Наглядная физика. Электромагнитные явления
Интерактивные модели
1. Зависимость силы тока от напряжения
2. Зависимость силы тока от сопротивления
3. Гальванометр
4. Соединение проводников
5. Гирлянда
6. Реостат
7. Удельное сопротивление
8. Тренажер: сопротивление участка цепи
9. Мощность электроприборов
10. Постоянные магниты
11. Разламывание магнитов
12. Притяжение магнитов
13. Взаимодействие магнитов
14. Отталкивание магнитов
15. Линии магнитного поля постоянного магнита
16. Поле постоянных магнитов
17. Магнитное поле Земли
18. Опыт Эрстеда
19. Магнитное поле проводника с током
20. Электромагнит
21. Электродвигатели
22. Электрический звонок
23. Громкоговоритель
Зависимость силы тока от напряжения
Модель наглядно демонстрирует связь между силой тока и напряжением. Можно изменять сопротивление в цепи и напряжение источника питания.
Во многих случаях ток I через проводник прямо пропорционален приложенному напряжению U. Закон, 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: 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: Коэффициент R назы вается электрическим сопротивлением цепи. Закон Ома устанавливает связь между силой тока I на участке цепи, приложенным напряжением U и 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). 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.
Приложенное к проводнику напряжение (разность потенциалов) аналогично разности Δp=p2-p1 давлений p1 и p2 в жидкости на первом и втором концах трубы соответственно.
Зависимость силы тока от сопротивления
Сила тока в цепи, показанной в модели, определяется законом Ома
где R- сопротивление реостата;
R=1 Ом -сопротивление, включенное последовательно с реостатом,
U - напряжение источника питания.
Гальванометр – это прибор, содержащий катушку в магнитном поле и прикреплённую к ней стрелку. Он используется для измерения тока. Модель наглядно демонстрирует принцип действия гальванометра.
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.
Модель наглядно демонстрирует простейшие соединения проводников – последовательное и параллельное. При включении тока в цепи происходит измерение силы тока и напряжения.
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 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 I. Тогда связь между значениями тока, напряжения и сопротивления цепи с их значениями на отдельных участках цепи может быть выражена в виде следующих соотношений: 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: 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: Отсюда находим сопротивление R цепи из двух параллельно соединенных проводников с сопротивлениями R1 и R2. Итак, общее сопротивление двух параллельно соединенных проводников находится как отношение
произведения сопротивлений к сумме сопротивлений проводников.
Модель наглядно демонстрирует устройство гирлянды, составленной из последовательно и параллельно соединенных лампочек с разными сопротивлениями. Наглядно показано вычисление сопротивления такой гирлянды.
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 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 где Uл - рабочее напряжение лампочки, Iл - рабочий ток лампочки.