Меню

График зависимости разности потенциалов от силы тока

Сила тока. Электродвижущая сила. Разность потенциалов

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц (тел). За направление движение электрического тока условно принимают направление движения положительных зарядов. Проходящий через какую-то поверхность электрический ток характеризуется силой тока I. Сила тока является скалярной величиной, численно равная количеству электричества, проходящего через площадь S за единицу времени:

Сила тока формула

Если за любые равные промежутки времени через любое сечение проводника проходит одинаковое количество электричества с неизменным направлением зарядов, то такой ток называется постоянным:

Постоянный ток формула

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) является основной и носит название Ампер. Из уравнения (1а) следует определение единицы заряда:

Определение единицы заряда

В системе СГС сила тока измеряется в СГСI, согласно (1а) получим:

Сила тока в системе СГС

Распределение электрического тока по сечению проводника характеризуют плотностью тока, которую можно выразить формулой:

Плотность тока формула

В случае постоянного тока его плотность будет одинакова и равна:

Плотность постоянного тока формула

Плотность тока j является векторной величиной, направленной вдоль тока и численно равная количеству электричества, протекающему через единицу площади, ориентированной перпендикулярно направлению протекания тока, за единицу времени, в системе СИ плотность тока измеряют в А/м 2 .

Важно отметить, что различают несколько видов электрического тока. Предположим, что в пространстве перемещается какое-то заряженное макроскопическое тело (шар, например). Поскольку вместе с этим телом будут перемещаться и заряды, то возникнет направленное движение электрических зарядов – электрический ток. Электрический ток, связанный с движением заряженных макроскопических тел называют конвекционным.

Если огромное количество заряженных частиц упорядоченно перемещаются внутри какого-нибудь тела вследствие того, что в нем создано электрическое поле, то данное явление будет носить название ток проводимости. Для его получения необходимо наличие источника тока и замкнутой цепи. Вектор напряженности поля Е имеет направление от положительного заряда к отрицательному. Отсюда следует, что находящиеся внутри проводника отрицательные заряженные частицы будут двигаться против поля, а положительные – по полю.

Если электрические заряды движутся под влиянием внешнего поля в вакууме, то данное явление называют электрический ток в вакууме.

Более детально остановимся на отдельных закономерностях, которые больше характерны для тока проводимости.

Представим, что на концах определенного проводника длиной l существует разность потенциалов Δφ = φ1 – φ2, которая создает внутри этого проводника электрическое поле Е, направленное в сторону падения потенциала (рисунок ниже):

Электрическое поле направленное в сторону падения потенциала

Электрическое поле проводника длиной l

При этом в проводнике возникнет электрический ток, который будет идти от большего потенциала (φ1) к меньшему (φ2).

Движение зарядов от φ1 к φ2 приводит к выравниванию потенциалов во всех точках. При этом в проводнике исчезает электрическое поле, и протекание электрического тока прекращается. Отсюда следует, что обязательным условием существования электрического тока является наличие разности потенциалов Δφ = φ1 – φ2 ≠ 0, а для его поддержания необходимо специальное устройство, которое будет поддерживать данную разницу потенциалов. Это устройство называют источник тока.

В качестве источников тока могут использовать электрические генераторы, аккумуляторы, термоэлементы и гальванические элементы. Источник тока также выполняет еще одну задачу – замыкает электрическую цепь, по которой и осуществляется непрерывное движение заряженных частиц. Электрический ток протекает по внутренней части – источнику тока, и внешней – проводнику. В источнике тока имеется два полюса – положительный с более высоким потенциалом и отрицательный с более низким потенциалом. При разомкнутой внешней цепи на положительном полюсе источника образуется недостаток электронов, а на отрицательном наоборот – переизбыток. В источнике тока разделение зарядов производят с помощью сторонних сил – направленных против кулоновских сил, действующих на разноименные заряды в проводниках самого источника тока. Сторонние силы могут иметь самое различное происхождение – химическое, биологическое, тепловое, механическое и другое.

Если электрическая цепь замкнута, то по ней протекает электрический ток и при этом совершается работа сторонних сил. Данная работа складывается из работы, совершаемой внутри самого источника тока против сил электрического поля (Аист), и работы, совершаемой против механических сил сопротивления среды источника (А / ), то есть:

Работа сторонних сил в источнике тока формула

Электродвижущая сила источника тока – это величина, которая равна отношению работы, совершаемой сторонними силами при перемещении положительного точечного заряда вдоль всей электрической цепи, включая и источник тока, к заряду:

Электродвижущая сила источника тока

По определению работа против сил электрического поля равна:

Работа против сил электрического поля

А / = 0 если полюсы источника разомкнуты, и тогда из формулы (5) следует:

Электродвижущая сила источника тока при разомкнутых полюсах

Отсюда следует, что электродвижущая сила источника тока при разомкнутой внешней цепи будет равна разности потенциалов на его полюсах.

Источник

Построение графика зависимости силы тока от напряжения

График зависимости силы тока от напряжения

Физика

В физике график зависимости силы тока от напряжения называют вольт-амперной характеристикой (ВАХ). Он показывает, как зависят параметры электрической цепи или радиоэлемента друг от друга при их изменении в широком диапазоне. Его построение можно выполнить на основе практических исследований или теоретических расчётов. При этом второй способ не точный, а первый не всегда возможно применить.

  1. Общие сведения
  2. Связь между параметрами
  3. Вольт-амперная характеристика
  4. Решение задач

Общие сведения

В XVI веке исследования учёных показали, что в природе существует нечто, способное вызывать силы взаимодействия между телами. Впоследствии это явление назвали электричеством, а величину, характеризующую процесс — зарядом. В 1729 году Шарль Дюфе открыл существование двух их типов. Однотипные обладают свойством отталкивания друг от друга, а одинаковые — притягивания. Условно их разделили на положительные и отрицательные.

По сути, электрический заряд определяет способность вещества генерировать поле и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. В качестве единицы измерения скалярной величины в СИ принят кулон [Кл]. Носителями зарядов являются элементарные частицы. Обозначают их с помощью символа q.

Зависимость силы тока от напряжения график

Физическое тело состоит из атомов или молекул. В свою очередь, они формируются из простейших частиц. В твёрдом теле имеются ядра, состоящие из протонов и нейтронов. Вокруг них по орбиталям вращаются электроны. Если на тело не действуют внешние силы, система находится в электрическом равновесии. Связанно это с тем, что положительный заряд ядра компенсируется отрицательным электрона.

Читайте также:  Электрический ток задания егэ

Но в то же время в теле могут существовать так называемые свободные электроны. Это частицы, не имеющие связи с ядром и свободно перемещающиеся по телу. Их движение хаотичное. Двигаясь по кристаллической решётке, электроны ударяются с дефектами и примесями, отдавая часть им своей энергии и превращая её в тепло. Но это явление настолько незначительное, что его сложно обнаружить даже специализированными устройствами.

Зависимость силы тока от напряжения

Если же к телу приложено электромагнитное поле, движение свободных зарядов становится направленным. При обеспечении его непрерывности возникает явление, которое назвали электрическим током. Таким образом, под ним стали понимать упорядоченное движение носителей заряда. Исследования показали, что такими частицами могут быть:

  • электроны — твёрдые тела;
  • ионы — газы, электролиты.

Для описания электротока используют 2 величины — работу и силу. Первая показывает, какое количество энергии необходимо затратить, чтобы перенести заряд из одной точки поля в другую. Называют её напряжением. Сила тока же определяется отношением количества заряда, прошедшего через поперечное сечение тела за единицу времени.

Связь между параметрами

Чтобы появился электрический ток, необходимо выполнение нескольких условий. Нужен его источник, материал, имеющий свободные носители заряда, и замкнутая цепь, по которой они смогут перемещаться. После изобретения «вольтова столба» учёные начали проводить различные эксперименты, изучая протекание электротока. В 1825 году Ом в своих опытах с использованием гальванического источника и крутильных весов наблюдал потерю энергии в зарядах. Он обнаружил, что сила тока в цепи зависит не только от типа материала, но и его линейных характеристик.

Анализируя полученные данные, Ом вывел формулу: X = a*k/L, где: X — сила электротока, a — электрическое напряжение, k — коэффициент проводимости, l — длина материала. Впоследствии этот закон был подтверждён другими учёными и был назван в честь открывателя.

Зависимость силы тока от времени

В современном виде он записывается так: I = U/R, где:

  • U — разность потенциалов (напряжение);
  • R — сопротивление.

То есть сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна его сопротивлению. R — коэффициент пропорциональности. По своему определению он является величиной, обратной проводимости. Зависит сопротивление от физических размеров проводника и его способности препятствовать прохождению электротока.

Вычислить значение R можно по формуле: R = pL/S, где p — удельный коэффициент, зависящий от свойства материала, L — длина проводника, S — площадь поперечного сечения. Значение удельного сопротивления зависит от температуры, но при этом для каждого градуса остаётся постоянным. Его величина измерена для практически всех существующих элементов в природе и является табличной.

Зависимость силы тока от напряжения формула

Открытые формулы позволили установить не только зависимость тока от сопротивления, но и связать 2 фундаментальные электрические величины — силу и работу. Причём зависимость между ними принято изображать с помощью графика, получившего название вольт-амперная характеристика. Её смысл заключается в построении функции, описывающуюся законом Ома. Это важный график для электротехнических устройств. Используя его, можно определить мощность для любых величин.

Вольт-амперная характеристика

С её помощью можно узнать, как изменяется ток при увеличении или уменьшении напряжения в цепи. Если её строить для проводника, зависимость будет линейной. Это можно понять из закона Ома, в соответствии с которым сила пропорциональна приложенной разности потенциалов. Такого вида график характерен для металлов. Но в то же время для полупроводников он не будет линейным.

Всё дело в том, что такие материалы обладают особыми свойствами. В них может наступать пробой — явление, при котором происходит резкое возрастание силы тока и процесс насыщения. В последнем случае значение электротока практически не изменяется при росте напряжения.

График зависимости силы тока от напряжения

График зависимости строят в декартовой системе координат. По оси X откладывают напряжение, а Y — ток. Исследовать характеристику для любого элемента цепи можно и самостоятельно. Для этого потребуется подготовить:

  • регулируемый блок питания;
  • амперметр;
  • вольтметр;
  • исследуемый элемент.

Схема собирается довольно просто. К блоку питания подключают измеритель тока (амперметр), к выходу которого подсоединяют одним выводом проводник. Второй полюс соединяют со свободным контактом источника напряжения. Измеритель напряжения включают параллельно исследуемому элементу.

Зависимость силы тока от напряжения

Эксперимент заключается в следующем. С помощью блока питания изменяют напряжение, величина которого снимается с вольтметра. Одновременно списывают данные с амперметра. Затем рисуют координатные оси ВАХ, на которых откладывают точки соответствующих величин и соединяют их плавной линией. Нарисованная кривая или прямая и будет отображать реальную картину зависимости тока от напряжения для элемента. По ВАХ можно построить график зависимости мощности от силы тока. Для этого необходимо выполнить расчёт по формуле: P = I*U.

На практике часто приходится иметь дело с переменным током. Это явление, при котором его сила изменяется с течением времени. В этом случае не используют ВАХ, так как изменение U происходит по определённому закону, чаще всего синусоидальному, поэтому, если нужно построить график зависимости напряжения от времени, необходимо знать формулу, с помощью которой описывается функция.

Решение задач

Задачи, связанные с нахождением фундаментальных электрических величин, обычно простые. Но для их решения понадобится не только знать несколько формул, но и единицы измерения в СИ. В Международной системе сила тока измеряется в амперах, напряжение — вольтах, сопротивление — омах, мощность — ваттах. Нередко приходится сталкиваться с большими числами или, наоборот, маленькими, поэтому для упрощения записи используют приставки: микро, нано, кило, мега.

Вот некоторые из типовых заданий, рассчитанных на самостоятельную проработку в рамках уроков по физике для 8 класса:

График зависимости силы тока от напряжения решение задачи

  1. Определить напряжение на резисторе, обладающем сопротивлением 10 Ом, если через него проходит ток силой в 1 ампер. Это простой пример, решаемый с помощью закона Ома. Согласно ему I = U/R, следовательно: U= I*R. Подставив исходные данные, можно выполнить вычисления: U= 1 A*10 Ом = 10 В.
  2. Найти мощность устройства, если его сопротивление равняется 1 кОм, при создаваемой разности потенциалов 10 вольт. Чтобы вычислить P, нужно определить потребление тока: I =U/R = 10/1000 = 0,01 A. Теперь воспользовавшись формулой мощности, можно найти нужный параметр: P = I*U = 0,01*10 = 0,1 Вт.
  3. Электрическая лампа включена в сеть с напряжением 220 В. Найти значение тока, проходящего через спираль, если сопротивление проводника равняется 30 Ом. По закону: I = U/R = 220/3 = 7,3 А.
  4. При напряжении 220 вольт значение тока, проходящего через дроссель, составляет 5 А. Вычислить, как изменится I, если напряжение увеличится на 20 вольт. Исходя из того, что сопротивление постоянное, можно составить пропорцию: U1 / I1 = U2/I2. Напряжение для второго случая возможно определить из выражения: U 2 = U + U 1 = 220 + 20 = 240 В. Отсюда I2 = I1 * U2 / U 1 = 5 А * 240 В / 220 В = 5,45 A.

Формула зависимости тока от напряжения, полученная экспериментальным путём, стала основополагающей в развитии электротехники и электроники. Связь между величинами оказалась пропорциональной с учётом коэффициента, получившего название сопротивление. Причём его значение зависит от рода материала и размеров тела.

Источник

График зависимости разности потенциалов от силы тока

«Физика — 10 класс»

Читайте также:  Длительно допустимый ток для кабеля сип

Что заставляет заряды двигаться вдоль проводника?
Как электрическое поле действует на заряды?

Вольт-амперная характеристика.

В предыдущем параграфе говорилось, что для существования тока в проводнике необходимо создать разность потенциалов на его концах. Сила тока в проводнике определяется этой разностью потенциалов. Чем больше разность потенциалов, тем больше напряжённость электрического поля в проводнике и, следовательно, тем большую скорость направленного движения приобретают заряженные частицы. Это означает увеличение силы тока.

Для каждого проводника — твёрдого, жидкого и газообразного — существует определённая зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника.

Зависимость силы тока в проводнике от напряжения, подаваемого на него, называют вольт-амперной характеристикой проводника.

Её находят, измеряя силу тока в проводнике при различных значениях напряжения. Знание вольт-амперной характеристики играет большую роль при изучении электрического тока.

Закон Ома.

Наиболее простой вид имеет вольт- амперная характеристика металлических проводников и растворов электролитов. Впервые (для металлов) её установил немецкий учёный Георг Ом, поэтому зависимость силы тока от напряжения носит название закона Ома.

На участке цепи, изображённой на рисунке 15.3, ток направлен от точки 1 к точке 2. Разность потенциалов (напряжение) на концах проводника равна U = φ1 — φ2. Так как ток направлен слева направо, то напряжённость электрического поля направлена в ту же сторону и φ1 > φ2.

Измеряя силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, можно убедиться в том, что сила тока прямо пропорциональна напряжению.

Закон Ома для участка цепи:

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенному к нему напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка R.

Применение обычных приборов для измерения напряжения — вольтметров — основано на законе Ома. Принцип устройства вольтметра такой же, как и у амперметра. Угол поворота стрелки прибора пропорционален силе тока.

Сила тока, проходящего по вольтметру, определяется напряжением между точками цепи, к которой он подключён. Поэтому, зная сопротивление вольтметра, можно по силе тока определить напряжение. На практике прибор градуируют так, чтобы он сразу показывал напряжение в вольтах.

Сопротивление.

Основная электрическая характеристика проводника — сопротивление. От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении.

Свойство проводника ограничивать силу тока в цепи, т. е. противодействовать электрическому току, называют электрическим сопротивлением проводника.

С помощью закона Ома (15.3) можно определить сопротивление проводника:

Для этого нужно измерить напряжение на концах проводника и силу тока в нём.

На рисунке 15.4 приведены графики вольт-амперных характеристик двух проводников. Очевидно, что сопротивление проводника, которому соответствует график 2, больше, чем сопротивление проводника, которому соответствует график 1.

Сопротивление проводника не зависит от напряжения и силы тока.

Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров.

Сопротивление проводника длиной l с постоянной площадью поперечного сечения S равно:

где ρ — величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от температуры в первую очередь).

Величину ρ называют удельным сопротивлением проводника.

Удельное сопротивление материала численно равно сопротивлению проводника из этого материала длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 .

Единицу сопротивления проводника устанавливают на основе закона Ома и называют её омом.

Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1 В сила тока в нём 1 А.

Единицей удельного сопротивления является 1 Ом • м. Удельное сопротивление металлов мало. А вот диэлектрики обладают очень большим удельным сопротивлением. Например, удельное сопротивление серебра 1,59 • 10 -8 Ом • м, а стекла порядка 10 10 Ом • м. В справочных таблицах приводятся значения удельного сопротивления некоторых веществ.

Значение закона Ома.

Из закона Ома следует, что при заданном напряжении сила тока на участке цепи тем больше, чем меньше сопротивление этого участка. Если по какой-то причине (нарушение изоляции близко расположенных проводов, неосторожные действия при работе с электропроводкой и пр.) сопротивление между двумя точками, находящимися под напряжением, оказывается очень малым, то сила тока резко возрастает (возникает короткое замыкание), что может привести к выходу из строя электроприборов и даже возникновению пожара.

Именно из-за закона Ома нельзя говорить, что чем выше напряжение, тем оно опаснее для человека. Сопротивление человеческого тела может сильно изменяться в зависимости от условий (влажности, температуры окружающей среды, внутреннего состояния человека), поэтому даже напряжение 10—20 В может оказаться опасным для здоровья и жизни человека. Следовательно, всегда необходимо учитывать не только напряжение, но и силу электрического тока. При работе в физической лаборатории нужно строго соблюдать правила техники безопасности!

Читайте также:  Вращательный момент двигателя постоянного тока

Закон Ома — основа расчётов электрических цепей в электротехнике.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Законы постоянного тока — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Источник



laby po fizike / Laboratornaia rabota №24

Московский Энергетический Институт

Кафедра ОФ и ЯС

Лаборатория электричества и магнетизма.

Лабораторная работа №24

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ, СОДЕРЖАЩЕГО ЭДС

К работе опущен:

Цель работы — изучение зависимости разности потенциалов на участке цепи, содержащем ЭДС, от силы тока; определение электро­движущей силы источника и полного сопротивления участка цепи.

1. Теоретические основы работы

Для того, чтобы электрический ток существовал длительное время необходимо наличие замкнутой цепи, свободных заряженных частиц и сторонних сил. В проводнике заряженные частицы движутся под дей­ствием кулоновских сил в направлении от точки с большим потенциа­лом ф! к точке с меньшим потенциалом ф2. Сторонние силы (силы не электростатического происхождения) непрерывно отводят заряды от конца проводника с меньшим потенциалом, и подводят их к концу с большим потенциалом (рис.1).

Циркуляция вектора напряженности электростатического поля рав­на нулю. Поэтому в замкнутой цепи наряду с участками, на которых положительные заряды движутся в сторону убывания потенциала, должны иметься участки, на которых перенос положительных зарядов происходит в направлении возрастания потенциала, т.е. против сил электростатического поля (см. изображенную штрихом часть цепи на рис. 1).

Сторонние силы можно охарактеризовать работой, которую они совершают при перемещении зарядов. Отношение работы сторонних сил к заряду называется электродвижущей силой (ЭДС) Электро­движущая сила, действующая на участке цепи 1-2

где напряженность поля сторонних сил.

Работа электростатических сил, отнесенная к заряду есть разность потенциалов:

где Е — напряженность электростатического поля.

Физическая величина, численно равная удельной работе кулоновских и сторонних сил на участке цепи называется падением напряже­ния

Если использовать определение падения напряжения , где I -сила тока в цепи; электрическое сопротивление участка, включающее внутреннее сопротивление источника ЭДС на этом участ­ке, то закон Ома принимает вид:

(1)

Здесь -алгебраическая сумма ЭДС на участке цепи; принима­ются положительными, если направление обхода от точки 1 к точке 2 соответствует перемещению внутри источника от знака » — » к знаку » + «. В противном случае — отрицательными.

Участок цепи, в пределах которого не действуют сторонние силы, называется однородным, падение напряжение на нем , т.е. напряжение совпадает с разностью потенциалов.

Знак силы тока берется положительным, если направление тока совпадает с направлением обхода участка цепи.

Применим обобщенный закон Ома к участку цепи, изображенному на рис. 2. Выберем условно положительное направление тока, как по­казано на рисунке, и направление обхода от точки 1 к точке 2. Тогда для участка цепи 1-ξ-R-2 получим

(2)

Рнс. 2. Участок электрической цепи, содержащий ЭДС

Здесь r внутреннее сопротивление источника тока.

Применяя обобщенный закон Ома к участку 1-V-2 (обход через вольт­метр), получаем

(3)

где — ток, проходящий через вольтметр; сопротивление вольтметра.

Произведение — это показание вольтметра. Следовательно, вольтметр показывает разность потенциалов между точками подклю­чения.

Обозначив полное сопротивление участка R + r через R, из выраже­ния (2), получим

(4)

Выражение (4) представляет собой уравнение прямой, изображен­ной на рис. 3 в координатах

Из (4) следует, что если сила тока в цепи равна нулю, то разность потенциалов равна электродвижущей силе источника, включенного в рассматриваемый участок,

Рнс. 3. Зависимость разности потенциалов на участке цепи от силы тока

Полное сопротивление участка 1-2 можно определить по графику рис. 3:

. (5)

2. Описание экспериментальной установки

Принципиальная электрическая схема установки приведена на рис. 4. Электрическая цепь состоит из исследуемого участка 1-2, со­держащего неизвестную ЭДС и резистор сопротивлением , и внешнего участка цепи с регулируемой ЭДС и резистором Внешняя ЭДС может включаться согласно (рис. 4, а) или встречно (рис. 4, б) с ЭДС, входящей в исследуемый участок цепи. Сила тока в цепи измеряется амперметром А. Разность потенциалов на участке 1-2 измеряется вольтметром V.

Если выбрать направление обхода от точки 1 к точке 2 и принять условно положительное направление тока также от точки 1 к точке 2, то закон Ома для участка цепи 1-2 имеет вид

(6)

а для замкнутой цепи

(7)

здесь — для согласного включения (рис. 4, а) и — для встреч­ного включения (рис. 4, б).

Из (7) может быть найдено выражение для силы тока в цепи:

Как видно из (8), изменяя , можно менять и силу тока в цепи. При согласном включении и сила тока / растет с ростом . Из (6) видно, что разность потенциалов при этом линейно умень­шается и может достигнуть нулевого значения. При дальнейшем росте силы тока разность потенциалов на участке цепи меняет знак.

Если включена навстречу , то сила тока / уменьшается с ростом , а разность потенциалов увеличивается.

При = сила тока в цепи становится равной нулю — наступает момент компенсации. Согласно (6) и (8) разность потенциалов стано­вится равной электродвижущей силе == Дальнейший рост приводит к изменению направления тока в цепи. Из сказанно­го ясно, что измерение электродвижущей силы методом компенсации заключается в сравнении неизвестной ЭДС с эталонной, значение ко­торой известно с большой точностью. Момент компенсации обнару­живается по равенству нулю силы тока в цепи.

Источник