§ 6. Умови виникнення електричного струму. Робота і потужність струму

Опрацювавши цей параграф, ви з’ясуєте умови виникнення та підтримання електричного струму, зв’язок між основними характеристиками електричного кола, зможете розрахувати роботу і потужність електричного струму.

УМОВИ ВИНИКНЕННЯ ЕЛЕКТРИЧНОГО СТРУМУ. У сучасній техніці та технологіях широко використовують електричний струм. Завдяки йому рухаються електромобілі, працюють ґаджети, обігріваються та освітлюються оселі.

Ви вже знаєте, що вільні електрони в металах, а також йони в розчинах солей рухаються хаотично та переміщуються в усьому об’ємі речовини. Якщо провідник помістити в електричне поле, то рух заряджених частинок стає впорядкованим — вони починають переміщуватися вздовж ліній напруженості електричного поля.

Електричним струмом називають впорядкований (напрямлений) рух заряджених частинок.

Електричний струм виникає та підтримується за таких умов:

• наявність вільних носіїв електричного заряду;
• наявність чинників, що зумовлюють рух вільних заряджених частинок у певному напрямі (зовнішнє електричне чи магнітне поля, прискорений рух провідника).

Заряджені частинки переміщуються між двома точками електричного поля за наявності між ними різниці потенціалів. Тому, щоб у провіднику існував електричний струм, потрібно, аби між його кінцями існувала постійна різниця потенціалів. Ця умова забезпечується включенням в електричне коло джерела живлення, в якому відбувається перетворення певного виду енергії в електричну. Наприклад, у гальванічних елементах та акумуляторах в електричну енергію перетворюється хімічна енергія взаємодій, а в електромеханічних генераторах механічна енергія перетворюється в електричну.

За напрям електричного струму приймають напрям упорядкованого руху позитивно заряджених частинок (протилежний руху електронів). Напрям струму збігається з напрямком напруженості електричного поля, яке породжує цей струм.

ЕЛЕКТРИЧНЕ КОЛО ТА ЙОГО ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ. Електричний струм характеризується фізичною величиною, яку називають силою струму.

Силою струму називають величину, що характеризує швидкість перенесення заряду частинками, які створюють струм, через поперечний переріз провідника.

Сила струму визначає інтенсивність руху заряджених частинок у провіднику та дорівнює величині заряду ΔQ, який проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу Δt:

Сила струму є скалярною фізичною величиною. Одиницею сили струму в СІ є ампер:

У радіотехніці також використовують частинні й кратні одиниці сили струму:

• 1 мікроампер = 1 мкА = 10 -6 А;
• 1 міліампер = 1 мА = 10 -3 А;
• 1 кілоампер = 1 кА = 10 3 А.

Якщо під час проходження електричного струму за будь-які однакові інтервали часу через поперечний переріз провідника переноситься однаковий заряд, то такий струм називають постійним.

Тобто для постійного струму сила струму не змінюється з часом.

Силу струму вимірюють амперметром, який вмикають в електричне коло послідовно зі споживачем (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Вмикання амперметра та вольтметра в електричне коло

До електричного кола входять джерела струму та його споживачі, вимірювальні та регулювальні прилади, вимикачі, з’єднувальні провідники.

Робота електричного поля з перенесення заряду 1 Кл в певній ділянці електричного кола характеризується напругою.

Напругу вимірюють вольтметром, який включають в електричне коло паралельно зі споживачем (рис. 6.1).

Напруга U на ділянці кола чисельно дорівнює відношенню роботи струму до електричного заряду Q, що переміщується в цій ділянці:

Одиницею напруги в СІ є вольт:

Також використовують частинні й кратні одиниці напруги:

• 1 мілівольт = 1 мВ = 10 -3 В;
• 1 мікровольт = 1 мкВ = 10 -6 В;
• 1 кіловольт = 1 кВ = 10 3 В;
• 1 мегавольт = 1 МВ = 10 6 В.

Сила струму та напруга є основними характеристиками електричного кола.

Пригадайте!

Залежність між основними фізичними характеристиками ділянки електричного кола встановив німецький учений Г. Ом у 1826—1827 рр. (закон Ома для ділянки кола): сила струму в однорідній ділянці кола прямо пропорційна напрузі на кінцях цієї ділянки та обернено пропорційна її електричному опору:

За законом Ома можна розрахувати також напругу на кінцях ділянки електричного кола U = I · R та опір ділянки

Георг Ом (1787—1854), німецький фізик, який встановив залежність між силою струму та напругою ділянки електричного кола

Зверніть увагу: з останньої формули не випливає, що опір провідника залежить від напруги на його кінцях або сили струму в ньому.

Електричний опір — фізична величина, яка характеризує властивість провідника протидіяти проходженню електричного струму.

Опір характеризує провідник та залежить від його геометричних і фізичних параметрів:

де R — опір провідника; l — довжина провідника; S — площа поперечного перерізу провідника; r — коефіцієнт пропорційності, який залежить від матеріалу провідника і називається питомим опором.

За одиницю опору приймають 1 Ом — опір такого провідника, у якому при напрузі на його кінцях 1 вольт сила струму дорівнює 1 ампер:

На практиці також використовують частинні й кратні одиниці:

• 1 міліом = 1 мОм = 1 · 10 -3 Ом;
• 1 кілоом = 1 кОм = 1 · 10 3 Ом;
• 1 мегаом = 1 МОм = 1 · 10 6 Ом.

Електричний опір є основною електричною характеристикою провідника. Вона характеризує протидію провідника напрямленому руху вільних електричних зарядів. Електричний опір провідника зумовлений взаємодією вільних носіїв електричного заряду з йонами (атомами) речовини. При цьому енергія вільних носіїв електричного заряду перетворюється в інші види енергії.

РОБОТА І ПОТУЖНІСТЬ СТРУМУ. Електрична енергія струму може перетворюватися в інші види. Тому електричний струм супроводжується фізичними діями: теплова дія (нагрівання провідника, по якому тече електричний струм), хімічна дія (зміна хімічного складу провідника, наприклад, виділення міді на електроді під час протікання струму через розчин мідного купоросу), магнітна дія (силовий вплив на провідники з електричним струмом та намагнічені тіла), світлова дія (світіння речовини під час проходження через неї електричного струму).

Перетворення одного виду енергії в інший супроводжується виконанням роботи.

Робота електричного поля А з переміщення електричного заряду ΔQ визначається як добуток кількості перенесеного електричного заряду через поперечний переріз провідника та напруги — на кінцях провідника:

Врахувавши, що Δφ = IΔt, можна отримати вираз для обчислення роботи електричного поля:

Робота електричного струму на ділянці кола дорівнює добутку сили струму, напруги на цій ділянці та часу, впродовж якого виконувалася ця робота.

Одиницею роботи в СІ є джоуль (Дж): 1 Дж = 1 В · А · с.

Із практики ви знаєте, що важливою характеристикою будь-якого електричного приладу (лампи, електричного чайника, обігрівача) є споживана потужність.

Потужність електричного струму — фізична величина, що дорівнює роботі електричного поля з напрямленого переміщення електричних зарядів у провіднику за одиницю часу.

Середня потужність електричного струму визначається за формулою:

Ця залежність є справедливою лише тоді, коли робота струму повністю витрачається на збільшення внутрішньої енергії.

Одиницею потужності струму в СІ є ват (Вт):

Для вимірювання потужності струму також використовують частинні й кратні одиниці:

• 1 мікроват = 1 мкВт = 10 -6 Вт;
• 1 міліват = 1 мВт = 10 -3 Вт;
• 1 гектоват = 1 гВт = 10 2 Вт;
• 1 кіловат = 1 кВт = 10 3 Вт;
• 1 мегават = 1 МВт = 10 6 Вт.

На практиці для вимірювання роботи струму (наприклад, в електролічильнику) використовують таку одиницю, як кіловат-година (кВт · год): 1 кВт · год = 3,6 · 10 6 Дж.

Принцип дії багатьох електричних побутових приладів (електрочайник, праска, обігрівач, бойлер, електроплита) ґрунтується на використанні теплової дії електричного струму.

Кількість теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом за певний час, визначається за законом Джоуля-Ленца:

де I — сила струму; R — опір провідника; Δt — час дії електричного струму.

Кількість теплоти, яка виділяється провідником з електричним струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника й часу проходження струму.

Цей закон справедливий не тільки для металевих провідників, а й для розчинів електролітів та газів, оскільки під час проходження струму збільшується кількість зіткнень вільних носіїв зарядів з іншими зарядженими або нейтральними частинками речовини.

! Головне в цьому параграфі

Електричний струм є впорядкованим рухом заряджених частинок. Він виникає та підтримується за наявності в речовині вільних носіїв електричного заряду, а також чинників, що зумовлюють їх рух у певному напрямі (зовнішнє електричне чи магнітне поля, прискорений рух провідника). Щоб у провіднику існував електричний струм, потрібно підтримувати між його кінцями постійну різницю потенціалів.

Сила струму та напруга є основними характеристиками електричного кола. Зв’язок між ними встановлює закон Ома для ділянки кола.

Кількість теплоти, яка виділяється провідником з електричним струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму, опору провідника і часу проходження струму.

? Знаю, розумію, вмію пояснити

1. Сформулюйте визначення електричного струму. 2. Назвіть умови існування електричного струму. 3. Порівняйте особливості руху заряджених частинок за наявності та відсутності зовнішнього електричного поля. 4. Як визначається напрям електричного струму? 5. Назвіть дії електричного струму та наведіть приклади їх застосування на практиці. 6. Яка фізична величина характеризує інтенсивність руху заряджених частинок, в яких одиницях вона вимірюється? 7. Назвіть складові електричного кола. 8. Поясніть, чим зумовлений електричний опір провідників? Від чого він залежить? 9. Сформулюйте та запишіть закон Ома для ділянки кола. 10. Запишіть формули роботи та потужності електричного струму. 11. Як можна розрахувати кількість теплоти, що виділяється в провіднику зі струмом?

§ 26. Електрична напруга та її вимірювання. Вольтметр

ЕЛЕКТРИЧНА НАПРУГА. Вам уже відомо, що для існування електричного струму в речовині необхідна наявність у ній вільних зарядів та електричного поля. Під час руху вільних електричних зарядів у провіднику сили електричного поля виконують роботу, яку ще називають роботою струму. Робота струму залежить від величини заряду, що переміщується під дією електричних сил, тобто від сили струму. Чим більша сила струму, тим більшу роботу виконує струм. Пригадайте, електролампа, через яку тече більший струм, світить яскравіше. Разом із тим робота струму, а отже, і його теплова дія залежить не лише від значення сили струму. Якщо в електричну мережу увімкнути послідовно з’єднані побутову електролампу та низьковольтну електролампу від кишенькового ліхтарика, вони будуть світитися по-різному. Побутова електролампа світить значно яскравіше, ніж низьковольтна електролампа.

Алессандро Вольта (1745—1825)

Видатний італійський фізик, хімік та фізіолог, основоположник учення про електрику

Оскільки сила струму в обох електролампах однакова, але струмом виконується різна робота, має існувати інша величина, від якої залежить робота струму. Цю величину, що характеризує здатність електричного поля виконувати роботу при переміщенні електричного заряду в колі, називають електричною напругою і позначають U.

Напруга — це фізична величина, яка характеризує роботу електричного поля з перенесення заряду 1 Кл у певній ділянці кола.

Напруга U на ділянці кола чисельно дорівнює відношенню роботи струму до електричного заряду q, що переміщується в певній ділянці кола:

Електрична напруга вимірюється у вольтах [U] = В (названо на честь відомого італійського фізика Алессандро Вольта). 1 вольт дорівнює такій електричній напрузі на кінцях ділянки кола, коли, переміщуючи електричний заряд в 1 Кл, електричне поле виконує роботу 1 Дж:

Для практичних потреб використовують також частинні й кратні одиниці напруги: мілівольт (1 мВ = 10 -3 В), мікровольт (1 мкВ = 10 6 В), кіловольт (1 кВ = 10 3 В), мегавольт (1 MB = 10 6 В).

ВИМІРЮВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ НАПРУГИ. Для вимірювання напруги на полюсах джерела струму та на будь-якій ділянці кола використовують спеціальні прилади — вольтметри (рис. 26.1).

Рис. 26.1. Вольтметри: а) демонстраційний; б) лабораторний; в) цифровий

Рис. 26.2. Вимірювання електричної напруги вольтметром: а) вольтметр підключається паралельно до досліджуваної ділянки кола; б) вольтметр, підключений до точок 1 і 2, вимірює напругу на електричній лампі, а до точок 3 і 4 — напругу на електродвигуні

Вольтметри працюють за таким самим принципом, як і амперметри. Чим більша напруга на ділянці кола, тим більшим буде кут відхилення стрілки вольтметра.

На відміну від амперметра, вольтметр вмикається в електричне коло паралельно тій його ділянці, на якій потрібно виміряти напругу (рис. 26.2, а). При підключенні вольтметра електричне коло не розривається. Вольтметр, підключений до точок 1 і 2, вимірює напругу на електричній лампі, а до точок 3 14 — напругу на електродвигуні (рис. 26.2, б).

Вольтметр під’єднують паралельно до затискувачів джерела струму або ділянки кола таким чином, щоб знаки «+» та «-» на його корпусі збігалися з відповідними полюсами джерела струму.

Розглянемо детальніше шкалу вимірювального приладу (рис. 26.3).

На ній є літера V, яка вказує, що цей вимірювальний прилад — вольтметр. Оскільки перед літерою V немає жодних позначок (наприклад, m, μ), то максимальне значення вимірюваної величини — 6 В. Ціна поділки шкали цього вольтметра:

Оскільки стрілка приладу відхилилася на 23 поділки, вольтметр показує напругу:

У радіотехніці для вимірювання низьких напруг (наприклад, під час налагодження радіоприймачів) використовують мілівольтметри, mV (рис. 26.4, а). Максимальне значення напруги, що вимірюється такими приладами, не перевищує, як правило, 0,5—1 В. Для вимірювання високих напруг застосовуються спеціальні вольтметри (рис. 26.4, б).

Рис. 26.3. Шкала вольтметра

Рис. 26.4. Для вимірювання напруги використовують спеціальні вольтметри: а) мілівольтметр; б) вольтметр для вимірювання високих напруг

Головне в цьому параграфі

Напруга — це фізична величина, яка характеризує роботу електричного поля з перенесення заряду 1 Кл у певній ділянці кола.

Напруга U на ділянці кола чисельно дорівнює відношенню роботи струму до електричного заряду q, що переміщується в певній ділянці кола:

Один вольт дорівнює такій електричній напрузі на кінцях ділянки кола, коли, переміщуючи електричний заряд в один кулон, електричне поле виконує роботу один джоуль:

Для вимірювання напруги на полюсах джерела струму та на будь-якій ділянці кола використовують спеціальні прилади — вольтметри.

Вольтметр під’єднують паралельно до досліджуваної ділянки кола таким чином, щоб знаки «+» та «-» на його корпусі збігалися з відповідними полюсами джерела струму.

Запитання для самоперевірки

• 1. Яку фізичну величину називають напругою?
• 2. Які найважливіші дослідження виконав учений, за ім’ям якого названо одиниці напруги?
• 3. В яких одиницях СІ вимірюється напруга?
• 4. Яким приладом вимірюють напругу на ділянці кола?
• 5. Які особливості включення вольтметра в електричне коло?
• 6. Для чого використовують мілівольтметри?

Вправа до § 26

• 1(п). Вкажіть електричну схему на якій правильно зображено підключення вольтметра?

• 2(c). Назвіть прилади, зображені на рисунку, та встановіть вимірюване ними значення напруги.

• 3(д). Визначте напругу на ділянці електричного кола, якщо під час перенесення заряду 50 Кл електричний струм виконав роботу 1,2 кДж.
• 4(д). Визначте роботу електричного струму, якщо при напрузі 220 В по провіднику було перенесено заряд 40 Кл.
• 5(д). Під час світіння лампи розжарювання електричний струм виконав роботу 3,96 кДж. Визначте електричний заряд, який пройшов через лампу, якщо вона увімкнута в мережу 220 В.
• 6(в). Визначте, у скільки разів відрізняється напруга на двох ділянках кола, якщо під час проходження по них однакового електричного заряду в одному виконується робота 160 Дж, а в другому 400 Дж.