Онлайн

Наглядная физика. Электромагнитные явления


 Зависимость силы тока от напряжения

1 Oms law

Модель наглядно демонстрирует связь между силой тока и напряжением. Можно изменять сопротивление в цепи и напряжение источника питания.

  

 

Подробнее 

 Во многих случаях ток I через проводник прямо пропорционален приложенному напряжению UЗакон, выражающий эту связь, был установлен в 1827 г. немецким ученым Г. Омом и носит его имя. По закону Ома ток I через проводник пропорционален приложенному напряжению U:

05-01

Коэффициент R называется электрическим сопротивлением проводника.

Выделим в произвольной электрической цепи участок, обладающий сопротивлением R и находящийся под напряжением U.  Согласно закону Ома сила тока на участке цепи равна отношению напряжения на этом участке к его сопротивлению. Закон Ома записывается в виде следующей формулы:

05-02

Коэффициент R  назы вается электрическим сопротивлением цепи.

Закон Ома устанавливает связь между силой тока I на участке цепи, приложенным напряжениеми сопротивлением участка R. В СИ единица сопротивления называется омом (Ом). 1 Ом - это сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В сила тока равна 1 А.

Закон Ома отличается, например, от законов Ньютона тем, что законы Ньютона фундаментальны, они выполняются всегда. Закон Ома выполняется лишь для некоторых проводников и в каждом случае лишь в определенном интервале токов. Он не выполняется также, если ток или напряжение меняются слишком быстро. С другой стороны, и второй закон Ньютона выполняется не всегда. Точнее, он всегда выполняется для точечных частиц, но для тел имеющих конечные размеры нужно уточнять определение вектора силы и ускорения (отдельные части тела могут иметь разные ускорения). Позже вы узнаете, что при движении тел с очень большими скоростями (близкими к скорости света) масса тела и сила связаны другим соотношением, содержащим  отношение скорости движения тела к скорости света. И для маленьких тел, таких как электроны и протоны законы Ньютона тоже не выполняются, вместо них используются законы квантовой механики.

Часто проводник с током сравнивают с трубой, по которой течет вода. Величина электрического тока (заряд, проходящий через сечение проводника за единицу времени) ассоциируется с потоком воды (количество воды, проходящей через сечение трубы в единицу времени).
Приложенное к проводнику напряжение (разность потенциалов) аналогично разности Δp=p2-p1 давлений p1 и p2 в жидкости на первом и втором концах трубы соответственно.

Чем толще труба, тем  больше воды протекает через трубу в единицу времени (при фиксированной разности давлений). Чем больше разность давлений, тем больше воды протекает через трубу в единицу времени (при фиксированном сечении трубы). Заметим, что приближенно поток воды q пропорционален разности давлений Δp=p2-p1  но коэффициент пропорциональности немного меняется при изменении p1  и p2 Следовательно, сечение трубы аналогично величине 1/R. Эта аналогия может облегчить лишь первоначальное знакомство с током и сопротивлением. 


Зависимость силы тока от сопротивления

2 Oms law2Сила тока в цепи, показанной в модели, определяется законом Ома 

 

   

Подробнее 


05-03         


где R- сопротивление реостата;
     R=1 Ом -сопротивление, включенное последовательно с реостатом,
     U - напряжение источника питания.


Гальванометр

3 model Galvanometr

 Гальванометр – это прибор, содержащий катушку в магнитном поле и прикреплённую к ней стрелку. Он используется для измерения тока. Модель наглядно демонстрирует принцип действия гальванометра.

 

Подробнее

Гальванометр, названный так в честь Гальвани, - это прибор, содержащий катушку в магнитном поле. Электрический ток  в катушке приводит к повороту катушки и прикреплённой к ней стрелки, что используется для измерения тока.

Катушка помещена в зазоре с сильным магнитным полем, поэтому даже маленький ток вызывает заметный поворот катушки и соединённой с ней стрелки. Шкала позволяет измерить угол поворота стрелки, который с высокой точностью пропорционален электрическому току через катушку.

Существует много различных конструкций таких приборов. Обычно используется магнит, имеющий подковообразную форму. Между полюсами создан цилиндрический зазор, в котором может свободно вращаться легкая катушка. Две тонкие спиральные пружинки возвращают катушку в начальное положение. По этим же пружинкам ток подводится к катушке. Даже слабый ток в катушке создает сильный вращающий момент в сильном магнитном поле зазора. Поэтому такие приборы могут быть очень чувствительными. 


 Соединение проводников

4 ParallelAndSerialConnection

Модель наглядно демонстрирует простейшие соединения проводников – последовательное и параллельное. При включении тока в цепи происходит измерение силы тока и напряжения.

 

Подробнее

Электрические цепи содержат, как правило, несколько элементов (потребителей электроэнергии). Эти элементы могут быть по-разному соединены друг с другом. Простейшие соединения -последовательное и параллельное.

 Последовательное соединение

При последовательном соединении проводников они включаются в цепь последовательно друг за другом без разветвлений проводов между ними. Такое соединение резисторов показано на рисунке

05-04

В принципиальной электрической схеме форма линий, обозначающих соединительные провода, не играет роли, и потому схема цепи при одном и том же типе соединения может выглядеть по-разному.

Рассмотрим токи и напряжения в цепи из двух последовательно соединенных проводников с сопротивлениями R1 и R2.  Обозначим через I1 и U1 силу тока и напряжение на первом проводнике, а через I2 и U2 - силу тока и напряжение  на втором проводнике. Общее сопротивление обоих участков обозначим через R, общее напряжение на них - через U, а силу тока в цепи -  через IТогда связь между значениями  тока, напряжения и сопротивления цепи с их значениями на отдельных участках цепи может быть выражена в виде следующих соотношений:

05-05

Итак, при последовательном соединении проводников сила тока через эти проводники одинакова и совпадает с током цепи, а напряжение в цепи равно сумме напряжений на отдельных проводниках. Поэтому сопротивление всей цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

Параллельное соединение

При параллельном соединении проводников эти проводники подключаются к одной и той же паре точек А и В цепи:

05-06

При параллельном соединении проводников напряжение на всех этих проводниках одно и то же, а сила тока в цепи равна сумме сил токов на отдельных проводниках. Связь между значениями силы тока и напряжения цепи с их значениями на отдельных участках цепи имеет вид:

05-07

Отсюда находим сопротивление R цепи из двух параллельно соединенных проводников с сопротивлениями Rи R2.

05-08

 

Итак, общее сопротивление двух параллельно соединенных проводников находится как отношение
произведения сопротивлений к сумме сопротивлений проводников.


 Гирлянда

5 model girlianda

 Модель наглядно демонстрирует устройство гирлянды, составленной из последовательно и параллельно соединенных лампочек с разными сопротивлениями. Наглядно показано вычисление сопротивления такой гирлянды.

Подробнее

Это пример практического использования последовательного и параллельного соединения проводников. Гирлянда составлена из различных лампочек. Чтобы обеспечить нужный ток через каждую лампочку, одинаковые лампочки (т.е. лампочки с одинаковым током) соединены последовательно, а цепи из одинаковых лампочек соединены параллельно.

Количество последовательно соединяемых одинаковых лампочек зависит от их рабочего напряжения (или тока). Если рабочее напряжение лампочки равно Uл, то при подключении гирлянды к сети напряжением U0 необходимо соединить последовательно n лампочек. Чтобы лампочка не сгорела должно выполняться неравенство

05-09

Для наглядности показано, как электрическая цепь гирлянды преобразуется в один резистор.

Замечание.

Сопротивление лампочки в холодном состоянии значительно меньше, чем в рабочем (очень горячем). Сопротивление лампочки в рабочем состоянии можно найти по закону Ома 

05-10

где  Uл - рабочее напряжение лампочки, Iл - рабочий ток лампочки.