Тепловое действие тока рисунок схема

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 29. Закон Ома для участка цепи. Соединения проводников

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. условия, необходимые для существования электрического тока;
2. постоянный электрический ток;
3. закон Ома для участка цепи;
4. формула расчета сопротивления проводника с учетом свойств материала проводника и его геометрических размеров;
5. типы соединений проводников и формулы расчета параметров электрической цепи для каждого типа.

Глоссарий по теме.

Сила тока I — скалярная величина, равная отношению заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени t, в течение которого шёл ток.

Постоянный ток — электрический ток, не изменяющийся со временем.

Последовательное соединение проводников. При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений. Все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

Параллельное соединение проводников. При параллельном соединении концы проводников присоединены к одной и той же паре точек.

Смешанное соединение проводников — это такое соединение, когда в цепи присутствует и последовательное, и параллельное соединение.

Узел – это точка электрической цепи, где сходится не менее трех ветвей.

Свойство проводника ограничивать силу тока в цепи, то есть противодействовать электрическому току, называют электрическим сопротивлением проводника.

Резистор или проводник — элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 335 – 340.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. — М.: Дрофа, 2009. – С. 105 – 109.

3. Элементарный учебник физики. Учебное пособие в 3 томах под редакцией академика Ландсберга Г.С.: Т.2. Электричество и магнетизм. – 12-е изд. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. С. 110 – 115.

4. Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей. Изд. 4-е, переработ. и доп. М. «Просвещение», 1972. С. 83 – 87.

5. Савельев И.В. Курс общей физики, том II. Электричество. М.: Изд. «Наука», 1970 г. С. 108.

Открытые электронные ресурсы:

Теоретический материал для дополнительного изучения

Сложно представить нашу жизнь без электрического тока. Каждый день, не задумываясь, мы используем различные электрические приборы, в основе работы которых лежат простые и сложные электрические цепи. Какому закону подчиняются основные параметры электрических цепей? Как рассчитать эти цепи, чтобы приборы работали исправно?

Вы уже знаете, электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Для возникновения и существования электрического тока в проводнике необходимо:

1. наличие свободных заряженных частиц;
2. сила, действующая на них в определённом направлении, то есть наличие электрического поля в проводнике.

Различают следующие действия электрического тока:

1. тепловое ;
2. химическое ;
3. магнитное .

Постоянный ток — электрический ток, у которого сила тока и направление не изменяются со временем.

Сила тока I равна отношению электрического заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения t:

За направление электрического тока условно выбрано направление движения положительно заряженных частиц, то есть в сторону, противоположную направлению движения электронов.

Для каждого проводника – твердого, жидкого и газообразного – существует определённая зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов (напряжения) на концах проводника. Эту зависимость выражает, так называемая, вольт-амперная характеристика проводника.

Для широкого класса проводников (в т. ч. металлов ) при неизменной температуре справедлив закон Ома для участка цепи:

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка цепи:

Закон имеет простую форму, но доказать экспериментально его справедливость довольно трудно.

Закон Ома является основой всей электротехники постоянных токов. Из закона Ома вытекает, что замыкать обычную осветительную сеть проводником малого сопротивления опасно.

Основная электрическая характеристика проводника – сопротивление. От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении. Причиной электрического сопротивления является взаимодействие электронов при их движении по проводнику с ионами кристаллической решетки. Сопротивление проводника зависит от свойств материала проводника и его геометрических размеров.

Электрическое сопротивление металлов прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения:

где величина ρ – удельное сопротивление проводника — величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от температуры в первую очередь). Удельное сопротивление веществ приводятся в справочных таблицах.

Омметр – прибор для измерения сопротивления.

От источника тока энергия может быть передана по проводам к устройствам, потребляющим энергию. Для этого составляют электрические цепи различной сложности. Различают последовательное, параллельное, смешанное соединения проводников.

Последовательное соединение проводников. При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений. Все проводники включают в цепь поочередно друг за другом. Главная особенность последовательного соединения заключается в том, что через все проводники протекает одинаковый ток. Если через один проводник протекает ток определенной величины, то такой же ток протекает и через все остальные. Если хотя бы в одном проводнике отсутствует ток, то он обязательно отсутствует и во всех остальных. Напряжение на концах последовательно соединенных проводников складывается. Полное сопротивление всего участка цепи при последовательном соединении равно сумме сопротивлений всех проводников.

Последовательное соединение

ВПР по физике за 8 класс 2018 года Бобошина С.Б. — Вариант 1

При написании данной работы «ВПР по физике 8 класс 2019 Вариант 1» было использовано пособие «Всероссийская Проверочная Работа. Физика. 8 класс. Практикум по выполнению заданий. С. Б. Бобошина. (18 вариантов) 2018 год».

Прочитайте перечень некоторых терминов, которые встречались в курсе физики: теплопроводность, количество теплоты, напряжение, электризация, масса, испарение. Распределите их по группам.

Определение: Физическая величина — это количественная характеристика объекта или явления в физике, либо результат измерения.

В нашем случае этому определению соответствуют: количество теплоты, напряжение и масса, поскольку они имеют количественные характеристики — соответсвенно джоули, вольты и килограммы.

Определение: Физическими называют явления, при которых не происходит превращение одних веществ в другие. При физических явлениях могут изменяться физические свойства вещества: агрегатное состояние, температура, плотность и т. д.

В нашем случае к физическим явлениям относятся: теплопроводность, электризация и испарение.

На рисунке изображён график зависимости температуры тела от времени нагрева. В начальный момент времени тело находилось в твердом состоянии.

Выберите два утверждения, которые соответствуют данному процессу, и запишите номера, под которыми они указаны.

1. Первые 10 мин происходило плавление тела, затем его нагрев.
2. Первые 10 мин происходил нагрев тела, затем его охлаждение.
3. Первые 10 мин происходил нагрев тела, затем его плавление.
4. Температура плавления вещества тела приблизительно равна 360 °С.
5. Температура тела до начала нагрева приблизительно 0 °С.

Определение: Плавление — это процесс перехода тела из кристаллического твёрдого состояния в жидкое. Плавление происходит с поглощением теплоты плавления.

Именно по этой причине, на графике мы видим увеличение температуры вещества в первые 10 минут до приблизительно 360 °С и затем это величина на протяжении определенного времени остаётся неизменной — поскольку происходит поглощение теплоты.

• Первые 10 мин происходил нагрев тела, затем его плавление.
• Температура плавления вещества тела приблизительно равна 360 °С.

На рисунке показаны тела, которые имеют различную начальную температуру. Тела приводят в соприкосновение. Укажите направления, в которых передавалась теплота в процессе установления теплового равновесия.

Определение: Тепловое равновесие — это такое состояние системы тел, находящихся в тепловом контакте, при котором не происходит теплопередачи от одного тела к другому, и все макроскопические параметры тел остаются неизменными.

Чтобы это произошло, температуры всех тел должны уровняться — более теплые тела отдают тепло более холодным.

Прочитайте текст и вставьте пропущенные слова: уменьшается, увеличивается, не изменяется.

Слова в ответе могут повторяться.

В процесс плавления вещества температура ………………. внутренняя энергия вещества …………………

В процесс плавления вещества температура не изменяется, внутренняя энергия вещества увеличивается.

От капли А отделилась часть с зарядом -е, в результате чего образовалась капля В (см. рис.). Заряды капель равны -4е и -3е. Какая из капель имеет(ла) заряд -3е?

По условию задачи, капля А с зарядом (-е) отделилась, следовательно мы должны от начальной величины заряда отнять (-е)

-4e — (-e) = -4e +e = -3e

Заряду -3е имела капля В.

Стеклянную палочку потёрли о шёлк. После этого мелко нарезанные кусочки бумаги стали прилипать к палочке. Выберите все утверждения, которые верно характеризуют данные процессы, запишите номера выбранных утверждений.

1. Палочка и шёлк имеют заряды одного знака.
2. Палочка и шёлк имеют заряды разных знаков.
3. Кусочки бумаги не электризуются.
4. В кусочках бумаги есть положительные и отрицательные заряды.
5. Стеклянная палочка приобретает положительный заряд из-за избытка электронов.
6. Стеклянная палочка приобретает положительный заряд из-за недостатка электронов.

В ре­зуль­та­те трения о шёлк стек­лян­ная палочка за­ря­жа­ет­ся положительно. При под­не­се­нии палочки к бу­ма­ге заряды в ку­соч­ках бумаги перераспределяются: на частях, ко­то­рые на­хо­дят­ся ближе к палочке, об­ра­зуется из­бы­ток отрицательного заряда, вслед­ствие этого бу­ма­га притягивается к палочке.

• Палочка и шёлк имеют заряды разных знаков.
• В кусочках бумаги есть положительные и отрицательные заряды.
• Стеклянная палочка приобретает положительный заряд из-за недостатка электронов.

На рисунке показана электрическая схема, включающая источник тока, резисторы и два амперметра А1 и А2. Определите показания амперметров.

Амперметр 1: 0,2 А

Амперметр 2: 0,2 А

Какое время требуется для прохождения по проводнику заряда 50 Кл при силе тока в проводнике 2 А?

Определение: Сила тока (I) определяется как отношение количества заряда (q), прошедшего через какую-то поверхность, ко времени прохождения (t).

Отсюда найдем чему будет равно время:

На рисунке показан подковообразный постоянный магнит. Как направлены (вверх, вниз, вправо, влево, от наблюдателя, к наблюдателю) магнитные линии поля магнита в точке А?

Определение: Линии магнитной индукции (магнитные линии) выходят из северного полюса катушки с током (или постоянного магнита) и входят в южный полюс катушки (магнита) и замыкаются внутри катушки (магнита).

Температуру воздуха измеряли термометром, показанным на рисунке. Погрешность измерения температуры равна цене деления термометра. Запишите в ответе результат измерения температуры с учётом погрешности.

Между каждым десятком значения температуры нанесены 10 рисок (чёрточек). Это означает, что цена деления одной риски = 1 °С. На рисунке мы видим, что значение температуры = 22 °С. С учетом погрешности результат должен быть записан следующим образом:

Установите соответствие между физическими явлениями и примерами их проявления. Для каждого физического явления из первого столбика подберите пример его проявления из второго столбика.

Б) Химическое действие тока

2) Нагревание проволоки при прохождении тока

3) Выделение вещества на электроде при прохождении тока через раствор

4) Возникновение ветра на берегу моря

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Определение: Конвекция — вид теплообмена, при котором внутренняя энергия передается струями и потоками.

Установите соответствие между техническими устройствами и физическими явлениями, лежащими в основе их действия.

Б) Гальванический элемент

2) Поворот катушки с током в магнитном поле

3) Превращение энергии топлива в механическую энергию внутри двигателя

4) Давление нагретого пара

5) Охлаждение тел при испарении

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Амперметр. В магнитоэлектрической системе прибора крутящий момент стрелки создаётся благодаря взаимодействию между полем постоянного магнита и током, который проходит через обмотку рамки (вращающий момент). С рамкой соединена стрелка, которая перемещается по шкале. Угол поворота стрелки прямо пропорционален силе тока, поэтому шкала магнитоэлектрического прибора линейна. Направление поворота стрелки зависит от направления протекающего через рамку тока, поэтому магнитоэлектрические амперметры непригодны для непосредственного измерения силы переменного тока (стрелка будет дрожать возле нулевого значения), и требуют правильной полярности подключения в цепи постоянного тока (иначе стрелка будет отклоняться левее нуля).

Гальвани́ческий элеме́нт — химический источник электрического тока, основанный на взаимодействии двух металлов и/или их оксидов в электролите, приводящем к возникновению в замкнутой цепи электрического тока.

Тепловое действие тока рисунок схема

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы.

Основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований. Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением веществ на электродах. Это явление получило название электролиза (рис.9.10).

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М. Фарадеем в 1833 году.

Первый закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе: масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит:

m = kq = kIt,

где k – электрохимический эквивалент вещества:

F = eN_A = 96485 Кл / моль. – постоянная Фарадея.

Второй закон Фарадея электрохимические эквиваленты различных веществ относятся их химические эквиваленты :

.

Объединенный закон Фарадея для электролиза:

.

Электролитические процессы классифицируются следующим образом:

получение неорганических веществ (водорода, кислорода, хлора, щелочей и т.д.);

получение металлов (литий, натрий, калий, бериллий, магний, цинк, алюминий, медь и т.д.);

очистка металлов (медь, серебро,…);

получение металлических сплавов;

получение гальванических покрытий;

обработка поверхностей металлов (азотирование, борирование, электрополировка, очистка);

получение органических веществ;

электродиализ и обессоливание воды;

нанесение пленок при помощи электрофореза.

Практическое применение электролиза

Электрохимические процессы широко применяются в различных областях современной техники, в аналитической химии, биохимии и т. д. В химической промышленности электролизом получают хлор и фтор, щелочи, хлораты и перхлораты, надсерную кислоту и персульфаты, химически чистые водород и кислород и т. д. При этом одни вещества получают путем восстановления на катоде (альдегиды, парааминофенол и др.), другие электроокислением на аноде (хлораты, перхлораты, перманганат калия и др.).

Электролиз в гидрометаллургии является одной из стадий переработки металлсодержащего сырья, обеспечивающей получение товарных металлов. Электролиз может осуществляться с растворимыми анодами – процесс электрорафинирования или с нерастворимыми – процесс электроэкстракции. Главной задачей при электрорафинировании металлов является обеспечения необходимой чистоты катодного металла при приемлемых энергетических расходах. В цветной металлургии электролиз используется для извлечения металлов из руд и их очистки.

Электролизом расплавленных сред получают алюминий, магний, титан, цирконий, уран, бериллий и др. Для рафинирования (очистки) металла электролизом из него отливают пластины и помещают их в качестве анодов 1 в электролизер 3 (рис.9.11). При пропускании тока металл, подлежащий очистке 1, подвергается анодному растворению, т. е. переходит в раствор в виде катионов. Затем эти катионы металла разряжаются на катоде 2, благодаря чему образуется компактный осадок уже чистого металла. Примеси, находящиеся в аноде, либо остаются нерастворимыми 4, либо переходят в электролит и удаляются.

На рисунке 9.11 приведена схема электролитического рафинирования меди.

Гальванотехника – область прикладной электрохимии, занимающаяся процессами нанесения металлических покрытий на поверхность как металлических, так и неметаллических изделий при прохождении постоянного электрического тока через растворы их солей. Гальванотехника подразделяется на гальваностегиюи гальванопластику.

Гальваностегия (от греч. покрывать) – это электроосаждение на поверхность металла другого металла, который прочно связывается (сцепляется) с покрываемым металлом (предметом), служащим катодом электролизера (рис. 9.12).

Способом гальваностегии можно покрыть деталь тонким слоем золота или серебра, хрома или никеля. С помощью электролиза можно наносить тончайшие металлические покрытия на различных металлических поверхностях. При таком способе нанесения покрытий, деталь используют в качестве катода, помещенного в раствор соли того металла, покрытие из которого необходимо получить. В качестве анода используется пластинка из того же металла.

Рис. 9.12	Рис. 9.13

Рекомендуем просмотреть демонстрацию «Гальванопластика».

Гальванопластика – получение путем электролиза точных, легко отделяемых металлических копий значительной толщины с различных как неметаллических, так и металлических предметов, называемых матрицами (рис. 9.13).

С помощью гальванопластики изготовляют бюсты, статуи и т. д. Гальванопластика используется для нанесения сравнительно толстых металлических покрытий на другие металлы (например, образование «накладного» слоя никеля, серебра, золота и т. д.).

Действия и мощность тока

Как можно узнать – есть ли в проводнике электрический ток? Заглянуть внутрь проводника невозможно, но, оказывается, это и не нужно. Прохождение тока по проводнику всегда сопровождается хотя бы одним из особых явлений – действий тока. Всего в физике и технике известно три действия тока: магнитное, химическое и тепловое. Рассмотрим их.

Слева вы видите опыт, иллюстрирующий магнитное действие тока. К источнику электроэнергии двумя проводами подключим катушку с проволокой и стальным стержнем внутри. При включении тока катушка станет магнитом и начнёт притягивать стальные предметы, например гвозди.

Магнитное действие тока наблюдается вокруг любых проводников: толстых или тонких, прямых или свитых в спираль, горячих или холодных, твёрдых, жидких или газообразных.

На этом рисунке показан опыт, иллюстрирующий химическое действие тока. В стакан с раствором сульфата меди CuSO4 опустим два угольных стержня. Через несколько минут на стержне, подключённом к «–», образуется тонкий слой ярко-красного цвета. Это чистая медь, выделившаяся из раствора. В опыте наблюдалась химическая реакция, вызванная электрическим током, в результате которой одно вещество (сульфат меди) превратилось в другое (чистую медь).

Химическое действие тока, как правило, наблюдается в жидких проводниках и сравнительно реже – в газообразных. В твёрдых проводниках химические реакции протекать не могут, так как в них отсутствуют подвижные ионы, являющиеся «носителями» химических свойств вещества.

Тепловое действие тока встречается, например, в утюгах, электрокаминах и лампах. Утюг горяч настолько, что нельзя притронуться рукой; спирали камина нагреты ещё сильнее: до «красного каления», а спираль лампочки – даже до «белого каления». Жидкие и газообразные проводники также нагреваются при прохождении через них тока.

Почему же проводники нагреваются? Рассмотрим металлический проводник. Ток в нём – это направленное движение электронов, которым приходится «течь» между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электронов передаётся ионам, заставляя их колебаться сильнее, с большим размахом. А это и означает, что проводник нагревается. В жидких и газообразных проводниках движущиеся электроны и/или ионы наталкиваются на молекулы и/или атомы, «расшатывают» их, увеличивают их кинетическую энергию, что и означает возрастание температуры (см. § 7-в).

Итак, при наличии в проводнике тока происходит превращение электрической энергии (энергии зарядов в электрическом поле) в другие виды энергии, например внутреннюю. И скорость превращения электроэнергии можно выразить количественно. Для этого служит физическая величина мощность тока. О том, какими приборами её измеряют, мы поговорим в следующей теме, а пока приведём примеры токов различной мощности.

Возьмём три лампы с надписями: 40 Вт, 60 Вт и 75 Вт. Вкрутив их в люстру, мы обнаружим, что 75-ваттная лампа в каждый момент времени даёт явно больше тепла и света, чем лампа мощностью 40 Вт или 60 Вт. Другими словами, скорость превращения электроэнергии в тепловую и световую энергию в этих лампах различна.

Итак, мощность электротока – физическая величина, показывающая скорость превращения электроэнергии в другие виды энергии.

Вспомним, что 1 Вт = 1 Дж/с (см. § 5-в). Это значит, что при мощности тока 1 Вт энергия превращается со скоростью 1 джоуль в секунду. Тогда для тока мощностью 100 Вт это равно 100 Дж/с. Другими словами, лампа мощностью 75 Вт ежесекундно тратит 75 Дж электроэнергии и превращает их в тепло и свет.