Для учащихся (для лучшего понимания физики).
Постоянный электрический ток в металлических проводниках
Электрический ток в металле (проводе) представляет собой направленное движение свободных электронов.
Чтобы свободные электроны в металле стали двигаться направленно (в одну сторону) надо внутри провода создать электрическое поле. Для этого замкнутая электрическая цепь должна содержать источник постоянного тока.
На рисунке ниже показана простая электрическая цепь, состоящая из источника постоянного тока и двух сопротивлений, соединённых проводом последовательно и параллельно.
На следующем рисунке показан участок провода такой электрической цепи для того, чтобы понять что происходит внутри провода.
Благодаря источнику постоянного тока между концами участка провода длиной l имеет место разность потенциалов (или напряжение U), то есть создано электрическое поле напряжённостью Е:
Под действием электрических сил поля свободные электроны двигаются против поля, образуя электрический ток.
Под силой тока понимается заряд, переносимый электронами через поперечное сечение провода за единицу времени:
Электрический ток называется постоянным, если за каждую секунду через сечение провода проходит одинаковый заряд.
Так как за направление тока условились принимать направленное движение положительных зарядов, то ток на рисунке показан направленным в сторону обратную движению электронов (от + к -), то есть ток течёт в сторону убывания потенциала.
Таким образом, чтобы на участке провода существовал электрический ток, необходимо существование разности потенциалов между концами участка (если потенциалы в начале и конце участка провода одинаковы, то ток на этом участке провода отсутствует).
Задача
На рисунке показана часть участка цепи с током, на котором провод делится на два провода, собирающихся вместе на конце участка. В начальный момент времени проволоки ЕК не было, а проволоки АВ и СД были. Но точки А, В и точки С, Д подбирались так, что в проводах АВ и СД тока не было. Появится ли в них ток, если эти проволоки (АВ и СД) соединить проволокой ЕК?
Решение.
Рассуждаем. Если в проволоке АВ не было тока (в отсутствие ЕК), то это означает, что потенциал точки А равен потенциалу точки В. Такое же значение потенциал имеет во всех точках проволоки АВ, иначе бы в ней ток существовал.
Такие же рассуждения относятся к проволоке СD (в отсутствие проволоки ЕК), то есть потенциалы во всех точках проволоки СD одинаковы, так как тока в ней нет.
Но так как ток течёт в исходном проводе и его разветвлениях слева направо, то потенциалы точек, расположенных левее, больше потенциалов точек, расположенных правее, так как ток течёт в сторону убывания потенциала.
Тогда потенциалы точек проводника АВ больше потенциалов точек проводника СD. Тогда при замыкании их проводником ЕК, по проводнику ЕК потечёт ток в сторону убывания потенциала, то есть от точки Е к точке К.
От узла Е отходит ток ЕК, а к узлу Е подходят токи ВЕ и АЕ (по закону сохранения заряда сумма токов подходящих к узлу и отходящих от узла одинакова).
Такие же рассуждения относятся к узлу К - к нему подходит ток ЕК и отходят токи КС и КD. Они собираются вместе и в общем проводе ток течёт вправо.
При замыкании проволокой ЕК проволок АВ и СD потенциалы точек А, В, С и D уменьшатся. Разность потенциалов между точками А и С, а также между точками В и D уменьшится и ток на этих участках тоже уменьшится по сравнению с током в отсутствие проволоки ЕК.
Ответ: присутствие проволоки ЕК (появление в ней тока) изменило потенциалы во всех узлах, что привело к созданию тока на всех показанных на рисунке участков цепи.
Закон Ома для участка цепи и для полной цепи
Участок провода имеет электрическое сопротивление R, зависящее от длины участка провода l , площади его поперечного сечения S и от удельного сопротивления материала проводника:
Сила тока I на однородном участке цепи прямо пропорциональна разности потенциалов (или напряжению U) между концами участка и обратно пропорциональна сопротивлению R участка (закон Ома для участка цепи):
Если рассматривать замкнутую (полную) цепь, то закон Ома примет вид:
то есть ток равен отношению ЭДС источника к полному сопротивлению цепи (сопротивлению внешнего участка R цепи плюс сопротивление r внутри источника).
Тогда для цепи, изображённой на рисунке слева (последовательное соединение сопротивлений), закон Ома запишется так:
Для цепи, изображённой на рисунке справа (параллельное соединение сопротивлений) общее внешнее сопротивление найдётся из формул:
Тогда закон Ома для правой электрической цепи запишется так:
Таким образом, рассчитать простые электрические цепи несложно. Для этого надо лишь знать полное сопротивление внешней части цепи , сопротивление внутри источника и ЭДС источника.
Методы расчёта сложных цепей постоянного тока
Если внешняя часть цепи содержит несколько сопротивлений, то по возможности надо их свести к последовательному и параллельному соединениям.
Для этого в цепи находят точки равного потенциала, соединяют их в узел и учитывают, что сумма токов, подходящих к узлу, равна сумме токов, отходящих от узла. Покажем это на примере.
Таким образом, нами рассмотрены разные способы расчёта электрических цепей постоянного тока, позволяющих решать сложные задачи.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Для школьников предлагаются подборки материала по темам:
!. Механика. Кинематика. Равномерное прямолинейное движение.
2. Равнопеременное прямолинейное движение.
Предыдущая запись: Явление электростатической индукции в задачах.
Следующая запись: Магнитные взаимодействия. Задачи.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .
