Електричний струм, електричне коло. Закони постійного струму. Закон Ома для повного кола, прояв у ньому загальних законів природи. Робота і потужність струму.

Методична розробка заняття з фізики

Електричний струм, електричне коло. Закони постійного струму. Закон Ома для повного кола, прояв у ньому загальних законів природи. Робота і потужність струму.

2022р.

Предмет: фізика.

Тема. Електричний струм, електричне коло. Закони постійного струму. Закон Ома для повного кола, прояв у ньому загальних законів природи. Робота і потужність струму.

       Навчальна мета: опанування учнями законів Ома,  та 

        понять   послідовного і паралельного з’єднання провідників, 

       електричного  струму, роботи, потужності, внутрішнього

       опору, електрорушійної  сили. Сформувати навичк

       застосування законів Ома, послідовного і паралельного

       з’єднання провідників при розв'язуванні різноманітних

       задач. Розвивати вміння застосовувати отримані знання в

       повсякденному житті та своїй майбутній професії.

 Розвивальна мета: розвивати логічне мислення та пам'ять.

Виховна мета: виховувати спостережливість, кмітливість.

Обладнання: презентація, відеосюжет.

ХІД ЗАНЯТТЯ

1. Організаційний момент.  

II. Перевірка домашнього завдання.

• Тестові завдання.

1.              Два провідники, між якими знаходиться діелектрик називаються:

А) Реостат.

Б) Лампочка.

В) Конденсатор.

Г) Гальванометр.

2) Фізична величина, яка дорівнює відношенню модуля заряду однієї з пластин до різниці потенціалів називається?

А) Енергія.

Б) Сила.

В) Плавлення.

Г) Електроємність.

3) Які з’єднання конденсаторів вам відомі?

А) Паралельне.

Б) Послідовне.

В) Змішане.

Г) Колове.

4) Який діелектрик міститься в повітряному конденсаторі?

А) Слюда.

Б) Папір.

В) Повітря.

Г) Вода.

5) Вкажіть формулу вираження енергії конденсатора.

            А)                                        В)
 

                           Б)                                   Г)
6) Вкажіть значення електричної сталої:

А) 4,78 Кл/Нм.

Б) 8,85 ·10^-12 Кл²/Нм².

В) 88,5 ·10^-18 Кл²/Нм².

Г) 8,89 ·10^-10 Кл²/Нм.

7) Вид матерії, через який взаємодіють електричні заряди, називається?

А) Магнітне поле.

Б) Силове поле.

В) Електричне поле.

Г) Фізичне поле.

8) Силовою характеристикою електричного поля називають…

А) Заряд.

Б) Потенціал.

В) Напруженість.

Г) Потужність.

9) Як називають електричне поле з нерухомими зарядами?

А) Магнітне.

Б) Сильне.

В) Потенціальне.

Г) Електростатичне.

10) Який напрям має вектор напруженості в електричному полі створеному позитивним зарядом?

А) До заряду.

Б) Від заряду.

В) Не має напряму.

Г) По дотичній.

Відповіді до тестового завдання:

2) Інтерактивна вправа  «Салют»

1. Що таке конденсатор? (Конденсатор – система, що складається з двох провідників, розділених шаром діелектрика).

2. Які види конденсаторів вам відомі? (Повітряні, слюдяні, паперові, керамічні).

3. Дайте поняття електричного поля? (Електричне поле – вид матерії, через який взаємодіють електричні заряди).

4. Запишіть формулу ємності для плоского конденсатора.   ().

5. Де застосовують конденсатори? (Конденсатори використовують у радіоелектроніці).

6. В яких одиницях вимірюють електроємність конденсатора? (У фарадах).

7. Що таке  провідники? (Провідники – це речовини, що добре проводять електричний струм).

III. Вивчення нового матеріалу.

План

1.              Поняття про електричний струм. Величина струму.
2.              Закон Ома для ділянки кола.
3.              Закон Джоуля - Ленца
4.              Послідовне і паралельне сполучення провідників.
5.               Електрорушійна сила. Закон Ома для повного кола.  Прояв у ньому загальних   законів природи                                         

1. Поняття про електричний струм. Величина струму.

Напрямлений потік носіїв заряду у вакуумі або речовині називають електричним струмом провідності, або просто електричним струмом.

Залежно від типу носіїв заряду в речовині розрізняють електронний та іонний механізми провідності. Всі метали, в яких електричний струм створюється напрямленим рухом вільних електронів, мають електронний механізм провідності. До речовин з електронним механізмом провідності належать також усі напівпровідникові матеріали, які використовуються в сучасній техніці для виготовлення діодів, транзисторів та інших приладів.

Іонний механізм провідності мають усі електроліти, як рідкі, так і тверді (наприклад, кристали хлористого натрію). Характерною ознакою іонної провідності є перенесення речовини між електродами при проходженні постійного струму. Зрозуміло, що речовина електроліту при цьому розкладається. Через це тверді напівпровідники з іонним механізмом провідності в сучасній техніці для виготовлення радіотехнічних приладів не використовують.

Електропровідність, зумовлену напрямленим рухом вільних електронів та іонів, називають мішаною. Мішану провідність має, зокрема, плазма.

Величиною струму називається скалярна фізична величина, яка вимірюється кількістю електрики, що переноситься через поперечний переріз провідника за одиницю часу. Якщо за однакові проміжки часу через довільні перерізи провідника переносяться однакові кількості електричного заряду, то такий струм називається постійним (за величиною і напрямом).

q – заряд(Кл).

Одиниця величини струму [I] = Кл/с = А (ампер).

Оскільки заряд  q і час  t – скаляри, то й величина струму – скалярна величина.

Історично склалось так, що за напрям електричного струму умовно прийняли напрям руху позитивних електричних зарядів, хоч у металевих провідниках електричний струм створюється рухом електронів у протилежному напрямі.

2. Закон Ома для ділянки кола.

Німецький фізик Георг Ом у 1827 р. експериментально довів, що сила струму I в провіднику прямо пропорційна напрузі U на його кінцях. Одиниця вимірювання опору [R] = В/А = 1/См = Ом. Тоді закон Ома можна записати ще й так:                           

.   .

Опір однорідного провідника з незмінним перерізом прямо пропорційний його довжині l і обернено пропорційний площі поперечного перерізу S, тобто

,

де  – коефіцієнт пропорційності, який називається питомим опором матеріалу. Одиниця вимірювання питомого опору [ρ] = . Найменший питомий опір мають срібло (16 ) і мідь (17 ). В електротехніці провідники виготовляють з міді або алюмінію. При однакових опорах алюмінієвий провідник буде товстіший від мідного, але алюміній має меншу питому вагу ( кг/м³ для міді і кг/м³ для алюмінію). Тому в деяких випадках доцільніше брати алюмінієвий провідник ( = 26 ).

3. Закон Джоуля – Ленца

Електричний струм виконує на будь-якій ділянці кола певну роботу. Візьмемо довільну ділянку кола, між кінцями якої існує напруга U. За означенням електричної напруги робота, яка виконується при переміщенні одиниці заряду між кінцевими точками ділянки кола, дорівнює U. Якщо величина струму на ділянці кола дорівнює I, то за час t через поперечний переріз проводу пройде заряд It, і тому робота електричного струму на цій ділянці дорівнюватиме:

.

Якщо величина струму визначається законом Ома (в нерухомому металевому провіднику), то з урахуванням закону Ома можна знайти кількість теплоти, виділеної на ділянці кола

.

Ця формула виражає закон Джоуля - Ленца, до якого незалежно один від одного експериментальне прийшли Джоуль і Ленц.

Потужність струму, тобто робота за одиницю часу, дорівнює

.

Одиниця потужності [P] = Вт , одиниця роботи [A] = Дж. Оскільки Дж = Вт·с, то роботу в один джоуль називають ще ват-секундою. Користуються також такими одиницями, як ват-година (3600 Дж) і кіловат-година (3,6 МДж).

4. Послідовне і паралельне сполучення провідників.

В електротехніці та радіотехніці використовують спеціальні елементи електричного кола, які мають великий опір при невеликих розмірах. Такі елементи називають резисторами. Це може бути, наприклад, довгий тонкий дріт із матеріалу з великим питомим опором, намотаний на керамічний циліндр і вкритий захисною фарбою. На схемах резистор зображується довгастим прямокутником. Опір провідників, що з’єднують резистори та інші елементи кола, порівняно малий і його звичайно не беруть до уваги.

При послідовному сполученні провідників (резисторів) з опорами R₁, R₂, R₃,… через всі провідники тече однаковий струм I. Напруга на кінцях ділянки кола дорівнює сумі напруг на окремих провідниках:

.

Звідcи робимо висновок, що повний опір ділянки кола при послідовному сполученні провідників (резисторів) дорівнює сумі опорів окремих провідників (резисторів).

При паралельному сполученні провідників (резисторів) з опорами R₁, R₂, R₃, … напруга U на всіх провідниках однакова. Величина струму I в нерозгалужених кінцевих ділянках дорівнює сумі струмів через провідники з опорами R₁, R₂, R₃, …, тобто

.

Таким чином, повний опір R паралельно сполучених провідників (резисторів) можна знайти з формули

.

5. Електрорушійна сила. Закон Ома для повного

кола.  Прояв у ньому загальних   законів природи та медицини.                                         

Не можна отримати в провіднику постійний струм, користуючись для створення напруги на кінцях провідника зарядженими конденсаторами. Справді, наявність струму завжди супроводжуватиметься переходом зарядів з однієї обкладки на іншу і притому в такому напрямі, що заряди обкладок зменшуватимуться. Внаслідок цього безперервно зменшуватиметься напруга між обкладками і, за законом Ома, величина струму в провіднику спадатиме.

Щоб дістати постійний струм, на заряди в електричному полі повинні діяти якісь інші сили, відмінні від сил електростатичного поля. Такі сили називаються сторонніми силами. Будь - який  пристрій, в якому виникають сторонні сили, ми називаємо джерелом струму.

Джерело має два полюси: позитивний,  або анод (на схемах зображується довгою тонкою рискою), і негативний, або катод (позначається короткою грубою рискою). Слово анод походить від грецького “шлях у гору”, катод - від “спуск”. До полюсів приєднується споживач енергії з опором R. Як і всякий провідник, джерело має опір, який називається внутрішнім опором і позначається через r.

Сторонні сили виникають всередині джерела внаслідок перетворення якоїсь енергії на електричну: механічної в електромагнітних генераторах і електрофорній машині, хімічної в гальванічних елементах і акумуляторах, теплової в термоелементах тощо. Якщо кулонівські сили спричиняють зустрічний рух різнойменних електричних зарядів і призводять до вирівнювання потенціалів і зменшення електричного поля всередині провідника, то сторонні сили зумовлюють розведення різнойменних зарядів і підтримують різницю потенціалів на клемах джерела.

Сторонні сили виконують роботу, потрібну для розведення електричних зарядів. Величину роботи, яку виконують сторонні сили при переміщенні одиничного електричного заряду, називають електрорушійною силою (ЕРС) і позначають через Е. Тоді , де А_стор – робота сторонніх сил при переміщенні заряду q.

Якщо напрузі U умовно надати напряму напруженості поля кулонівських сил, а електрорушійній силі – напряму, в якому сторонні сили переміщують позитивні заряди, то всередині джерела ЕРС буде напрямлена від негативного полюса до позитивного і діятиме проти напруги на полюсах. ЕРС джерела вимірюється у вольтах. Сама назва “електрорушійна сила” невдала, бо ЕРС характеризує джерело не з силового, а з енергетичного боку.

Закон Ома для повного кола

Розглянемо ділянку 1 – 2 електричного кола, на якій діє джерело струму з ЕРС і внутрішнім опором r. Ділянка кола, що містить ЕРС, називається неоднорідною. Кінцеві точки ділянки мають потенціали і . Напрям від точки 1 до точки 2 будемо вважати додатним. Величину струму I будемо вважати додатною, якщо струм тече в додатному напрямі. ЕРС будемо вважати додатною, якщо її напрям збігається з додатним напрямом.

Коли одиничний позитивний заряд переходить від точки 1 до точки 2, кулонівські сили виконують роботу, що дорівнює різниці потенціалів , сторонні сили виконують роботу. В інші види енергії перетворюється кількість електричної енергії . Згідно із законом збереження і перетворення енергії

.

Одержано закон Ома для неоднорідної ділянки кола 1 - 2, на якій діє ЕРС з внутрішнім опором r.

Розглянемо тепер замкнуте, або повне електричне коло. У такому випадку переріз 2 збігається з перерізом 1. Тоді , і з закону Ома для ділянки кола маємо:

.

0держано формулу закону Ома для замкнутого кола.

Струм лікує?

Вже близько 200 років у медицині електричний струм використовуєтся для лікування(напруга 60-80 В, сила струму 40-50 мА)

Ще з часів Римської імперії збереглися записи про те, що придворний лікар імператора
Клавдія Скрібоній Ларг лікував своїх співвітчизників за допомогою електричних скатів. Цілитель прикладав цих риб до голів людей, які страждали від сильного головного болю. Тоді ніхто до пуття не міг пояснити, як діють «ліки»

Однак до XIX століття вже стало відомо про те, що скати вражають свою жертву електричним зарядом. Відомий німецький вчений Еміль Дюбуа-Реймон  виявив зв'язок з електрикою у діяльності майже всіх внутрішніх органів, заклавши тим самим основи для розвитку цілого напряму в біології - електрофізіології. Серед його учнів ходила легенда про те, як він зробив на власній руці поріз і став пропускати через рану слабкий електричний струм. У результаті рана зажила.

Пам'ятається, в оповіданні Артура Конан Дойла «Фіаско в Лос-Амігос» через засуджену до страти людину пропустили електричний струм під напругою 12 тисяч вольт. Згідно з фантазією автора, це зробило героя невразливим і практично безсмертним. На жаль, завдання не вирішується так просто. Але з'ясувати, за яких умов електрика лікує, а за яких - вбиває, цілком реально. Дослід показав, яке значення має конкретна конфігурація електричного поля, створюваного всередині організму зовнішнім джерелом. За словами вчених, саме від напрямку поля і його напруженості залежить швидкість відновлення тканин. Це пояснює і маніпуляції Скрібонія Ларга зі скатами - адже римський лікар прикладав електричних риб до хворих місць, а напруга, створювана ними знаходилася в межах 20-30 вольт. Як раз «те, що лікар прописав».

Отже, під дією струму відбувається місцеве подразнення нервових закінчень, знімається біль. Під дією електричного поля іони лікарських розчинів попадають у людському організмі (іонофорез).Ліки при такому методі введення не руйнуються та довше затримуються в тканинах організму.

IV. Закріплення вивченого матеріалу.

При підключенні лампочки до батареї елементів із ЕРС 4,5 В вольтметр показав напругу на лампочці 4 В, а амперметр силу струму 0,25 А. Який внутрішній опір батареї?

2.Задача

При підключенні електромагніта до джерела ЕРС 30 В і внутрішнім опором 2 Ом напруга на затискачах джерела 28 В, Як визначити роботу, яку виконують сторонні сили за 5 хв, роботу струму в зовнішній частині кола, внутрішній частині кола, за той же час і силу струму в колі.

V. Підсумок заняття.

Викладач підводить загальний підсумок по проведеному заняті.  Відмічає в цілому роботу групи і прізвища активних та пасивних студентів. Уразі необхідності призначає консультації для окремих студентів.

Викладач вказує, що на наступному занятті буде продовження вивчення питань цієї теми.

VI. Домашнє завдання.