§ 22. Електричний струм. Дії електричного струму. Основні елементи електричного кола. Напруга

В усіх електричних машинах та електронних приладах, які використовує сучасна цивілізація, застосовується електричний струм. Напрямлений рух заряджених частинок називають електричним струмом.

Для створення струму необхідні дві умови:

1.    Наявність вільних заряджених частинок, які називають носіями струму.

2.    Наявність електричного поля, яке рухатиме ці заряджені частинки.

Електричний струм завжди супроводжується магнітною дією. В більшості матеріалів струм проявляє теплову дію. Винятком є надпровідники. В електролітах струм проявляє хімічну дію, тобто спричинює хімічні реакції.

Сила струму

У металевих провідниках є вільні електрони. Вони рухаються хаотично і поводяться як газ, їх так і називають: «електронний газ».

Електрони значно менші за атоми, і для них провідник - ніби велика труба, по якій можна рухатися (мал. 22. Ί). Щоб електрони рухалися направлено, їх треба спрямувати. Це завдання виконує електричне поле, яке створюється джерелом струму, наприклад, гальванічним елементом або акумулятором.

Ізолятори (повітря, пластик, лак) вільних зарядів не мають і проводити струм не можуть.

Струм може бути більшим чи меншим. Значення струму визначається величиною електричного заряду q, який вдається «прокачати» через поперечний переріз провідника за одиницю часу. Величину струму дещо невдало називають «силою струму», хоча ніякої сили тут немає, просто ця назва склалася історично.

Отже, силою струму / називають відношення заряду q,що проходить через поперечний переріз провідника, до часу Г, який для цього потрібний:

Сила струму показує, який заряд проходить через поперечний переріз провідника за 1 с. В Cl силу струму вимірюють в амперах (на честь французького вченого Андре Марі Ампера). Одиницю сили струму позначають

літерою А. Згідно з формулою (22.1), один ампер - це сила струму, при якій через поперечний переріз провідника за одну секунду проходить заряд один кулон, тобто, А = Кл/с. Звичайну 100-ватну лампочку живить струм близько 0,5 А, електрокамін споживає від 2 до 5 А. Для вимірювання сили струму застосовується прилад - амперметр.

Формула (22.1) справедлива тільки тоді, коли струм І протягом часу t не змінюється. В такому випадку можна знайти заряд q, що пройшов через поперечний переріз провідника S за час t

q = It.    (22.2)

Заряд q, який пройшов по провіднику за час t, можна також визначити графічно (мол.

22.2) як площу під графіком залежності І(і).

Графічний спосіб дозволяє визначити заряд і тоді, коли струм змінюється, тобто коли формула (22.2) невірна. На малюнку 22.3 струм зростає лінійно від початкового значення Z₁ до кінцевого значення I₂, а заряд, що пройшов через переріз провідника, чисельно дорівнює площі трапеції:

Є ще одна формула для визначення сили струму, яку ми наведемо без доведення:

/ = q_Q-n-v<S',І    (22.4)

де q_a - заряд частинки-носія струму (у металі q₀ = е), п - концентрація вільних носіїв, V - середня швидкість носіїв струму, S - площа поперечного перерізу провідника. Щоб отримати ампери, потрібно усі одиниці вимірювання виразити в СІ.

За напрям струму прийнято вважати напрям руху позитивних зарядів.

Така умовність має історичну причину. До відкриття електронів струм вважали позитивно зарядженою рідиною, яка тече від позитивного полюса батарейки до негативного. Тепер ми знаємо, що саме негативно заряджені електрони рухаються в провідниках, причому від негативного полюса батарейки до позитивного. Проте напрямом струму і далі вважають напрям руху позитивних зарядів.

напруга, вимірювання напруги

Струм тече від позитивного полюсу джерела до негативного, за напрямом електричного поля в провіднику. Позитивні частинки рухаються за напрямом силових ліній від точок з більшим потенціалом φ₍ до точок з меншим потенціалом φ₂, подібно до того, як ріка в полі тяжіння тече з більш високої місцевості в низину.

Негативні заряди навпаки, рухаються проти ліній поля. Як вже зазначалося, робота поля по переміщенню заряду q пропорційна різниці потенціалів , яку називають напругою і позначають літерою U та вимірюють у «вольтах», як і потенціал:

Напруга чисельно дорівнює роботі поля по переміщенню заряду -ИКл в напрямі силової лінії і вимірюється вольтметром.

Робота поля з переміщення довільного заряду q обчислюється за формулою:

Наше практичне знайомство з електричним струмом почнемо з простого досліду.

ДОСЛІД 22.1

Приєднаємо двома провідниками звичайну електричну лампу від кишенькового ліхтарика до гальванічного елемента типу AA (в побуті його називають просто «пальчиковою батарейкою»), на корпусі якої написано 1,5 V і полюси: негативний «-»і позитивний «+»(мол. 22.4). Поряд з батарейкою і лампою показані їх умовні позначення на електричних схемах, більше умовних позначень ви знайдете на малюнку 22.5.

Перш ніж приєднувати провідники, їх кінці потрібно зачистити від ізоляції за допомогою ножа. Ізоляційне покриття буває тканинним, пластиковим чи емалевим. Ізолююча емаль за кольором мало відрізняється від міді, то треба бути особливо уважним.

Якщо ми приєднаємо лампу, на якій написано 2,5 V, то вона світитиме слабо

або зовсім не засвітиться, навіть якщо ми все з'єднаємо правильно. Це означає, що 1,5 В замало-для нормальної роботи цієї лампи. Доведеться взяти дві батарейки, і з'єднати їх послідовно в касеті так, щоб «+» однієї контактував з «-» наступної. Так вони з'єднані в кишеньковому ліхтарику та інших пристроях. Кількість батарейок залежить від потрібної напруги.

Проблеми можуть виникати і з провідниками, бо може статися так, що вони «не контактують». Зрештою, якщо все зроблено правильно, лампочка буде світитися. Нічого дивного і складного для нас у цьому досліді немає. Проте, якби ми зробили все це років сто тому, то стали б справжніми знаменитостями. Адже ні таких лампочок, ні таких батарейок тоді ще не було. Отже, ми скористалися плодами столітнього прогресу електротехнічної індустрії.

Електричне коло

В досліді22.1 ми зібрали електричне коло, яке складалося із джерела струму, лампи і двох з'єднувальних провідників. Для серйознішого експерименту потрібні вимірювальні прилади (амперметр і вольтметр) та вимикач. Перед тим як зібрати коло, його проектують, тобто креслять схему, використовуючи умовні позначення (мал. 22.6).

У наведеній схемі батарея з трьох елементів, амперметр, лампа і вимикач ввімкнені один за одним - послідовно, так, що через них тече один і той самий струм. Вольтметр показаний окремо, оскільки він приєднується до точок «а» та «б» паралельно і його можна підключити в останню чергу. Біля клем вольтметра (мал. 22.7) чи амперметра вказують полярність підключення.

Ті прилади, на яких вказана полярність (батарейки, амперметр, вольтметр), повинні вмикатися в такій послідовності: + -, + - і т. д. Провідники і лампа полярності не мають. Запам'ятаємо, що амперметр завжди вмикають послідовно зі споживачем струму, а вольтметр - паралельно. В цьому випадку сила струму, яку вимірює амперметр, збігається із силою струму, що проходить через споживач (в нашому випадку - це лампа).

ДОСЛІД 22.2

Збираємо електричне коло з амперметром. Ми пропонуємо використати багатофункціональний вимірювальний прилад - мультиметр, який поєднує в собі амперметр, вольтметр і омметр. Перемикач мультиметра встановіть у положення IО А (мал. 22.8).

Крайні клеми приладу підключіть до батареї з трьох послідовно з'єднаних елементів AA так, як вказано на малюнку і до лампи. На цей раз лампу вибрали з номіналами 3,5 V, 0,26 А Елементи, до речі, з'єднали нашвидкоруч за допомогою паперу і скочу. Як бачите, все зроблено, як в досліді 22.Ί, покази амперметра тільки на 0,02 А відрізняються від номіналу лампи.

Далі можна використати мультиметр як вольтметр і підключити його паралельно (мал. 22.6), притиснувши щупи приладу до корпусу і цоколя лампи - він покаже 3,5 В.

Залишається одне питання: чому лампа споживає 3,5 В, в той час як батарея з трьох елементів AA дає 3 х 1,5 В = 4,5 В - куди подівся 1 В? Відповідь і проста, і складна - 1 В пропав всередині батареї. На складніше запитання - чому і як - ми дамо відповідь у наступних параграфах.

Окрім металів, струм може проходити через розчини солей, кислот і лугів. Пропонуємо зробити ще один цікавий і простий дослід.

ДОСЛІД 22.3

Зберемо коло згідно з малюнком 22.9. Для цього потрібна посудина з водою, джерело струму, лампа, з'єднувальні провідники і дві великі металічні скріпки. Зачищені кінці дроту треба добре намотати на скріпки, щоб був хороший контакт. На скріпці зробіть гачок і зачепіть його за край склянки. Зауваження: одного елементу струму може виявитися замало, навіть для лампи 2,5 В. Тоді використайте батарею елементів, помістивши їх у касету.

Провідники, опущені у воду, називають електродами. Електрод, під'єднаний до позитивного полюса, називається анодом, до негативного - катодом. Перед дослідом скріпки треба знежирити, добре промити водою і витерти насухо. (Замість скріпок можна використати цвяхи, ложки тощо.) При замиканні кола бачимо, що лампочка не світиться.

Насиплемо сіль у склянку з водою. Щоб сіль у воді краще розчинялася, розчин потрібно перемішувати. Через деякий час помітимо, що лампочка починає світитися, і чим більше солі ми розчиняємо, тим вона світиться яскравіше. Це означає, що розчин солі проводить струм. Уважно спостерігаючи за катодом, ви помітите, що біля нього піднімаються бульбашки газу - ніби вода кипить.

Зауваження. Струм через розчин солі можливий тому, що при розчиненні кристали NaCI розпадаються (точний термін: «дисоціюють») на йони Na⁺Ta СІ", які стають вільними носіями струму.

ІСТОРИЧНА ДОВІДКА

Андре Марі Ампер народився 22 січня 1775 року в сім'ї ліонського комерсанта. У його батька була прекрасна бібліотека, і вже в 14-річному віці Андре прочитав усі 20 томів знаменитої «Енциклопедії» Дідро. У 1801 році Ампер став професором фізики і хімії в Ліонському ліцеї, а з 1809 році - викладав математику в Політехнічній школі в Парижі. Ампер ввів поняття «електричний струм» і вперше побудував прилад для вимірювання сили струму - гальванометр, який діяв на основі взаємодії струму і магнітної стрілки. Одиниця вимірювання сили струму - один ампер - названа на його честь.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

Для створення електричного струму необхідне виконання двох умов:

1.    Наявність носіїв струму.

2.    Наявність електричного поля, яке рухає заряджені частинки. Напрямлений рух заряджених частинок називають електричним струмом:

*Сила струму, з врахуванням характеристик вільних зарядів, обчислюється за формулою: I = q^n-v-S, де ^₀, п та v - заряд та концентрація та швидкість носіїв струму, S - площа поперечного перерізу провідника.

В більшості матеріалів струм проявляє теплову дію (за винятком надпровідників). В електролітах струм проявляє ще й хімічну дію, тобто спричинює хімічні реакції. В усіх випадках електричний струм супроводжується магнітною дією.

Напруга Uчисельно дорівнює роботі поля Аз переміщення заряду +1 Кл в напрямі силової лінії і вимірюється вольтметром: А = qU.

Електричне коло складається з джерела напруги, споживачів електрики, з'єднувальних провідників, вимірювальних приладів і елементів управління.

Амперметр вмикають в коло послідовно, а вольтметр - паралельно.

ВПРАВА №22

1.    Чи можна в досліді 22.2 з лампочкою замість дроту використовувати бавовняні нитки?

2.    Чому треба очищати дріт від ізоляції в місці контакту?

3.    Для чого дріт покривають ізоляцією?

4.    Чому на дротах ліній електропередач немає ізоляції?

5.    З якого металу зроблені провідники, що живлять усі прилади у вашій квартирі? Чи є на них ізоляція?

6.    Струм у провіднику йде, наприклад, зліва направо. В якому напрямі рухаються електрони?

7.    Чому напрям струму вибрано від «плюса» джерела до «мінуса»?

8.    Чому електрони в провіднику рухаються від «мінуса» до «плюса» джерела?

9.    Чи можна вважати струмом напрямлений рух одного електрона?

10.    Заряд 20 Кл проходить через поперечний переріз провідника за 5 с. Чому дорівнює сила струму?

11.    По провіднику йде струм З А. а) Який заряд пройшов через поперечний переріз провідника за 2 хв? б) Скільки електронів пройшло через поперечний переріз за цей час?

12.    Який заряд пройшов через поперечний переріз провідника за 5 са) згідно з графіком (мал. 22.2), б) згідно з графіком (мал. 22.3)1

13.    Який заряд пройшов через провідник за 6 с при рівномірному збільшенні сили струму від 4 до 8 А?

14.    Запишіть значення сили струму, що його показує цифровий амперметр (мал. 22.8).

15.    Запишіть значення напруги (мал. 22.7) з врахуванням абсолютної похибки приладу.

16.    З якою середньою швидкістю (в см/с) рухаються електрони в мідному провіднику перерізом 2,5 мм² при струмі 1 А? Концентрація вільних електронів в міді становить IO²³M^-3.

17.    Чому солона вода проводить струм (дослід 22.3)1

18.    Чому потрібно знежирити скріпки, використовуючи їх як електроди?

19.    Чи дійсно через чисту воду струм не йде?

20.    Чому лампочка світиться яскравіше (дослід 22.3), якщо у воді розчинити більше солі? Підтвердіть ваші міркування формулою.

21.    Чому струм не йде через розчин цукру (перевірте на досліді).

22.    Як рухаються електрони в провіднику при протіканні струму: зі сталою

чи змінною швидкістю?

23.    Назвіть вільні носії струму в ртуті.

24.    Припустимо, що електрон в атомі Пдрогену обертається по колу радіусом 0,5 А з частотою 1015 C¹(обертів за секунду), а) Яка сила струму (у мА) створюється рухом електрона? б) Зробіть малюнок, вказавши напрям руху електрона і напрям створеного ним струму.

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка