Сила електричного струму і електрична напруга
Електрична напруга і струм (сила струму) є кількісними фундаментальними поняттями, про які необхідно чітко мати уявлення кожній людині, пов’язаній за сферою діяльності з електрикою (електрик, електронщик, радіотехнік і т.д.). У даній статті ми з Вами постараємося розкрити суть цих понять.
Сила електричного струму (або просто ток): умовно сила струму позначається через букву «I». Електричний струм являє собою кількість електричних зарядів (в твердих тілах електрони) проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу. Одиницею вимірювання сили електричного струму служить ампер (в честь вченого, який відкрив це явище). Як правило, в електриці сила струму вимірюється в амперах (А), в електроніці, як в амперах, так і в міліампер (1 мА = 0.001А), мікроамперах (1мкА = 0.000001А).
Сила електричного струму величиною один ампер створюється переміщенням електричного заряду величиною в один кулон за одну секунду. Умовно вважається, що сила струму в електричному ланцюзі протікає від позитивного потенціалу до негативного, хоча, все ж електрон (негативна частка) рухається в зворотному напрямку.
Електрична напруга (або різниця потенціалів): умовно напруга позначається буквою «U», в деяких випадках «Е». Різниця потенціалів (електрична напруга) між двох точок являє собою роботу (або енергію), яка витрачається на вчинення переміщення одиничного позитивного електричного заряду з точки з меншим потенціалом в точку з великим потенціалом (тобто, перша точка володіє більш негативним електричним потенціалом у порівнянні зі другою точкою). Іншими словами кажучи, це енергія, що вивільняється в разі, коли одиничний електричний заряд «скочується» від високого електричного потенціалу до низького потенціалу. Електрична напруга так само ще називають електрорушійної силою ЕРС.
За основну одиницю виміру електричної напруги виступає вольт. Як правило, в електриці напруга вимірюється в вольтах (В) і кіловольт (1 кВ = 0.001В), в електроніці в вольтах і мілівольтах (1мВ = 0.001В) або навіть в мікровольтах (1мкВ = 0.000001В). Щоб зробити переміщення електричного заряду величиною в один кулон між різними точками, що мають електричну напругу величиною в один вольт, потрібно виконати роботи один джоуль. (Кулон є одиницею вимірювання заряду і чисельно дорівнює електричному заряду близько 6 * 1018 електронів.) Електрична напруга, яке вимірюється в МегаВольт або нановольтах зустрічається досить рідко.
Врахуйте: електрична напруга завжди міряється між двома різними точками наявної схеми, а сила електричного струму завжди проходить через точку в електричній схемі або ж через якийсь елемент схеми. Виражатися «напруга в опорі» неграмотно. Хоча дуже часто говорять про електричному напрузі – в будь-якої точці робочої схеми. Але при цьому мають на увазі електричну напругу між «землею» і цією точкою.
Слід запам’ятати пару простих правил:
1) Сума електричних струмів, які втікають в точку, буде дорівнює сумі струмів, які випливають з неї (закон Кірхгофа для струмів). Іноді інженери називають цю точку електричної схеми вузлом. З даного правила випливає наступне: в послідовному ланцюзі сила електричного струму у всіх точках буде однаковою.
2) В разі паралельного з’єднання елементів електрична напруга на кожному наявними елементі буде одне і теж. Тобто, сума падінь електричних напруги між двома точками, яка вимірюється в будь-якої гілки схеми, що з’єднує ці точки, буде однакова і прирівнюватися напрузі між цими точками (закон Кіргофа для електричного вбрані).
Вчимося розв’язувати фізичні задачі з теми «Сила струму. Електрична напруга та опір»
Розв’язуючи задачі на закони постійного струму, потрібно пригадати основні фізичні залежності між електричними характеристиками, закони, формули (сила струму, напруга, опір, закон Ома для ділянки кола, залежність опору металів від температури, закономірності, що виконуються при послідовному та паралельному з’єднанні провідників).
Не забувайте, що деякі дані, а саме питомий опір, густина тощо, містяться в таблицях фізичних величин, наведених у підручнику або інших джерелах.
Для прикладу розглянемо розв’язування декількох задач.
Приклад розв’язування якісної фізичної задачі
1. Як будуть змінюватися покази приладів, зображених на рисунку (а, б), якщо повзунок реостата переміщувати ліворуч?
Рисунок до задачі 1
Насамперед важливо звернути увагу на те, що напруга на клемах (рис. а) є постійною. Якщо на схемі зображено джерело струму (наприклад, батарея, рис. б), то ця умова не виконується!
Будьте уважні!
При переміщенні повзунка реостата ліворуч, його опір збільшується — струм проходить по правій частині реостата, яка стала довшою. Отже, опір усього кола теж збільшується, тому що реостат і резистор з’єднані послідовно. Ця особливість є спільною для обох електричних кіл (рис. а, б).
Розглянемо особливості першого електричного кола (рис. а). Відповідно до закону Ома для ділянки кола при збільшенні опору сила струму зменшується: амперметр покаже зменшення струму.
Вольтметр показує напругу на резисторі. Оскільки елементи електричного кола з’єднані послідовно, сила струму в усьому колі однакова. При збільшенні опору реостата через резистор потече менший струм. Отже, і напруга на ньому зменшиться: U = IR. Вольтметр покаже зменшення напруги.
Розглянемо особливості другого електричного кола (рис. б). У коло увімкнено джерело струму, тому напруга на різних ділянках буде неоднаковою.
При збільшенні опору реостату через резистор буде проходити менший струм, а його опір залишиться незмінним. За законом Ома для ділянки кола U = IR, тому покази вольтметра V2 зменшуватимуться, як і в першому електричному колі.
Покази вольтметра будуть збільшуватися, тому що опір резистора й реостата, які з’єднані послідовно, зростає.
Приклади розв’язування розрахункових фізичних задач
Задача 1. Яка кількість електронів проходить крізь поперечний переріз провідника за 5 с, коли сила струму в провіднику 12 А?
Відповідь: N = 3,75 • 10 20 .
Задача 2. Визначити масу нікелінового провідника перерізом 1 мм 2 , необхідну для виготовлення реостата, в якому при напрузі 380 В проходить сила струму 25 А. Густина нікеліну 8,8 г/см 3 .
Оскільки дріт можна вважати циліндром, що має велику довжину й малу площу поперечного перерізу, то об’єм провідника дорівнює об’єму циліндра, тобто V = l • S.
Довжину дроту розрахуємо з формули опору провідника:
Відповідь: m = 0,334 кг.