фізика 8/21

 2022-2023 навчальний рік

І семестр

01.02.2022

Уроки 1,2

Тема 1. Постійний електричний струм. 

Тема 2. Послідовне і паралельне з'єднання провідників

Завдання:

1. Опрацювати теоретичний матеріал, нище за посиланням
2. Записати конспект в зошит
3. Відповісти на запитання в зошиті письмово

§ 1. Електричний струм

«Рух нематеріальної рідини» — напевно, так назвав би електричний струм творець першої теорії про електрику американський фізик і політик Бенджамін Франклін (1706-1790). Зараз ви добре знаєте, що електричний струм являє собою рух саме матеріальних частинок, а от порівняння з рідиною залишається слушним. Про те, що таке електричний струм, за яких умов він виникає та які фізичні величини його характеризують, згадаємо в цьому параграфі.

1. Умови існування електричного струму

Розглянемо металевий провідник. Метали — це полікристалічні речовини, у вузлах кристалічних ґраток яких розташовані позитивні йони; між йонами «мандрують» вільні електрони, здійснюючи рух, подібний до руху молекул газу (рис. 1.1). Якщо в металевому провіднику створити електричне поле, то вільні електрони, не припиняючи свого хаотичного руху, починають зміщуватись у бік, протилежний вектору напруженості електричного поля, тобто рух електронів стає напрямленим — у провіднику виникає електричний струм.

Електричний струм — це напрямлений (упорядкований) рух частинок, які мають електричний заряд.

Рис. 1.1. За відсутності електричного поля електрони в металевому провіднику рухаються хаотично

Зрозуміло, що створювати електричний струм можуть не тільки електрони. Так, в електролітах унаслідок дії електричного поля зміщуються позитивні й негативні йони, а в газах — електрони та позитивні й негативні йони.

• Чому позитивні йони зміщуються в напрямку напруженості електричного поля, а негативні — в протилежному напрямку?

Нагадуємо

Для виникнення та існування електричного струму є необхідними дві умови:

• 1) наявність вільних заряджених частинок — носіїв струму;
• 2) наявність електричного поля, дія якого створює та підтримує напрямлений рух вільних заряджених частинок.

За створення електричного поля «відповідають» джерела струму — пристрої, які перетворюють різні види енергії на електричну енергію. У джерелах струму виконується робота з розділення різнойменних електричних зарядів, у результаті чого один полюс джерела набуває позитивного заряду, а другий — негативного; у такий спосіб створюється електричне поле.

Найпоширенішими джерелами струму є електромеханічні генератори, в яких механічна енергія перетворюється на електричну. Останнім часом широко застосовують сонячні батареї — джерела струму, в яких на електричну енергію перетворюється енергія світла.

• Які ще джерела електричного струму ви знаєте? Які перетворення енергії в них відбуваються?

2. Що таке електричне коло

Найпростіше електричне коло являє собою з’єднані провідниками в певному порядку джерело струму, споживач електричної енергії, замикальний (розмикальний) пристрій.

Креслення, на якому умовними позначеннями (див. таблицю) показано, з яких елементів складається електричне коло та в якій послідовності вони з’єднані між собою, називають електричною схемою.

Умовні позначення деяких елементів електричного кола

Зверніть увагу:

• за напрямок струму в електричному колі прийнято напрямок, у якому рухалися б по цьому колу позитивно заряджені частинки, тобто напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного;
• в умовному позначенні гальванічного елемента довга риска позначає позитивний полюс джерела, а коротка — негативний.

3. Закон Ома для ділянки кола

Для кількісного опису струму в провіднику застосовують такі фізичні величини: сила струму (характеризує власне електричний струм), напруга (характеризує поле, яке створює струм), опір (характеризує провідник). Згадаємо їх.

* Тут і далі в дужках наведено міжнародні позначення одиниць СІ.

4. Учимося розв'язувати задачі

Задача. На рисунку подано вольт-амперну характеристику циліндричного провідника, який має довжину 250 м і площу поперечного перерізу 3,5 мм2. Із якого металу виготовлений провідник?

Аналіз фізичної проблеми. Дізнатися, з якого металу виготовлений провідник, можна, якщо визначити його питомий опір і скористатися відповідною таблицею (див. Додаток 1).

Питомий опір металу знайдемо з формули для визначення опору циліндричного провідника. Опір обчислимо, скориставшись законом Ома та графіком залежності I(U). Відповідно до графіка за напруги, наприклад, 2 В сила струму в провіднику становить 10 А.

ПРОФЕСІЇ МАЙБУТНЬОГО

Безумовно, ви вже розумієте, що наш світ змінюється і багато професій, які є популярними зараз, зникнуть у майбутньому Тож яку професію обрати, щоб не помилитися? Чи потрібен шкільний курс фізики для оволодіння навичками майбутньої професії? Стислі відомості про деякі перспективні професії ви знайдете на сторінках підручника.

Фахівець з ремонту та обслуговування роботів

Навіть малюкам відомо про наближення ери роботів. Але роботи, як і інші механізми, потребують обслуговування: налаштування, заміни зіпсованих частин тощо. Для такої роботи треба бути фахівцем з електрики та електроніки, знавцем у програмуванні.

Кількість роботів буде зростати, відповідно зростатиме попит на їх обслуговування. Тож фахівці з ремонту та обслуговування роботів — одна із професій майбутнього.

Підбиваємо підсумки

• Електричний струм — це напрямлений (упорядкований) рух частинок, які мають електричний заряд. Для виникнення та існування електричного струму необхідна наявність вільних заряджених частинок (носіїв струму) та електричного поля. За напрямок струму в електричному колі прийнято напрямок, у якому рухалися б по цьому колу позитивно заряджені частинки (напрямок від позитивного полюса джерела струму до негативного).

Контрольні запитання

1. Що таке електричний струм? Якими є умови його виникнення та існування? 2. Які пристрої називають джерелами електричного струму? Наведіть приклади. 3. Відтворіть, як позначають на електричних схемах гальванічний елемент; резистор; реостат; амперметр; вольтметр; ключ. Для чого призначені ці пристрої? 4. Що прийнято за напрямок струму в колі? 5. Дайте характеристики фізичних величин: сила струму в колі; напруга на ділянці кола; опір провідника; питомий опір. 6. Сформулюйте закон Ома для ділянки кола.

Фізика і техніка в Україні

Борис Євгенович Патон (народ. 1918 р.) — український учений, світову славу якому принесли дослідження в галузі електродугового зварювання. У 1953 р. Борис Євгенович став директором Інституту електрозварювання імені Є. О. Патона (Київ). Учений очолив дослідження, у результаті яких було створено електрошлаковий процес для підвищення якості іржостійких сталей. За ініціативи Б. Є. Патона започатковано зварювання в космосі. Він втілив у практику зварювання тканин людини під час хірургічних операцій. Ця методика зберегла життя тисячам хворих і зараз використовується в усьому світі.

Із 1962 р. Б. Є. Патон є незмінним президентом Національної академії наук України.

У 2018 р. вчений відзначив свій 100-річний ювілей. З нагоди цієї події він був нагороджений ЮНЕСКО Золотою медаллю Аристотеля, а також державними нагородами багатьох країн.

§ 2. Послідовне і паралельне з'єднання провідників. Шунти і додаткові опори

Згадайте: якщо в ялинковій гірлянді псується одна з ламп, то всі лампи, розташовані у цій вітці, перестають світитися, при цьому інші вітки працюють. Чому так? А чому лампи в гірлянді, які розраховані на напругу 10 В, не виходять з ладу незважаючи на те, що напруга в мережі 220 В?

Сподіваємося, що ви пам'ятаєте курс фізики 8-го класу і розумієте, що річ у з'єднанні ламп. Згадаємо види з'єднання провідників та основні властивості цих з'єднань.

1. Послідовне з'єднання провідників

З’єднання провідників називають послідовним, якщо воно не містить розгалужень, тобто провідники розташовані послідовно один за одним (рис. 2.1). Зрозуміло, що таким чином можна з’єднати будь-яку кількість провідників.

Рис. 2.1. Схема електричного кола, яке містить послідовно з'єднані провідники

Як приклад розглянемо ділянку кола, яка містить два послідовно з’єднані резистори, а потім узагальнимо отримані співвідношення для будь-якої кількості послідовно з’єднаних провідників.

Зверніть увагу:

• загальний опір провідників, з’єднаних послідовно, більший за опір кожного із цих провідників;
• загальний опір послідовно з’єднаних провідників опором R0 кожен дорівнює: R = nR0, де n — кількість провідників.

• Поясніть, чому лампи в ялинковій гірлянді, які розраховані на напругу 10 В, не виходять із ладу незважаючи на те, що напруга в мережі 220 В.

2. Паралельне з'єднання провідників

З’єднання провідників називають паралельним, якщо для проходження струму є два чи більше шляхів — віток, а всі ці вітки мають одну пару спільних точок — вузлів (рис. 2.2). У вузлах (вузлових точках) відбувається розгалуження кола (у кожному вузлі з’єднуються не менш ніж три проводи). Отже, розгалуження є характерною ознакою кола з паралельним з’єднанням провідників.

Рис. 2.2. Схема електричного кола, яке містить паралельно з'єднані провідники. В і С — вузлові точки (вузли)

Розглянемо ділянку кола, яка містить два паралельно з’єднані резистори.

Зверніть увагу:

• Доведіть останні два твердження, скориставшись співвідношеннями для паралельно з’єднаних провідників.

3. Для чого потрібні шунти і додаткові опори

Як і будь-які прилади, амперметр і вольтметр мають верхню межу вимірювання — найбільше значення фізичної величини, яку можна виміряти даним приладом. Але якщо до амперметра чи вольтметра приєднати резистор певного опору, то межі вимірювання цих приладів можна збільшити.

4. Учимося розв'язувати задачі

Задача. Ділянка кола складається з однакових резисторів опором 8 Ом кожен (схема 1). На ділянку подано напругу 31,2 В. Визначте загальний опір ділянки, напругу на резисторі 2, силу струму в резисторах 1 і 6.

Схема 1

Аналіз фізичної проблеми. Електричне коло містить змішане з’єднання провідників. Тому будемо покроково спрощувати подану схему 1 і, користуючись законом Ома та співвідношеннями для послідовного і для паралельного з’єднань провідників, знаходити значення шуканих величин.

Підбиваємо підсумки

• Якщо ділянка кола містить n послідовно з’єднаних провідників:

— сила струму в усіх провідниках є однаковою і дорівнює загальній силі струму в ділянці: I1 = І2 = ... = In = I;

— напруга на ділянці дорівнює сумі напруг на окремих провідниках: U = U1 + U2 + ... + Un;

— напруга на всіх провідниках є однаковою і дорівнює напрузі на ділянці: U1 = U2 = ... = Un = U;

— опір ділянки дорівнює сумі опорів провідників: R = R1 + R2 + ... + Rn.

• Якщо ділянка кола містить п паралельно з’єднаних провідників:

— напруга на всіх провідниках є однаковою і дорівнює напрузі на ділянці: U1 = U2 = ... = Un = U;

Контрольні запитання

1. Яке з’єднання провідників називають послідовним? Які співвідношення справджуються для цього з’єднання? Доведіть їх. 

2. Яке з’єднання провідників називають паралельним? Які співвідношення справджуються для цього з’єднання? Доведіть їх. 

3. Як можна збільшити верхню межу вимірювання вольтметра? 4. У якому випадку і як шунтують амперметри?