DIPOLСеминар 101_4

Ток. Напряжение. Сопротивление

ТОЭ · Основы электрики и автоматики
Электрическая цепьНажмите на ключ, чтобы замкнуть или разомкнуть цепь · на провод, лампу или соединение, чтобы заглянуть внутрь
Ток есть
Сила тока I0одинакова в каждой точке цепи
На клеммах источника0U = ε − I·r
Напряжение на лампе0
Сопротивление цепи0
Внутри провода: кристаллическая решётка
Все три условия выполнены

Соединения проводов: нагрев и минусы

допустимо для этого соединения160 °C — ПВХ-изоляция плавитсяНажмите на строку, чтобы поставить это соединение в цепь и заглянуть внутрь.
СоединениеRп сейчасПотери I²·RпТемпература, шкала 0–300 °CПлюсы и минусы

Где «теряется» напряжение

Идём по цепи от минуса источника. Внутри источника сторонние силы поднимают потенциал на величину ЭДС. Дальше на каждом участке он падает: это и есть напряжение участка. Ток при этом везде один и тот же.

Куда уходит энергия

Мощность источника P = ε·I делится между участками. На каждом выделяется I²·R: где больше сопротивление, там больше тепла.

Чтобы не путать

ВеличинаЧто этоЕдиницаЧем и как измеритьАналогия с водойГлавное
εЭДСРабота сторонних сил источника по переносу заряда 1 Кл внутри источника от «−» к «+»В вольтВольтметр на клеммах источника при разомкнутой цепиНасос, который поднимает воду наверхЕсть только у источника. Есть даже когда ток не идёт
UНапряжениеРазность потенциалов между двумя точками. Работа поля по переносу 1 Кл между нимиВ вольтВольтметр параллельно участкуРазница давлений между двумя точками трубыВсегда «между» двумя точками. Не течёт по проводу. U на клеммах = ε − I·r
IСила токаЗаряд, прошедший через сечение проводника за 1 секунду: I = q / tА амперАмперметр в разрыв цепи, последовательноСколько литров воды проходит через трубу за секундуТечёт по цепи. В последовательной цепи одинаков везде, в лампе не расходуется
RСопротивлениеСвойство проводника мешать дрейфу электронов: столкновения с ионами решётки. R = ρ·L / SОмОмметр на обесточенном участкеУзость и шероховатость трубыЗависит от материала, длины, сечения и температуры. От тока и напряжения не зависит

Частые ошибки учеников

Ток расходуется в лампеАмперметры до и после лампы показывают одно и то же. В лампе расходуется энергия, а не заряд.
Электроны берутся из батарейкиОни уже есть в проводе: это электронный газ металла. Источник только толкает их по кругу.
Электроны летят со скоростью светаСо скоростью света распространяется поле. Сами электроны дрейфуют на доли миллиметра в секунду.
Напряжение течёт по проводуПо проводу течёт ток. Напряжение всегда измеряют между двумя точками.
ЭДС и напряжение одно и то жеНа клеммах U = ε − I·r. Совпадают только при разомкнутой цепи.
Толще провод, больше сопротивлениеНаоборот: больше сечение, больше «коридоров» для электронов, меньше R.
Нет тока, значит нет напряженияРазомкните ключ: вольтметр на источнике покажет ε, а весь перепад окажется на разрыве.
Автомат защитит от плохого контактаТок в цепи нормальный, автомат его не видит. Греется одна точка. Спасает только качественный монтаж и тепловизор.

Контрольные вопросы

Назовите три условия существования тока

Свободные носители заряда, напряжение (источник, который поддерживает разность потенциалов) и замкнутая цепь. Уберите любое, и тока не будет.

Почему лампа загорается сразу, если электроны ползут медленно?

При замыкании поле распространяется по проводу почти со скоростью света и приводит в движение все свободные электроны цепи одновременно.

Почему сопротивление металла растёт при нагреве?

Ионы решётки колеблются сильнее, электроны сталкиваются с ними чаще. Каждое столкновение отдаёт энергию решётке, провод греется ещё сильнее: положительная обратная связь.

Что будет, если провод сделать вдвое длиннее? Вдвое толще?

Вдвое длиннее: R вырастет вдвое. Сечение вдвое больше: R уменьшится вдвое. R = ρ·L / S.

Почему нихром греется, а медь нет?

Нихром — сплав. Атомы разного размера нарушают порядок решётки, электроны сталкиваются постоянно. Удельное сопротивление в 65 раз больше, чем у меди.

Почему плохой контакт опаснее короткого замыкания?

Короткое замыкание автомат отключит. Плохой контакт даёт нормальный ток, но всё тепло выделяется в одной точке: изоляция плавится, возможен пожар.

DIPOL · Центр инженерного образования. Модель учебная: удельные сопротивления взяты из паспорта семинара, лампа накаливания 12 В с вольфрамовой нитью, нагрев провода считается по теплоотдаче его поверхности.