеназванного соотношения. В первую очередь, он стремился к славе и известности, которые бы позволили ему преподавать в университете. Только поэтому он выбрал такую область исследований, которая сулила особые преимущества.
Ом был сыном слесаря, поэтому знал, как вытягивать металлическую проволоку разной толщины, нужную ему для опытов. Поскольку в те времена нельзя было купить пригодную проволоку, Ом изготавливал ее собственноручно. Во время опытов он пробовал разные длины, разные толщины, разные металлы и даже разные температуры. Все эти факторы он варьировал поочередно. Во времена Ома батареи были еще слабые, давали ток непостоянной величины. В связи с этим исследователь в качестве генератора применил термопару, горячий спай которой был помещен в пламя. Кроме этого, он использовал грубый магнитный амперметр, а разности потенциалов (Ом называл их «напряжениями») замерял путем изменения температуры или числа термоспаев.
Учение об электрических цепях только-только получило свое развитие. После того как, примерно, в 1800 году изобрели батареи, оно стало развиваться намного быстрее. Проектировались и изготовлялись (довольно часто вручную) различные приборы, открывались новые законы, появлялись понятия и термины и т. д. Все это привело к более глубокому пониманию электрических явлений и факторов.
Обновление знаний об электричестве, с одной стороны, стало причиной появления новой области физики, с другой стороны, явилось основой для бурного развития электротехники, т. е. были изобретены батареи, генераторы, системы электроснабжения для освещения и электрического привода, электропечи, электромоторы и прочее, прочее.
Открытия Ома имели огромное значение как для развития учения об электричестве, так и для развития прикладной электротехники. Они позволили легко предсказывать свойства электрических цепей для постоянного тока, а впоследствии - для переменного. В 1826 году Ом опубликовал книгу, в которой изложил теоретические выводы и экспериментальные результаты. Но его надежды не оправдались, книгу встретили насмешками. Это произошло потому, что метод грубого экспериментирования казался мало привлекательным в эпоху, когда многие увлекались философией.
Ому не оставалось ничего другого, как оставить занимаемую должность преподавателя. Назначения в университет он не добился по этой же причине. В течение 6 лет ученый жил в нищете, без уверенности в будущем, испытывая чувство горького разочарования.
Но постепенно его труды получили известность сначала за пределами Германии. Ома уважали за границей, пользовались его изысканиями. В связи с этим соотечественники вынуждены были признать его на родине. В 1849 году он получил должность профессора Мюнхенского университета.
Ом открыл простой закон, устанавливающий связь между силой тока и напряжением для отрезка проволоки (для части цепи, для всей цепи). Кроме этого, он составил правила, которые позволяют определить, что изменится, если взять проволоку другого размера. Закон Ома формулируется следующим образом: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка.
Закон Джоуля-Ленца . Электрический ток в любом участке цепи выполняет определенную работу. Для примера возьмем какой-либо участок цепи, между концами которого имеется напряжение (U). По определению электрического напряжения, работа, совершаемая при перемещении единицы заряда между двумя точками, равна U. Если сила тока на данном участке цепи равна i, то за время t пройдет заряд it, и поэтому работа электрического тока в этом участке будет:
А = Uit
Это выражение справедливо для постоянного тока в любом случае, для какого угодно участка цепи, который может содержать проводники, электромоторы и пр. Мощность тока, т. е. работа в единицу времени, равна:
Р = A/t = Ui
Эту формулу применяют в системе СИ для определения единицы напряжения.
Предположим, что участок цепи представляет собой неподвижный проводник. В этом случае вся работа превратится в тепло, которое выделится в этом проводнике. Если проводник однородный и подчиняется закону Ома (сюда относятся все металлы и электролиты), то:
U = ir
где r - сопротивление проводника. В таком случае:
А = rt2i
Этот закон впервые опытным путем вывел Э. Ленц и, независимо от него, Джоуль.
Следует отметить, что нагревание проводников находит многочисленное применение в технике. Самое распространенное и важное среди них - осветительные лампы накаливания.
Закон электромагнитной индукции . В первой половине XIX века английский физик М. Фарадей открыл явление магнитной индукции. Этот факт, став достоянием многих исследователей, дал мощный толчок развитию электро- и радиотехники.
В ходе опытов Фарадей выяснил, что при изменении числа линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность, ограниченную замкнутым контуром, в нем возникает электрический ток. Это и является основой, пожалуй, самого важного закона физики - закона электромагнитной индукции. Ток, который возникает в контуре, назвали индукционным. В связи с тем что электроток возникает в цепи только в случае воздействия на свободные заряды сторонних сил, то при изменяющемся магнитном потоке, проходящем по поверхности замкнутого контура, в нем появляются эти самые сторонние силы. Действие сторонних сил в физике называется электродвижущей силой или ЭДС индукции.
Электромагнитная индукция появляется также в незамкнутых проводниках. В том случае когда проводник пересекает магнитные силовые линии, на его концах возникает напряжение. Причиной появления такого напряжения становится ЭДС индукции. Если магнитный поток, проходящий сквозь замкнутый контур, не меняется, индукционный ток не появляется.
При помощи понятия «ЭДС индукции» можно рассказать о законе электромагнитной индукции, т. е. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Правило Ленца . Как мы уже знаем, в проводнике возникает индукционный ток. В зависимости от условий своего появления он имеет разное направление. По этому поводу русский физик Ленц сформулировал следующее правило: индукционный ток, возникающий в замкнутом контуре, всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле не дает магнитному потоку изменяться. Все это вызывает возникновение индукционного тока.
Индукционный ток, так же как и любой другой, имеет энергию. Значит, в случае возникновения индукционного тока появляется электрическая энергия. Согласно закону сохранения и превращения энергии, вышеназванная энергия может возникнуть только за счет количества энергии какого-либо другого вида энергии. Таким образом, правило Ленца полностью соответствует закону сохранения и превращения энергии.
Помимо индукции, в катушке может появляться так называемая самоиндукция. Ее суть заключается в следующем. Если в катушке возникает ток или его сила изменяется, то появляется изменяющееся магнитное поле. А если изменяется магнитный поток, проходящий через катушку, то в ней возникает электродвижущая сила, которая называется ЭДС самоиндукции.
Согласно правилу Ленца, ЭДС самоиндукции при замыкании цепи создает помехи силе тока и не дает ей возрастать. При выключении цепи ЭДС самоиндукции снижает силу тока. В том случае, когда сила тока в катушке достигает определенного значения, магнитное поле перестает изменяться и ЭДС самоиндукции приобретает нулевое значение.

Электрические цепи и их элементы

Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств и объектов, образующих путь для электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий об электродвижущей силе, токе и напряжении. В электрической цепи постоянного тока могут действовать как постоянные токи, так и токи, направление которых остается постоянным, а значение изменяется произвольно во времени или по какому-либо закону.
Электрическая цепь состоит из отдельных устройств или элементов, которые по их назначению можно разделить на 3 группы. Первую группу составляют элементы, предназначенные для выработки электроэнергии (источники питания). Вторая группа - элементы, преобразующие электроэнергию в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую, химическую и т. д.). Эти элементы называются приемниками электрической энергии (электроприемниками). В третью группу входят элементы, предназначенные для передачи электроэнергии от источника питания к электроприемнику (провода, устройства, обеспечивающие уровень и качество напряжения, и др.).
Источники питания цепи постоянного тока - это гальванические элементы, электрические аккумуляторы, электромеханические генераторы, термоэлектрические генераторы, фотоэлементы и др. Все источники питания имеют внутреннее сопротивление, значение которого невелико по сравнению с сопротивлением других элементов электрической цепи.
Электроприемниками постоянного тока являются электродвигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую, нагревательные и осветительные приборы и др. Все электроприемники характеризуются электрическими параметрами, среди которых можно назвать самые основные - напряжение и мощность. Для нормальной работы электроприемника на его зажимах (клеммах) необходимо поддерживать номинальное напряжение. Для приемников постоянного тока оно составляет 27, 110, 220, 440 В, а также 6, 12, 24, 36 В.
Графическое изображение электрической цепи, содержащее условные обозначения ее элементов и показывающее соединения этих элементов, называется схемой электрической цепи. В табл. 2 показаны условные обозначения, применяемые при изображении электрических схем.

Таблица 2. Условные обозначения в электросхемах
Элемент гальванический или аккумуляторный или	Контакты замыкающие с выдержкой времени
Батарея элементов	при замыкании
Генератор электромеханический постоянного тока	при размыкании
Выключатель, контакт замыкающий	при замыкании и размыкании
Выключатель автоматический	Предохранитель плавкий
Контакты контактора и электрического реле:	Обмотка контактора, магнитного пускателя и реле
замыкающие	Лампа накаливания осветительная
размыкающие
переключающие
Лампа газоразрядная осветительная	Конденсатор постоянной емкости
Амперметр и вольтметр	Катушка индуктивности
Резистор постоянный	Диод полупроводниковый
Резистор переменный

Участок электроцепи, вдоль которого протекает один и тот же ток, называется ветвью. Место соединения ветвей электроцепи называется узлом. На электросхемах узел обозначается точкой. Любой замкнутый путь, проходящий по нескольким ветвям, называется контуром электрической цепи. Простейшая электрическая цепь имеет одноконтурную схему, сложные электрические цепи - несколько контуров.
Элементами электрической цепи являются различные электротехнические устройства, которые могут работать в различных режимах. Режимы работы как отдельных элементов, так и всей электрической цепи характеризуются значениями тока и напряжения. Поскольку ток и напряжение в общем случае могут принимать любые значения, то режимов может быть бесчисленное множество.
Режим холостого хода - это режим, при котором тока в цепи нет. Такая ситуация может возникнуть при разрыве цепи. Номинальный режим бывает, когда источник питания или любой другой элемент цепи работает при значениях тока, напряжения и мощности, указанных в паспорте данного электротехнического устройства. Эти значения соответствуют самым оптимальным условиям работы устройства с точки зрения экономичности, надежности, долговечности и пр.
Режим короткого замыкания - это режим, когда сопротивление приемника равно нулю, что соответствует соединению положительного и отрицательного зажимов источника питания с нулевым сопротивлением. Ток короткого замыкания может достигать больших значений, во много раз превышая номинальный ток. Поэтому режим короткого замыкания для большинства электроустановок является аварийным.
Согласованный режим источника питания и внешней цепи возникает в том случае, когда сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению. В этом случае ток в цепи в 2 раза меньше тока короткого замыкания.
Самыми распространенными и простыми типами соединений в электрической цепи являются последовательное и параллельное соединение.

Последовательное соединение элементов цепи

В этом случае все элементы подключаются к цепи друг за другом. Последовательное соединение не дает возможности получить разветвленную цепь - она будет неразветвленной. На рис. 1 показан пример последовательного соединения элементов в цепи.

Рис. 1. Последовательное соединение двух резисторов в цепи : 1 - первый резистор; 2 - второй резистор
В нашем примере взяты два резистора. Резисторы 1 и 2 имеют сопротивления R1 и R2. Поскольку электрический заряд в этом случае не накапливается (постоянный ток), то при любом сечении проводника за определенный интервал времени проходит один и тот же заряд. Из этого вытекает, что сила тока в обоих резисторах равная:
I = I1 = I2
А вот напряжение на их концах суммируется:
U = U1 + U2
Согласно закону Ома, для всего участка цепи и для каждого резистора в отдельности полное сопротивление цепи будет:
R = R1 + R2
и т.д.................