Меню

Пружина проводит электрический ток

Электрический ток и закон Ома

теория по физике 🧲 постоянный ток

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц под действием внешнего электрического поля.

Условия существования электрического тока:

  • наличие заряженных частиц;
  • наличие электрического поля, которое создается источниками тока.

Носители электрического тока в различных средах

Среда Носители электрического тока
Металлы Свободные электроны
Электролиты (вещества, проводящие ток вследствие диссоциации на ионы) Положительные и отрицательные ионы
Газы Ионы и электроны
Полупроводники Электроны и дырки (атом, лишенный одного электрона)
Вакуум Электроны

Электрическая цепь и ее схематическое изображение

Электрическая цепь — это совокупность устройств, соединенных определенным образом, которые обеспечивают путь для протекания электрического тока.

Основные элементы электрической цепи:

  • Источник тока (генератор, гальванический элемент, батарея, аккумулятор).
  • Потребители тока (лампы, нагревательные элементы и прочие электроприборы).
  • Проводники — части цепи, обладающие достаточным запасом свободных электронов, способных перемещаться под действием внешнего электрического поля. Проводники соединяют источники и потребители тока в единую цепь.
  • Ключ (переключатель, выключатель) для замыкания и размыкания цепи.

Электрическая цепь также может содержать:

  • резистор — элемент электрической цепи, обладающий некоторым сопротивлением;
  • реостат — устройство для регулировки силы тока и напряжения в электрической цепи путём получения требуемой величины сопротивления;
  • конденсатор — устройство, способное накапливать электрический заряд и передавать его другим элементам цепи;
  • измерительные приборы — устройства, предназначенные для измерения параметров электрической цепи.

Определение

Электрическая схема — графическое изображение электрической цепи, в котором реальные элементы представлены в виде условных обозначений.

Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи

Простейшая электрическая цепь содержит в себе источник и потребитель тока, проводники, ключ. Схематически ее можно отобразить так:

Направление электрического тока в металлах

По металлическим проводам перемещаются отрицательно заряженные электроны, т.е. ток идет от «–» к «+» источника. Направление движения электронов называют действительным. Но исторически в науке принято условное направление тока от «+» источника к «–».

Действия электрического тока (преобразования энергии)

Электрический ток способен вызывать различные действия:

  • Тепловое — электрическая энергия преобразуется в тепло. Такое преобразование обеспечивает электроплита, электрический камин, утюг.
  • Химическое — электролиты под действием постоянного электрического тока подвергаются электролизу. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) — положительные ионы (катионы).
  • Магнитное (электромагнитное) — при наличии электрического тока в любом проводнике вокруг него наблюдается магнитное поле, т.е. проводник с током приобретает магнитные свойства.
  • Световое — электрический ток разогревает металлы до белого каления, и они начинают светиться подобно вольфрамовой спирали внутри лампы накаливания. Другой пример — светодиоды, в которых свет обусловлен излучением фотонов при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой.
  • Механическое — параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.

Основные параметры постоянного тока

Постоянный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Основными параметрами электрического тока являются:

  • Сила тока. Обозначается как I. Единица измерения — А (Ампер).
  • Напряжение. Обозначается как U. Единица измерения — В (Вольт).
  • Сопротивление. Обозначается как R. Единица измерения — Ом.

Сила тока

Сила тока показывает, какой заряд q проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду:

I = q t . . = Δ q Δ t . . = N q e t .

N — количество электронов, q e = 1 , 6 · 10 − 19 Кл — заряд электрона, t — время (с).

Заряд, проходящий по проводнику за время t при силе тока, равной I:

Пример №1. Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи 0,2 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 2 минуты?

2 минуты = 120 секунд

q = I t = 0 , 2 · 120 = 24 ( К л )

Заряд, проходящий за время ∆t при равномерном изменении силы тока от I1 до I2:

Δ q = I 1 + I 2 2 . . Δ t

Сила тока и скорость движения электронов:

n — (м –3 ) — концентрация, S (м 2 ) — площадь сечения проводника, v — скорость электронов.

Внимание!

Электроны движутся по проводам со скоростью, равной долям мм/с. Но электрическое поле распространяется со скоростью света: c = 3∙10 8 м/с.

Сопротивление

Сопротивление металлов характеризует тормозящее действие положительных ионов кристаллической решетки на движение свободных электронов:

ρ — удельное сопротивление, показывающее, какое сопротивление имеет проводник длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 , изготовленный из определенного материала. l — длина проводника (м), S — площадь его поперечного сечения.

Пример №2. Медная проволока имеет электрическое сопротивление 6 Ом. Какое электрическое сопротивление имеет медная проволока, у которой в 2 раза больше длина и в 3 раза больше площадь поперечного сечения?

Сопротивление первого и второго проводника соответственно:

Поделим электрическое сопротивление второго проводника на сопротивление первого:

R 2 R 1 . . = ρ 2 l 3 S . . ÷ ρ l S . . = ρ 2 l 3 S . . · S ρ l . . = 2 3 . .

Отсюда сопротивление второго проводника равно:

Напряжение

Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению положительного заряда:

Пример №3. Перемещая заряд в первом проводнике, электрическое поле совершает работу 20 Дж. Во втором проводнике при перемещении такого же заряда электрическое поле совершает работу 40 Дж. Определить отношение U1/U2 напряжений на концах первого и второго проводников.

U 1 U 2 . . = A 1 q . . ÷ A 2 q . . = A 1 q . . · q A 2 . . = A 1 A 2 . . = 20 40 . . = 1 2 . .

Закон Ома для участка цепи

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению:

Иллюстрация закона Ома.

Сила тока направлена в сторону движения заряженных частиц (электронов). Силе тока противостоит сопротивление: чем оно больше, тем меньше сила тока (тем меньше проходит электронов через проводник в единицу времени). Но росту силы тока способствует напряжение, которое словно толкает заряженные частицы, заставляя их упорядоченно перемещаться.

Читайте также:  Какие есть прерыватели тока

Закон Ома для участка цепи с учетом формулы для расчета сопротивления:

Для сравнения и расчета сопротивления часто используют вольтамперную характеристику. Так называют графическое представление зависимости силы тока от напряжения. Пример вольтамперной характеристики:

Чем круче график, тем меньше сопротивление проводника. При расчете сопротивления важно учитывать единицы измерения величин, указанных на осях.

Пример №4. На рисунке изображен график зависимости силы тока от напряжения на одной секции телевизора. Каково сопротивление этой секции:

Точке графика, соответствующей 5 кВ, соответствует сила тока, равна 20 мА.

Сначала переведем единицы измерения величин в СИ:

R = U I . . = 5000 0 , 02 . . = 250000 ( О м ) = 250 ( к О м )

При определении сопротивления резистора ученик измерил напряжение на нём: U = (4,6 ± 0,2) В. Сила тока через резистор измерялась настолько точно, что погрешностью можно пренебречь: I = 0,500 А. По результатам этих измерений можно сделать вывод, что сопротивление резистора, скорее всего,

Источник



IT News

  • Новости науки
  • Новости игр
  • Новости IT
  • Другие новости
  • Физика
  • Погода и климат
  • Человеческое тело
  • Подводный мир
  • Все о транспорте

Last update Вс, 29 Янв 2017 11pm

Вы здесь: Главная Познавательное Физика Почему для измерения сил могут использовать пружины?

Почему для измерения сил могут использовать пружины?

  • » onclick=»window.open(this.href,’win2′,’status=no,toolbar=no,scrollbars=yes,titlebar=no,menubar=no,resizable=yes,width=640,height=480,directories=no,location=no’); return false;» rel=»nofollow»> Печать
  • E-mail

Дата Категория: Физика

Пружины — это механические устройства, растягивающиеся и сжимающиеся в соответствии с весьма простым законом. Впервые сформулированный в 1678 году английским физиком Робертом Гуком, этот закон, обычно называемый законом Гука, утверждает, что пружины деформируются пропорционально действующим на них силам.

Проще говоря, чем больше сила, растягивающая или сжимающая пружину, тем сильнее пружина будет растягиваться или сжиматься. Если нагрузка превышает определенную величину, называющуюся пределом упругости, межатомные связи материала пружины нарушаются, и она приобретает остаточную деформацию, после чего уже больше не возвращается в исходное состояние.

Упругость пружин позволяет использовать их в качестве чувствительного элемента в пружинных весах (безменах). Сравнение удлинения пружины под действием грузов с известным и неизвестным весом позволяет легко определять неизвестный вес.

Упругие колебания пружины

Если подвешенный на пружине груз оттянуть вниз и затем отпустить, последовательность его положений в пространстве опишется кривой, проиллюстрированной на рисунке вверху; красные стрелки показывают силу упругости пружины, зеленые — вес груза. Если бы не было трения, замедляющего движение пружины, она бы растягивалась и сжималась вечно.

Пружины и силы

Пружина всегда растягивается на одно и то же расстояние, когда к ней прикладывается одна и та же сила. Если человек, прикладывающий силу F, и груз весом W одинаково удлиняют пружину, сила F в точности равна весу W.

Как происходит растягивание пружины

Обычная витая проволочная пружина — это пружина торсионного типа. Когда к такой пружине приложена сила и пружина растягивается, ее проволока скручивается. Это скручивание деформирует межатомные связи материала пружины, изменяя расстояние между соседними атомами. Как только деформирующая сила исчезает, атомы возвращаются в свое исходное положение, восстанавливая первоначальную форму пружины.

Упругость

Атомы в металлической пружине взаимодействуют между собой так, как если бы они были соединены маленькими пружинками. Во время сжатия атомы отталкиваются друг от друга, стремясь вернуться в нормальное положение. Будучи раздвинутыми, они притягиваются друг к другу, стремясь восстановить первоначальное состояние. Если межатомные связи растягиваются сверх их «предела упругости», они разрушаются и металл получает остаточную деформацию, приобретая новую форму.

Пластинчатые и торсионные пружины

  • Торсионные пружины состоят из скручиваемого стержня, возвращающегося к исходному состоянию после снятия нагрузки.
  • Винтовые пружины используются в секаторах и ножницах для разведения лезвий после снятия давления на ручки.
  • Наиболее распространенный тип винтовой пружины можно встретить в таких устройствах, как шариковые ручки и амортизаторы.
  • Плоская пружина — это обычная пластина, выпрямляющаяся после снятия изгибающей нагрузки.
  • Листовые рессоры, состоящие из нескольких изогнутых металлических пластин, похожи на плоские пружины, но выдерживают гораздо большие нагрузки.
  • Спиральные пружины, которые часто используются в наручных часах, могут быть плотно скручены и размещены в ограниченных пространствах.

Вы здесь: Главная Познавательное Физика Почему для измерения сил могут использовать пружины?

Источник

Сила тока

О чем эта статья:

Электрический ток

По проводам течет электрический ток. Причем он именно «течет», практически как вода. Представим, что вы — счастливый фермер, который решил полить свой огород из шланга. Вы чуть-чуть приоткрыли кран, и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала.

Сила струи очень слабая. Потом вы решили, что напор нужен побольше и открыли кран на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что ни один помидор не останется без внимания, хотя в обоих случаях диаметр шланга одинаков.

А теперь представьте, что вы наполняете два ведра из двух шлангов. У одного из них напор сильнее, у другого слабее. Быстрее наполнится то ведро, в которое льется вода из шланга с сильным напором. Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из двух разных шлангов тоже разный. Иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.

Если мы возьмем проводник с током, то будет происходить то же самое: заряженные частицы будут двигаться по проводнику, как и молекулы воды. Если больше заряженных частиц будет двигаться по проводнику, то «напор» тоже увеличится.

  • Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.
Читайте также:  Как померить ток светодиода мультиметром

В Skysmart ученики погружаются в мир физических законов без стресса и с удовольствием. Обучение проходит в интерактивном формате, с захватывающими примерами из жизни, интересной домашкой и личным трекером прогресса. Все это помогает подружиться с физикой, подтянуть оценки и сдать экзамены.

Приходите на бесплатное вводное занятие — покажем, как проходит обучение и вдохновим на учебу!

Сила тока

Сразу возникает потребность в величине, которой мы будем «напор» электрического тока измерять. Такая, чтобы она зависела от количества частиц, которые протекают по проводнику.

Сила тока — это физическая величина, которая показывает, какой заряд прошел через проводник.

Сила тока

I = q/t

Сила тока измеряется в Амперах. Единица измерения выбрана не просто так.

Во-первых, она названа в честь физика Андре-Мари Ампера, который занимался изучением электрических явлений. А во-вторых, единица этой величины выбрана на основе явления взаимодействия двух проводников.

Андре-Мари Ампер

Здесь аналогии с водопроводом провести, увы, не получится. Шланги с водой не притягиваются и не отталкиваются вблизи друг друга (а жаль, было бы забавно).

Когда ток проходит по двум параллельным проводникам в одном направлении, проводники притягиваются. А когда в противоположном направлении (по этим же проводникам) — отталкиваются.

два параллельных проводника

За единицу силы тока 1 А принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной 1 м, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой 0,0000002 Н.

Задача

Найти силу тока в цепи, если за 2 секунды в ней проходит заряд, равный 300 мКл.

Решение:

Возьмем формулу силы тока

I = 300 мКл / 2 с = 150 мА

Ответ: сила тока в цепи равна 150 мА

Проводники и диэлектрики

Некоторые делят мир на черное и белое, а мы — на проводники и диэлектрики.

Медь, железо, алюминий, олово, свинец, золото, серебро, хром, никель, вольфрам

Воздух, дистиллированная вода, поливинилхлорид, янтарь, стекло, резина, полиэтилен, полипропилен, полиамид, сухое дерево, каучук

То, что диэлектрик не проводит электрический ток, не значит, что он не может накапливать заряд. Накопление заряда не зависит от возможности его передавать.

Направление тока

Раньше в учебниках по физике писали так: когда-то давно решили, что ток направлен от плюса к минуса, а потом узнали, что по проводам текут электроны. Но электроны эти — отрицательные, а значит к минусу идти не могут. Но раз уже условились о направлении, поэтому оставим, как есть. Вопрос тогда возникал у всех: почему нельзя поменять направление тока? Но ответ так никто и не получил.

Сейчас пишут немного иначе: положительные частицы текут по проводнику от плюса к минусу, туда и направлен ток. Здесь вопросов ни у кого не возникает.

Так и какая версия верна?

На самом деле, обе. Носители заряда в каждом типе материала разные. В металлах — это электроны, в электролитах — ионы. У каждого типа частиц свои знаки и потребность в том, чтобы бежать к противоположно заряженному полюса источника тока.

Не будем же мы для каждого типа материала выбирать направление тока, чтобы решить задачу! Поэтому принято направлять ток от плюса к минусу. В большинстве задач школьного курса направление тока роли не играет, но есть то самое коварное меньшинство, где этот момент будет очень важным. Поэтому запомните — направляем ток от плюса к минусу.

Источник тока

Вода в шланге берется из водопровода, ключа с водой в земле — в общем, не из ниоткуда. Электрический ток тоже имеет свой источник.

В качестве источника может выступить, например, гальванический элемент (привычная батарейка). Батарейка работает на основе химических реакций внутри нее. Эти реакции выделяют энергию, которая потом передается электрической цепи.

У любого источника обязательно есть полюса — «плюс» и «минус». Полюса — это его крайние положения. По сути клеммы, к которым присоединяется электрическая цепь. Собственно, ток как раз течет от «+» к «-».

Амперметр

Мы знаем, куда ток направлен, в чем измеряется сила тока, как ее вычислить, зная заряд и время, за которое этот заряд прошел. Осталось только измерить.

Прибор для измерения силы тока называется амперметр. Его включают в электрическую цепь последовательно с тем проводником, в котором ток измеряют.

что такое амперметр

Амперметры бывают очень разными по принципу действия: электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, тепловые и индукционные — и это только самые распространенные.

Мы рассмотрим только принцип действия теплового амперметра, потому что для понимания принципа действия других устройств необходимо знать, что такое магнитное поле и катушки.

Тепловой амперметр основан на свойстве тока нагревать провода. Устроен так: к двум неподвижным зажимам присоединена тонкая проволока. Эта тонкая проволока оттянута вниз шелковой нитью, связанной с пружиной. По пути эта нить петлей охватывает неподвижную ось, на которой закреплена стрелка. Измеряемый ток подводится к неподвижным зажимам и проходит через проволоку (на рисунке стрелками показан путь тока).

Под действием тока проволока немного нагреется, из-за чего удлинится, вследствие этого шелковая нить, прикрепленная к проволоке, оттянется пружиной. Движение нити повернет ось, а значит и стрелку. Стрелка покажет величину измерения.

тепловой амперметр

Разобраться во всех видах амперметров и не только в них помогут внимательные учителя детской школы Skysmart. Приходите на бесплатный вводный урок и начните заниматься в удовольствие уже завтра!

Источник

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

Kvant. Магнетизм2

А так ли хорошо знаком вам магнетизм? // Квант. — 1992. — №2. — С. 40-41.

Читайте также:  Delta dtm 1207 ток заряда

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»

Img Kvant K-1992-02-001.jpg

Таким образом, все магнитные явления я свел к чисто электрическим действиям.
А.-М. Ампер

Img Kvant K-1992-02-002.jpg

Так как я уже давно рассматривал силы, проявляющиеся в
электрических явлениях всеобщими природными силами,
то я должен был отсюда вывести и магнитные действия.
X. Эрстед

Img Kvant K-1992-02-003.jpg

Содержание

  • 1 Вопросы и задачи
  • 2 Микроопыт
  • 3 Любопытно, что…
  • 4 Что читать о магнетизме в «Кванте»
  • 5 Ответы
    • 5.1 Микроопыт

В конце лета 1820 года редакции научных журналов, физические общества и некоторые видные физики Европы получили из Копенгагена небольшую — всего в 4 страницы — брошюру на латинском языке. Автором ее был датчанин X. Эрстед, а называлась она «Опыты, относящиеся к действию электрического конфликта на магнитную стрелку». В брошюре сообщалось об опытах по воздействию на магнитную стрелку электрического тока, текущего по проволоке, замыкающей вольтову батарею.

Тщательное исследование поведения собственно магнитов было проведено еще У. Гильбертом на рубеже XVI и XVII веков. Но идея связи магнитных и электрических явлений, если и приходила кому-то в голову, экспериментального подтверждения долгое время не получала. Открытие Эрстеда послужило началом цепной реакции исследований и величайших достижений в области электромагнетизма, повлекших через полстолетия мощный технический переворот. И здесь нельзя не назвать имена А.-М. Ампера, М. Фарадея, Д. Араго, Э. Ленца, Д. Максвелла.

Эти странички нашего «Калейдоскопа» — всего лишь крохотное окошко в мир электромагнетизма, причем сегодня нас будет интересовать только его «магнитная сторона».

Вопросы и задачи

  1. Имеются два одинаковых стальных стержня, один из которых намагничен. Как узнать, какой из них намагничен, не пользуясь ничем, кроме самих стержней?
  2. К небольшому латунному диску свободно подвесили несколько стальных иголок, как показано на рисунке. Если снизу к иголкам медленно подносить сильный магнит (например, южным полюсом), то сначала иголки разойдутся, а затем, когда магнит приблизится почти вплотную, снова вернутся в вертикальное положение. Почему?

Img Kvant K-1992-02-004.jpg

Img Kvant K-1992-02-005.jpg

Img Kvant K-1992-02-006.jpg

Img Kvant K-1992-02-007.jpg

Img Kvant K-1992-02-008.jpg

Img Kvant K-1992-02-009.jpg

Микроопыт

Прикрепите магнитную стрелку к пробке и опустите в воду. Как будет вести себя стрелка под действием лишь магнитного поля Земли? А если к ней поднести полюс постоянного магнита?

Img Kvant K-1992-02-010.jpg

Любопытно, что…

. большинство китайских мудрецов объясняли в древности поведение магнитной стрелки действием внеземных сил, например притяжением конца стрелки Полярной звездой.

. безразличное отношение физиков в начале XIX века к вопросу о магнитном действии постоянного тока объяснялось тем, что некрытое», незримо текущее «вольтово электричество» считалось особым, «тихим» состоянием электричества, неспособным на магнитное воздействие, наблюдаемое при бурном искровом электрическом разряде.

. как это случается, сам Эрстед дал открытому им явлению неверное толкование, считая, что воздействие на магнитную стрелку является результатом нагревания проводника током.

. уже в первом докладе Ампера, состоявшемся менее чем через два месяца после выхода в свет брошюры Эрстеда, содержалась его революционная теория, ликвидирующая представление о невесомых магнитных субстанциях, считавшееся неоспоримым на протяжении более тридцати лет.

. в прошлом веке была широко распространена точка зрения на хорошо знакомые нам линии индукции магнитного поля как на натяжения эфирной материи.

. многие небесные тела — планеты и звезды — обладают собственными магнитными полями. Однако наши ближайшие соседи — Луна, Венера и Марс — не имеют поля, подобного земному. Магнитное же поле Земли «непостоянно» — его полюса «гуляют» со скоростью 5—6 километров в год; это явление называют вековой вариацией магнитного поля.

. палеомагнитные исследования — самое строгое доказательство дрейфа континентов. По намагниченности железных месторождений, возникших несколько сот миллионов лет назад, можно «восстановить» некогда существовавший в Южном полушарии единый гигантский суперконтинент Гондвану, который позже раскололся на Южную Америку, Африку, Азию (частично), Австралию и, возможно, Антарктиду.

Что читать о магнетизме в «Кванте»

  1. «Пути электромагнитной теории» — 1988, № 2, с. 2;
  2. «Полярные сияния» — 1989, № 5, с. 58;
  3. «Калейдоскоп «Кванта» — 1990, № 4, с. 40;
  4. «Сила Ампера в однородном магнитном поле» — 1991, № 5, с. 39.

Ответы

  1. Необходимо прикоснуться концом одного стержня к середине другого (в виде буквы Т).
  2. Сначала магнит создает в нижних концах иголок одноименные магнитные полюса, что вызывает отталкивание иголок друг друга. Когда магнит приближается на достаточно малое расстояние, взаимодействие между ним и каждой из иголок становится сильнее взаимодействия между иголками, и они опускаются, притягиваясь к магниту.
  3. Да, на концах стержня будут одноименные полюса.
  4. Возникнет. Электроны сверхпроводящего кольца не будут увлечены движением, а положительные ионы кристаллической решетки — будут, что и создаст магнитное поле.
  5. Нулю.
  6. В проводниках объемный электрический заряд равен нулю, поэтому проявляются только магнитные силы. В случае катодных пучков действуют и магнитные, и электрические силы, но преобладают силы отталкивания между одноименными зарядами.
  7. Витки пружины представляют собой параллельные проводники, по которым течет ток в одном направлении. При прохождении тока витки притягиваются друг к другу, что вызывает размыкание цепи. Магнитное поле исчезает, пружина распрямляется, нижним концом замыкает цепь, и все повторяется.
  8. Провод обовьется вокруг магнита.
  9. Сила взаимодействия равна нулю, так как направление кругового тока совпадает с направлением линий магнитной индукции прямолинейного тока.
  10. Сила взаимодействия уменьшится.
  11. Кольцевой ток, текущий в плоскости, близкой к экваториальной.

Микроопыт

Магнитное поле Земли на расстояниях порядка длины магнитной стрелки практически однородно, поэтому, действуя на стрелку, может создавать только вращающий момент. Поле постоянного магнита на этих же расстояниях неоднородно, поэтому вызывает не только вращательное, но и поступательное движение стрелки.

Источник