Как найти время электрического заряда

На этой странице вы узнаете

• Что общего у электрического тока с водой?
• В чем отличие сопротивления от удельного сопротивления?
• Почему нежелательно использовать телефон, подключенный к зарядке?
• Фамилия какого ученого стоит миллион?

«Все, кина не будет. Электричество кончилось». Наверное, никого не оставит равнодушным популярная фраза из широко известного фильма «Джентльмены удачи». Ведь действительно: бесит, когда сидишь за просмотром любимого сериальчика, вдруг — бамс! Вырубили свет, и зарядки ноута, как назло, не хватило. И не выработаешь электричество в домашних условиях, а жаль… Но вот понять, как оно работает — это мы сможем сделать в статье.

Электрический ток

В наше время трудно себе представить жизнь без электричества. Телевизор не посмотреть, телефон не зарядить, чай не попить… Ни один электроприбор в доме не будет работать без электричества. А объявление об отключении электроэнергии, вызывает тихий ужас.

Электричество — это форма энергии, которая существует в виде статических или подвижных электрических зарядов.

Сформулируем определение:

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.

Чтобы электрический ток существовал, необходимо выполнение следующих условий:

• наличие свободных заряженных частиц;
• наличие электрического поля;
• наличие замкнутой электрической цепи.

Основными количественными характеристиками электрического тока являются сила тока и напряжение.

Напряжение

Чтобы внутри цепи существовал электрический ток, цепь должна быть замкнута и между концами участка цепи должно существовать напряжение.

Напряжение  — скалярная (не имеющая направления) физическая величина, значение которой равно работе тока на участке цепи, совершаемой при переносе единичного электрического заряда из одной точки в другую.

Единица измерения U — В (Вольт) = (frac{Дж}{Кл})

Электрический ток – результат “труда” множества частиц. Они любят работать – не ленятся перемещаться из одного конца цепи в другой. И чем больше они будут работать, тем большее напряжение получится. Так запоминаем связь напряжения (U) с работой (A).

Услышав слова из известной песни Димы Билана «Это ты, это я, между нами молния, С электрическим разрядом 220 Вольт…» любой физик (и электрик) приобретает новую пару седых волосинок. Такое напряжение очень опасно для человека. Однако, 220 Вольт — это то самое напряжение в наших розетках!

Прибор для измерения напряжения — вольтметр. Он включается в цепь параллельно. Пример подключения представлен на рисунке:

Сила тока

Это еще одна немаловажная характеристика электрического тока.

Сила тока — это физическая величина, показывающая, какой заряд переносится через рассматриваемую площадь поперечного сечения за единицу времени . 

Единица измерения I — А (ампер) = (frac{Кл}{с}).

Представим, что внутри проводника «бежит» в одном направлении огромное количество заряженных частиц. Так вот, чем больше общий заряд частиц, пробегающих через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше будет значение силы тока. Это поможет вам запомнить зависимость силы тока (I) от электрического заряда (q).

Прибор для измерения силы тока — амперметр. Он включается в цепь последовательно. Пример подключения представлен на рисунке:

Направление тока совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.

Ответ: по часовой стрелке

Электрическое сопротивление

Оно является электрической характеристикой проводника.

Сопротивление — физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи.

Единица измерения R — Ом.

Удельное сопротивление проводника (p) можно посмотреть в специальной таблице в справочнике или в интернете. Для каждого материала будет свое значение. Мы приведем для примера лишь фрагмент такой таблицы.

Таблица удельных сопротивлений проводников

Металл	Удельное сопротивление,  Ом * (мм^2)/ м
Серебро	0,0015
Медь	0,018
Золото	0,023
Алюминий	0,029
Вольфрам	0,055
Железо	0,098

Получается, что прежде всего на то, каким будет сопротивление, влияют размеры проводника, его форма, материал, из которого он сделан. 

Удельное сопротивление проводника зависит также от температуры. Когда температура твердых тел увеличивается, то удельное сопротивление возрастает. А в растворах и расплавах — наоборот, уменьшается. В экзаменационных задачах случаи с изменением удельного сопротивления не рассматриваются, а вот в олимпиадных задачах такое встретить можно.

Давайте поразмышляем: что чему сопротивляется? 

Причина электрического сопротивления кроется во взаимодействии зарядов разного знака при протекании тока по проводнику. Это взаимодействие можно сравнить с силой трения, стремящейся остановить движение заряженных частиц.

Чем сильнее взаимодействие свободных электронов с положительными ионами в узлах кристаллической решетки проводника, тем больше сопротивление проводника.

Проводник с определенным постоянным сопротивлением называется резистор.

Вернемся к сравнению электрического тока с водой: как молекулы воды из крана движутся сверху вниз, так и электрический ток имеет определенное направление — от катода к аноду. Электрический заряд условно в нашем примере аналогичен массе воды, а напряжение — напору воды из крана.

Закон Ома

Сила тока, напряжение и сопротивление связаны между собой соотношением, которое называется закон Ома:

Для упрощенного понимания закона Ома можно использовать данный треугольник. Чтобы вспомнить формулу для нахождения той или иной величины, нужно ее закрыть рукой. Если оставшиеся открытыми величины стоят бок о бок, то они перемножаются друг с другом (U=IR). А если одна величина стоит выше другой, то в таком случае мы делим их друг на друга (I=U/R или R=U/I)

Данный закон справедлив для участка цепи, на который не действуют сторонние силы.

Работа и мощность электрического тока

Вернемся к понятию работы. Мы говорили, при перемещении заряда по проводнику электрическое поле совершает работу (А):

A = qU

Если мы выразим заряд из формулы силы тока q=It, то получим, формулу для расчета работы электрического поля (А) при протекании постоянного тока (или просто работа тока):

Единица измерения А — Дж (Джоуль).

В быту ток совершает работу длительное время, поэтому при определении затраченной электрической энергии используют единицу измерения кВт * ч. Киловатт в час — это энергия, которая потребляется устройством мощностью 1 кВт в течении 1 часа. Учитывая, что 1 ч=3600 с, получим:

1 кВт*ч = 1000 Вт * 3600 с = 3600000 Дж = 3600 кДж

Если же работу тока рассчитать за единицу времени, то мы получим мощность постоянного электрического тока.

Мощность — величина, обозначающая интенсивность передачи электрической энергии.

Единица измерения P — Вт (Ватт).

Средняя мощность тока равна:

(P = frac{A}{t} = frac{qU}{t} = IU = frac{U^2}{R} = I^2R)

Мощность электроприбора всегда указывается в документации, прилагающейся к нему. Кроме того, нередко ее пишут на самом приборе. Давайте посмотрим на утюг, или стиральную машину дома. Мы увидим, что утюг имеет мощность 1000 Вт, а обычная энергосберегающая лампочка, всего 40 Вт (на то она и сберегающая). Чем больше мощность прибора, тем больше энергии он будет потреблять. Примеры мощностей различных приборов представлены на рисунке.

Закон Джоуля — Ленца

Теперь же свяжем работу тока и теплоту, которая выделяется на проводнике за некоторое время t.

Почему так происходит?

Электрический ток оказывает тепловое действие на проводник. Количество теплоты, которое при этом выделяется, будет рассчитываться по закону Джоуля — Ленца:

Количество теплоты, выделяемое за время в проводнике с током, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивления проводника:

Единица измерения Q — Дж (Джоуль).

В электронагревательных приборах используются проводники с высоким сопротивлением, что обеспечивает выделение тепла на определенном участке. 

Так, проволоку из нихрома (сплав никеля с хромом) применяют в электронагревательных элементах, работающих при температуре до 1000 ℃ (резисторах, например). Нихром относится к классу сплавов с высоким электрическим сопротивлением, что определяет его применение в качестве электрических нагревателей. Этот сплав используется также в печах обжига и сушки и различных аппаратах теплового воздействия, например, в фенах, паяльниках или обогревателях.

Еще немного про электричество…

• Постоянный электрический ток используется в работе двигателей электротранспорта, схемах автомобилей, электронике и др.
• Электричество есть и в нашем организме. Мышечные клетки сердца при сокращении производят электроэнергию, эти импульсы можно измерить с помощью электрокардиограммы (ЭКГ).
• Бенджамин Франклин (да-да, президент Америки) провел множество опытов в 18 веке и создал громоотвод. Также он является человеком, который вывел закон сохранения электрического заряда.
• В древности люди считали, что, если молния ударила в курган, значит, там зарыто сокровище.

Термины

Источник тока — устройство, разделяющее положительные и отрицательные заряды.

Сторонние силы — силы неэлектрического происхождения, вызывающие разделение зарядов в источнике тока.

Фактчек

• Сила тока — это физическая величина, показывающая, какой заряд переносится через рассматриваемую площадь поперечного сечения за единицу времени: (I = frac{q}{t})
• Напряжение — скалярная физическая величина, равная отношению полной работы кулоновских и сторонних сил А при перемещении положительного заряда на участке цепи к значению этого заряда: (U = frac{A}{q})
• Сопротивление — физическая величина, характеризующая электрические свойства участка цепи: (R = frac{pl}{S})
• Мощность  — величина, обозначающая интенсивность передачи электрической энергии: (P = frac{A}{t})
• Закон Ома: сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении: (I = frac{U}{R}).
• Закон Джоуля— Ленца: количество теплоты Q, выделяемое за время t  в проводнике с током, пропорционально произведению квадрата силы тока I на этом участке и сопротивления R проводника: Q = I²Rt.
• Работа электрического поля при протекании постоянного тока (или просто работа тока): А = UIt.

Проверь себя

Задание 1.
Упорядоченное движение заряженных частиц — это:

1. электрическое поле
2. электрический ток
3. электрическая мощность
4. работа тока

Задание 2.
Удельное сопротивление проводника:

1. зависит от температуры
2. не зависит от температуры 
3. зависит от силы протекающего через проводник тока
4. не зависит от напряжения

Задание 3.
Формула для расчета силы тока:

1. I = Ut
2. I = UIt
3. I = I²Rt
4. (I = frac{q}{t})

Задание 4. 
Что такое мощность электрического тока:

1. работа за единицу времени
2. отношение заряда к единице времени
3. произведение силы тока на сопротивление
4. тепло, выделяемое на резисторе

Задание 5. 
Причина электрического сопротивления:

1. во взаимодействии зарядов одинакового знака
2. в отсутствии взаимодействия между зарядами
3. во взаимодействии зарядов разного знака
4. в передаче тепла

Ответы: 1.— 2; 2. — 1; 3.— 4; 4.— 1; 5. — 3.

Как найти время зная силу тока и заряд? Формулу пожалуйста

При
перемещении электрического заряда q
из точки 1 в точку 2 электрическое поле
совершает работу

,
(7.1)

где

– разность потенциалов или напряжение

.

Как известно,
сила тока определяется, как заряд,
протекающий через поперечное сечение
провода за единицу времени, т.е.

. (7.2)

Если известна
зависимость силы тока

,
то из (7.2) можно выразить заряд, протекающий
за малый промежуток времени:

, (7.3)

и преобразовать
формулу (7.1) следующим образом:

, (7.4)

где


– электрическая мощность.

Используя
закон Ома для однородного участка цепи

,
и подставляя его в (7.4), получим закон
Джоуля-Ленца:

(7.5)

В формуле
(7.5) учтено то обстоятельство, что работа
электрического поля, совершенная над
электрическими зарядами, не приводит
к увеличению их кинетической энергии,
а выделяется в виде тепла

.

Таким образом,
из (7.5) можно рассчитать тепло, выделившееся
в сопротивлении

за любой промежуток времени:

(7.6)

Задача 9.

По проводу
сопротивлением

= 20 Ом течет переменный электрический
ток. Сила тока изменяется по закону

,

где А = 3
А,  = 1 с. Чему равно
количество теплоты, выделившейся в
проводе за промежуток времени от

до

= 2 с?

Решение:

Подставим
функцию силы тока от времени в формулу
(7.6):

Дж

Ответ: Q = 18 МДж

Задача 10.

По проводу
сопротивлением

= 20 Ом течет переменный электрический
ток. Сила тока изменяется по закону

,

где А = 3
А/с,

рад/с. Чему равно количество теплоты,
выделившейся в проводе за промежуток
времени от

до

= 2 с?

Решение:

Подставим
функцию силы тока от времени в формулу
(7.6):

Ответ: Q = 180 Дж

7.1 По проводу сопротивлением

течет переменный электрический ток.
Сила тока изменяется по закону

а)

;
б)

;
в)

;
г)

;

д)

;
е)

;
ж)

.

А,

Ом,

с,  = 1 с.

Чему равно
количество теплоты, выделившейся в
проводе за время

?

Ответы: а) 0,33
Дж; б) 0,20 Дж; в) 0,14 Дж; г) 0,11 Дж;

д) 250 мДж; е) 167 мДж; ж) 50 мДж;

7.2 По
проводу сопротивлением

течет переменный электрический ток.
Сила тока изменяется по закону

а)

;
б)

.

Чему равно
количество теплоты, выделившейся в
проводе за время

?

А,

Ом,

рад/с,

с

Ответы: а) 500 мДж; б) 500 мДж

7.3 По
проводу сопротивлением

течет переменный электрический ток.
Сила тока изменяется по закону

.
Чему равно количество теплоты, выделившейся
в проводе за время

?

А,

Ом,

с^–1,

с

Ответ: 432 мДж

7.4э. Напряженность
электрического поля в проводнике
увеличили в 2 раза. Как изменилась
удельная тепловая мощность (тепло,
выделяющееся за единицу времени в
единице объема)?

а) увеличилась
в 2 раза; б) увеличилась в 4 раза;

в) увеличилась
в 8 раз; г) уменьшилась в 2 раза.

8. Заряд, прошедший через поперечное сечение проводника

Используя
формулу (7.3), можно найти количество
электричества, т.е. электрический заряд,
прошедший через поперечное сечение
провода за любой промежуток времени

(8.1)

Задача 11.

Используя
условие задачи 9, найти полный заряд,
прошедший через поперечное сечение
провода за промежуток времени от

до

 с.

Решение:

Используем
формулу (8.1):

Кл.

Ответ: q
= 559 Кл

Задача 12

Используя
условие задачи 10, найти полный заряд,
прошедший через поперечное сечение
провода за промежуток времени от

до

 с.

Решение:

Используем
формулу (8.1):

Кл.

Ответ: q
= 3,82 Кл

8.1 По проводу сопротивлением

течет переменный электрический ток.
Сила тока изменяется по закону

а)

;
б)

;

в)

г)

.

Чему равен
заряд, прошедший через поперечное
сечение провода за время

?

А,

А,

Ом, t₁ = 
= 1 с

Ответы: а) 833 мКл б) 750 мКл; в) 583 мКл; г) 367
мКл

8.2 По
проводу сопротивлением

течет переменный электрический ток.
Сила тока изменяется по закону

а)

;б)

.

Чему равен
заряд, прошедший через поперечное
сечение провода за время

?

А,

рад/с,

Ом,

с

Ответы: а) 477 мКл; б) 0,83 Кл

8.3 По
проводу сопротивлением

течет переменный электрический ток.
Сила тока изменяется по закону

а)

;
б)

.
Чему равен заряд, прошедший через
поперечное сечение провода за время

?

А,

рад/с,

Ом,

с

Ответы: а) 500 мКл; б) 0,50 Кл

8.4 По
проводу сопротивлением

течет переменный электрический ток.
Сила тока изменяется по закону

.
Чему равен заряд, прошедший через
поперечное сечение провода за время

?

А,

с^–1,

Ом,

с

Ответ: 632 мКл

8.5э. Сила тока, текущего по проводнику,
меняется во времени, как показано на
рисунке. Какой заряд протечет сквозь
поперечное сечение проводника в
промежуток времени

о
т
t₁ = 1 c
до t₂ = 3 c?

а) 7 Кл; б) 12 Кл; в) 10,5 Кл; г) 1,5 Кл.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #