Главная
Сила тока для полной цепи: Закон Ома для полной цепи | Полезные статьи

Сила тока для полной цепи: Закон Ома для полной цепи | Полезные статьи

Полная цепь | СПАДИЛО

Полная цепь содержит источник тока — элемент электрической цепи, который поддерживают энергию с заданными параметрами. При этом энергоснабжение цепи не зависит от характеристик элементов, входящих в её состав, в частности, сопротивления.

Определения

В полной цепи действует электродвижущая сила, или ЭДС — скалярная физическая величина, которая характеризует работу сторонних сил, действующих в электрических цепях постоянного и переменного тока.

Сторонние силы — это силы любой природы (кроме электрической), которые разделяют заряды внутри источника тока. Виды сторонний сил:

  • механические;
  • магнитные;
  • химические;
  • световые;
  • тепловые.

Принято считать, что сторонние силы переносят положительные заряды в направлении от «–» к «+».

Электродвижущая сила обозначается как ε. Единица измерения — Вольт (В). Численно ЭДС равна отношению работы сторонних сил по перемещению заряда к величине этого заряда:

ε=Aстq. .

Aст (Дж) — работа сторонних сил по перемещению заряда q (Кл).

Не следует путать напряжение и ЭДС. Напряжение характеризует работу электрического поля, а ЭДС — работу сторонних сил.

Определение

Сила тока прямо пропорциональна сумме ЭДС цепи, и обратно пропорциональна сумме сопротивлений источника и цепи:

I=εR+r..

R (Ом) — полное сопротивление внешней цепи, r (Ом) — внутреннее сопротивление источника тока.

Пример №1. Рассчитайте силу тока в замкнутой цепи, состоящей из источника тока, у которого ЭДС равна 10 В, а внутреннее сопротивление равно 1 Ом. Сопротивление резистора равно 4 Ом.

I=εR+r..=101+4..=2 (А)

Напряжение на внешней цепи

Напряжение на внешней цепи — это напряжение на клеммах источника, или падение напряжения на внешней цепи. Оно равно:

U=IR

Выразим сопротивление через ЭДС:

R=εI..−r

Следовательно, напряжение на внешней цепи равно:

U=I(εI. .−r)=ε−Ir

КПД источника тока

Не вся работа сторонних сил идет непосредственно на перемещение зарядов. Для выражения доли, которая идет именно на перемещение зарядов, вводится понятие КПД (коэффициента полезного действия).

КПД источника тока равен:

η=Uε..100%=RR+r..100%

Пример №2. Напряжение на внешней цепи равно 6 В, ЭДС источника тока равно 12 В. Определить КПД источника тока.

η=Uε..100%=612..=50%

Короткое замыкание

Рассмотрим простую электрическую цепь:

Она состоит из источника тока (1), ключа (2) и потребителя (3). Теперь поговорим о том, что же произойдет, если цепь замкнуть проводником так, как показано на рисунке ниже.

Соединив точки А и В напрямую, мы заставим течь ток, минуя потребитель тока, поскольку сопротивление проводника АВ много меньше сопротивления потребителя. А ток всегда течет по пути наименьшего сопротивления.

В результате соединения точек А и В сопротивление в электрической цепи резко упадет, что приведет к резкому скачку силы тока.

Такое явление называется коротким замыканием.

Определение

Короткое замыкание — соединение концов участка цепи проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением участка цепи.

Если полное сопротивление внешней цепи R стремится к нулю, то сила тока при коротком замыкании равна:

Iк.з.=εr

 

.

Задание EF22543

В цепи, изображённой на рисунке, идеальный амперметр показывает 1 А. Найдите ЭДС источника, если его внутреннее сопротивление 1 Ом.

Ответ:

а) 23 В

б) 25 В

в) 27 В

г) 29 В

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.

2.Записать закон Ома для полной цепи.

3.Выполнить решение в общем виде.

4.Подставить известные данные и вычислить искомую величину.

Решение

Запишем исходные данные:

• Сила то на первом резисторе: I1 = 1 А.

• Внутреннее сопротивление источника тока: r = 1 Ом.

• Сопротивление первого резистора: R1= 3 Ом.

• Сопротивление первого резистора:

R2= 1 Ом.

• Сопротивление первого резистора: R3= 5 Ом.

Закон Ома для полной цепи:

I=εR+r..

R — полное сопротивление внешней цепи. Цепь состоит из последовательно соединенного третьего резистора с параллельным участком цепи, состоящим из первого и второго резисторов. Вычислим сопротивление параллельного участка цепи:

1R12..=1R1..+1R2..

R12=R1R2R1+R2..

Полное сопротивление внешней цепи равно:

R=R12+R3=R1R2R1+R2..+R3

Следовательно, ЭДС источника тока равен:

ε=I(R+r)=I(R1R2R1+R2..+R3+r)

Полная сила тока равна силе тока параллельного участка цепи, так как I = I3 = I12. А сила тока параллельного участка цепи равна сумме силы тока на первом и втором резисторе:

I12=I1+I2=I

Сначала найдем напряжение на первом резисторе, используя закон Ома для участка цепи:

U1=I1R1

Так как это параллельный участок, то:

U1=U2=U12

Следовательно, сила тока на втором резисторе равна:

I2=U2R2. .=I1R1R2..

Сила тока на всем участке цепи равна:

I=I12=I1+I1R1R2..=I1(1+R1R2..)

Теперь можем вычислить ЭДС источника тока:

ε=I1(1+R1R2..)(R1R2R1+R2..+R3+r)

ε=1(1+31..)(3·13+1..+5+1)=6,75·4=27 (В)

Ответ: в

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF17511

Конденсатор ёмкостью С = 2 мкФ присоединён к батарее с ЭДС ε = 10 В и внутренним сопротивлением r = 1 Ом. В начальный момент времени ключ К был замкнут (см. рисунок). Какой станет энергия конденсатора через длительное время (не менее 1 с) после размыкания ключа К, если сопротивление резистора R = 10 Ом? Ответ округлите до сотен.

Ответ:

а) 100 нДж

б) 200 нДж

в) 100 мкДж

г) 200 мкДж

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения в СИ.

2. Записать закон Ома для полной цепи и формулу для нахождения энергии конденсатора.

3.Выполнить решение задачи в общем виде.

4.Подставить исходные данные и вычислить искомую величину.

Решение

Запишем исходные данные:

• Емкость конденсатора: C = 2 мкФ.

• ЭДС батареи: ε = 10 В.

• Внутреннее сопротивление источника тока: r = 1 Ом.

• Сопротивление резистора: R = 10 Ом.

2 мкФ = 2∙10–6 Ф

Запишем закон Ома для полной цепи:

I=εR+r..

Энергия конденсатора определяется формулой:

W=CU22..

Напряжение внешней цепи связано с ЭЛС источника формулой:

U=ε−Ir

Используя закон Ома для полной цепи, получаем:

U=ε−εrR+r..=εR+εr−εrR+r..=εRR+r..

Тогда энергия конденсатора через длительное время станет равной:

W=12..C(εRR+r..)2

Округлим ответ до сотен и получим 100 мкДж.

Ответ: в

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF17550

Реостат R подключен к источнику тока с ЭДС E и внутренним сопротивлением r (см. рисунок). Зависимость силы тока в цепи от сопротивления реостата представлена на графике. Найдите сопротивление реостата, при котором мощность тока, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника, равна 8 Вт.

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.

2.Записать формулу для определения мощности тока, выделяемой на внутреннем сопротивлении источника, и выразить из нее сопротивление.

3.С помощью закона Ома для полной цепи найти неизвестные величины.

4.Выполнить решение в общем виде.

5.Выполнить вычисления, подставив известные и найденные данные.

Решение

Запишем исходные данные:

• Внутренне сопротивление источника тока: r.

• ЭДС источника тока: ε.

• Мощность тока, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника: Pвнутр = 8 Вт.

Мощность тока, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника, определяется формулой:

Pвнутр=(εR+r..)2r

Выразим отсюда сопротивление реостата:

R=ε√rPвнутр. .−r

Запишем закон Ома для полной цепи:

I=εR+r..

Согласно графику, при нулевом сопротивлении реостата, сила тока, равна 6 Амперам. Следовательно:

I(0 Ом)=εr..=6

Но при сопротивлении реостата в 4 Ом сила тока равна 2 Амперам. Следовательно:

I(4 Ом)=ε4+r..=2

Получили систему уравнений:

{.εr..=6..ε4+r..=2.)

ε=6r

6r4+r..=2

6r=8+2r

4r=8

r=2 (Ом)

ε=6·2=12 (В)

Теперь можем вычислить искомое сопротивление:

R=12√28..−2=4 (Ом)

Ответ: 4

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF18414

Конденсатор подключён к источнику тока последовательно с резистором R=20 кОм (см. рисунок). В момент времени t=0 ключ замыкают. В этот момент конденсатор полностью разряжен. Результаты измерений силы тока в цепи представлены в таблице.

Внутренним сопротивлением источника и сопротивлением проводов пренебречь.

Выберите два верных утверждения о процессах, наблюдаемых в опыте.

Ответ:

а) Ток через резистор в процессе наблюдения увеличивается.

б) Через 6 с после замыкания ключа конденсатор полностью зарядился.

в) ЭДС источника тока составляет 6 В.

г) В момент времени  t = 3 с напряжение на резисторе равно 0,6 В.

д) В момент времени t = 3 с напряжение на конденсаторе равно 5,7 В.

Алгоритм решения

1.Проверить истинность каждого утверждения.

2.Записать в ответе только истинные утверждения.

Решение

Согласно утверждению «а», ток через резистор в процессе наблюдения увеличивается. Но это не так, поскольку в таблице с течением времени сила тока уменьшается. Утверждение «а» неверно.

Согласно утверждению «б», через 6 с после замыкания ключа конденсатор полностью зарядился. Если это было бы так, то сила тока была бы равна 0. Но в момент времени t = 6 с она равна 1 мкА. Следовательно, утверждение «б» неверно.

Согласно утверждению «в», ЭДС источника тока составляет 6 В. Напряжение в цепи в начальный момент времени равно ЭДС источника. Следовательно:

ε=U(при t=0 c)=IR=300 мкА ·20 кОм=0,3·10−3А·20·103Ом=6 (В)

Вывод: утверждение «в» верное.

Согласно утверждению «г», в момент времени t = 3 с напряжение на резисторе равно 0,6 В. Чтобы проверить это, нужно умножить соответствующую силу тока на сопротивление резистора:

U=IR=15 мкА ·20 кОм=0,015·10−3А·20·103Ом=0,3 (В)

Вывод: утверждение «г» неверное.

Согласно утверждению «д», в момент времени t = 3 с напряжение на конденсаторе равно 5,7 В. Чтобы проверить это, нужно из ЭДС в этот момент времени вычесть напряжение на внешней цепи. Его мы уже нашли. Оно равно 0,3 В. ЭДС мы тоже нашли. Она равна 6 В. Их разность равна 5,7 В. Следовательно, утверждение «д» верно.

Ответ: вд

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Задание EF18453

На рис. 1 изображена зависимость силы тока через светодиод D от приложенного к нему напряжения, а на рис. 2 – схема его включения. Напряжение на светодиоде практически не зависит от силы тока через него в интервале значений 0,05 А<I<0,2 А. Этот светодиод соединён последовательно с резистором R и подключён к источнику с ЭДС E1=6 В. При этом сила тока в цепи равна 0,1 А. Какова сила тока, текущего через светодиод, при замене источника на другой с ЭДС E2=4,5 В? Внутренним сопротивлением источников пренебречь.

Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.

2.С помощью закона Ома для участка и для полной цепи определить сопротивление на светодиоде.

3.Выполнить решение задачи в общем виде.

4.Подставить известные данные и вычислить искомую величину.

Решение

Запишем исходные данные:

• ЭДС первого источника тока: ε1=6 В.

• Сила тока, проходящая через светодиод, подключенный к первому источнику тока: I1 = 0,1 А.

• ЭДС второго источника тока: ε2=4,5 В.

Из рисунка 1 следует, что при силе тока, равной I1= 0,1 А напряжение на светодиоде равно UD = 3 В. По закону Ома для участка цепи напряжение на резисторе, будет равно:

U1=I1R

По закону Ома для полной (замкнутой) цепи, имеем:

ε1=U1+UD

Следовательно:

U1=ε1−UD

Тогда сопротивление резистора равно:

R=ε1−UDI1..

Напряжение на светодиоде не зависит от силы тока, проходящего через него в интервале значений (это следует из графика рис. 1), поэтому U2=ε2−UDдля любой силы тока из этого интервала значений, следовательно, сила тока в цепи при изменении ЭДС источника:

I2=U2R..=ε2−UDR..=I1ε2−UDε1−UD..

I2=0,14,5−36−3..=0,05 (А)

Ответ: 0,05

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Алиса Никитина | Просмотров: 2.6k

Завершение цикла — действие

(5 оценок)

Нажмите здесь, чтобы оценить

Quick Look

Уровень: 4 (3-5)

Необходимое время: 15 минут

Расходные материалы Стоимость/группа: 2,00 долл. США

Размер группы: 2

Activity Depend08: 900

предметных областей: Алгебра, физика

Ожидаемые характеристики NGSS:

4-PS3-2

Доля:

TE Информационный бюллетень

Резюме

В повседневных электрических устройствах, которые мы используем — калькуляторах, пультах дистанционного управления и сотовых телефонах — для замыкания цепи и работы устройства требуется источник напряжения, такой как батарея. В этом практическом занятии учащиеся занимаются научной и инженерной практикой, проводя наблюдения, используя батареи, провода, маленькие лампочки и патроны для лампочек, чтобы исследовать явление электричества и узнать разницу между разомкнутой цепью и замкнутой цепью. . Студенты знакомятся с основными идеями дисциплины и сквозными концепциями электрического тока и передачи энергии, поскольку они понимают идею о том, что электрический ток возникает только в замкнутой цепи.

Эта учебная программа по инженерному делу соответствует научным стандартам следующего поколения (NGSS).

Инженерное подключение

Инженеры-электрики разрабатывают схемы и батареи для устройств и приборов, которые мы используем каждый день. Схемы можно найти в музыкальных плеерах, компьютерах, видеоиграх, бытовой технике, микроволновых печах, телефонах, телевизорах, камерах, медицинском оборудовании, транспортных средствах и многих других продуктах. Инженеры серьезно относятся к разработке схем, которые работают надежно и безопасно. В то время как во всем мире постоянно разрабатываются новые устройства, инженеры стремятся создавать более безопасные и эффективные продукты, которые в конечном итоге помогают улучшить жизнь людей.

Цели обучения

После этого задания учащиеся должны уметь:

  • Определить, распознать, построить и нарисовать замкнутую цепь.
  • Объясните, почему для работы любого электрического устройства требуется замкнутая цепь.
  • Опишите превращения энергии, происходящие в цепи.
  • Используйте правильные операции и соответствующие методы для решения задач закона Ома.

Образовательные стандарты

Каждый урок или занятие TeachEngineering соотносится с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.

Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www. achievementstandards.org).

В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т.д. .

NGSS: научные стандарты следующего поколения — наука
Ожидаемая производительность NGSS

4-ПС3-2. Проведите наблюдения, чтобы доказать, что энергия может передаваться с места на место с помощью звука, света, тепла и электрического тока. (4 класс)

Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату
Это занятие сосредоточено на следующих аспектах трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика Ключевые дисциплинарные идеи Концепции поперечной резки
Проводите наблюдения для получения данных, которые служат основой для объяснения явления или проверки проектного решения.

Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!

 Энергия может перемещаться с места на место посредством перемещения объектов или посредством звука, света или электрического тока.

Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!

Энергия присутствует всегда, когда есть движущиеся объекты, звук, свет или тепло. Когда объекты сталкиваются, энергия может передаваться от одного объекта к другому, тем самым изменяя их движение. При таких столкновениях часть энергии обычно также передается окружающему воздуху; в результате воздух нагревается и возникает звук.

Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!

Свет также переносит энергию с места на место.

Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!

Энергия также может передаваться с места на место с помощью электрических токов, которые затем могут локально использоваться для создания движения, звука, тепла или света. Токи могли быть созданы для начала путем преобразования энергии движения в электрическую энергию.

Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!

 Энергия может передаваться различными способами и между объектами.

Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!

Общие базовые государственные стандарты — математика
  • Умножьте или разделите, чтобы решить текстовые задачи, включающие мультипликативное сравнение, например, используя рисунки и уравнения с символом неизвестного числа для представления проблемы, отличая мультипликативное сравнение от аддитивного сравнения. (Оценка 4) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Используйте четыре операции с целыми числами для решения задач. (Оценка 4) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

  • Свободно умножайте многозначные целые числа по стандартному алгоритму. (Оценка 5) Подробнее

    Посмотреть согласованную учебную программу

    Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – Технология
ГОСТ
Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Подписаться

Подпишитесь на нашу рассылку новостей, чтобы получать внутреннюю информацию обо всем, что связано с TeachEngineering, например, о новых функциях сайта, обновлениях учебных программ, выпусках видео и многом другом!

PS: Мы никому не передаем личную информацию и электронные письма.

Список материалов

Каждой группе нужно:

  • 1 Батарея типа D
  • Изолированный провод 5–7 дюймов (13–18 см) (калибр AWG 22) (доступен в большинстве хозяйственных магазинов)
  • 1 маленький патрон для лампочки (#40) (дополнительно; продается в большинстве хозяйственных магазинов)
  • 1 маленькая лампочка (#40) (продается в большинстве хозяйственных магазинов)
  • небольшие инструменты для зачистки проводов или наждачная бумага (для удаления изоляции на концах проводов)
  • лента (скотч, малярный или электротехнический)
  • 1 Заполнение рабочего листа схемы
  • 1 Рабочий лист по закону Ома

Примечание. Эти материалы (кроме ленты и рабочих листов) можно повторно использовать во многих других работах с электричеством. Когда батареи изнашиваются, утилизируйте их на месте утилизации опасных отходов.

Рабочие листы и вложения

Завершение рабочего листа схемы (pdf)

Заполнение ответов на рабочий лист схемы (pdf)

Математический лист по закону Ома (pdf)

Ответы на рабочий лист по закону Ома (pdf)

Посетите [www. teachengineering.org/activities/view/cub_electricity_lesson03_activity1], чтобы распечатать или загрузить.

Больше учебных программ, подобных этому

Высший элементарный урок

Электроны в движении

Учащиеся узнают о текущем электричестве и необходимых условиях для существования электрического тока. Учащиеся строят простую электрическую цепь и гальванический элемент, чтобы понять, что такое напряжение, сила тока и сопротивление.

Электроны в движении

Высший элементарный урок

Параллельная схема и закон Ома: много путей для электричества

Студенты изучают состав и практическое применение параллельных схем по сравнению с последовательными схемами. Учащиеся проектируют и строят параллельные цепи, исследуют их характеристики и применяют закон Ома.

Параллельная схема и закон Ома: много путей для электричества

Высший элементарный урок

Цепи: один путь для электричества

Учащиеся узнают, что движение заряда по цепи зависит от сопротивления и расположения компонентов цепи. В одном связанном практическом упражнении учащиеся строят и исследуют характеристики последовательных цепей. В другом упражнении учащиеся проектируют и строят фонарики.

Цепи: один путь к электричеству

Высшая элементарная деятельность

Путь электронов

Студенты участвуют в интерактивной демонстрации «горячей картошки», чтобы получить представление о потоке электронов через цепь. Учащиеся разыгрывают различные части простой цепи и посылают по ней небольшие предметы, представляющие электроны (бумагу или конфеты).

Путь электронов

Введение/Мотивация

Вы когда-нибудь меняли лампочку в лампе? Или вы когда-нибудь наблюдали, как взрослый меняет лампочку в лампе или светильнике? (Некоторые учащиеся ответят «да».) Почему вы поменяли лампочку? (Возможные ответы: Лампа не включалась, лампочка перестала работать.) Что произошло, когда в лампу вставили новую лампочку. (Ответ: Лампа заработала и лампочка загорелась.)

Когда лампочка разбита или перегорела, она не загорается, потому что цепь лампы разомкнута . (Нарисуйте на доске незамкнутый круг, который не соединяет конец с началом). Однако, когда в лампу помещается новая лампочка, цепь лампы замыкается (нарисуйте на доске замкнутый круг), и электроны могут двигаться по цепи и зажигать лампочку.

Помните ли вы, что вы узнали об атомах? Атомы скважин состоят из более мелких частиц, называемых протонами, нейтронами и электронами. Электроны несут отрицательный электрический заряд и могут быстро переходить от одного атома к другому внутри материала. Этот «поток» электронов от одного конца материала к противоположному называется текущее электричество .

В ходе нашего сегодняшнего занятия вы обнаружите, что для зажигания лампочки в лампе необходим поток электронов. Однако могут произойти вещи, которые остановят движение электронов и выключат лампочку. Что может помешать движению электронов? (Дайте учащимся несколько минут, чтобы подумать об этом.) Что ж, сегодня вы разгадаете эту «загадку» во время занятия.

У вас в доме есть электрические цепи? Кто проектирует эти схемы? (Послушайте идеи учащихся.) Именно инженеры-электрики проектируют схемы для устройств и приборов, которыми мы пользуемся каждый день. Эти схемы можно найти в тостерах, микроволновых печах, сотовых телефонах, DVD-плеерах, видеоиграх и даже в автомобилях и грузовиках. Можете ли вы представить себе жизнь без некоторых из этих предметов, на которые мы полагаемся в повседневных задачах и развлечениях? Инженеры несут ответственность за проектирование схем, которые работают безопасно и правильно. Таким образом, ваш телевизор не перестанет работать во время любимой телепередачи!

Процедура

Фон

Любой путь, по которому могут двигаться заряды, называется электрической цепью.

Рис. 1. Пример простой замкнутой цепи, созданной с использованием батареи, провода, держателя лампочки и лампочки.

Copyright

Copyright © 2003 Джо Фридрихсен, Программа ITL, Инженерный колледж, Колорадский университет в Боулдере

Если на пути есть разрыв, то не может быть тока (потока электрического заряда), и цепь называется обрыв цепи . Однако если путь для движения заряда завершен, то цепь замыкается; ток может быть только в замкнутой цепи . Электроны не могут накапливаться или исчезать в цепи. Схема может быть простой, как провод, подключенный к обеим клеммам батареи, или такой сложной, как интегральные схемы, которые можно найти в домашнем компьютере.

Перед занятием

  • Отрежьте достаточное количество проволоки для каждой пары учащихся.
  • Сделайте копии двух рабочих листов.

Со студентами

  1. Спросите учащихся: в чем разница между открытым и закрытым контуром? (Ответ: Замкнутая цепь — это цепь с полным путем, позволяющим протекать заряду [току]. Разомкнутая цепь — это цепь с разрывом пути, так что заряд не может двигаться. См. пример на рис. 1. замкнутая цепь.) Что такое напряжение? (Ответ: напряжение — это разность электрических потенциалов между двумя точками цепи. Может быть полезно представить напряжение как «электрическое давление», которое заставляет электроны двигаться в проводнике.)
  2. Пусть каждая команда учащихся возьмет батарейку, лампочку, держатель лампочки и кусок провода.
  3. Используя инструмент для зачистки проводов или наждачную бумагу, осторожно удалите около 1/4–3/8 дюйма (приблизительно 6–10 мм) изоляции с концов провода.
  4. Попробуйте соединить аккумулятор, лампочку, держатель лампочки и провод, чтобы лампочка загорелась. При необходимости используйте ленту. Сколькими способами можно подсоединить лампочку/патрон лампочки к аккумулятору, чтобы лампочка загорелась? (Ответ: Нет. У вас только один провод!)
  5. Теперь разрежьте провод на две части. Снова удалите приблизительно 1/4–3/8 дюйма (около 6–10 мм) изоляции с концов каждого отрезка провода.
  6. Попробуйте соединить аккумулятор, лампочку, держатель лампочки и два куска провода, чтобы лампочка загорелась. Сколькими способами можно подсоединить лампочку/патрон лампочки к аккумулятору, чтобы лампочка загорелась? Нарисуйте все способы, которые вы нашли. Попробуйте найти как минимум два способа сделать это.
  7. Теперь, на короткое время соедините клеммы аккумулятора с помощью всего лишь куска провода. (Примечание: это должен быть очень краткий тест, чтобы получить представление об энергии в цепи.) Что вы заметили в батарее и проводе? (Ответ: Батарейка и провод теплые.) В частности, как ощущаются ваши пальцы, когда они держат провод на клеммах батарейки? (Ответ: Пальцы учащихся должны быть немного теплыми.) Как ощущаются батарейка, лампочка и провод после того, как вы выполнили все шаги упражнения? (Ответ: Батарея, лампочка и провод нагрелись после выполнения задания.)
  8. Попросите учащихся в парах заполнить лист «Завершение схемы».
  9. (необязательно) Работая в парах, предложите учащимся заполнить математический лист по закону Ома.

Оценка

Предварительная оценка

Вопрос/Ответ: Задайте учащимся вопросы и попросите их поднять руки, чтобы ответить. Напишите ответы на доске и обсудите их в классе.

  • В чем разница между открытым и закрытым контуром? (Ответ: Замкнутая цепь — это цепь с полным путем, позволяющим протекать заряду [току]. Разомкнутая цепь — это цепь с разрывом пути, и поэтому заряд не может двигаться.)
  • Что такое напряжение? (Ответ: разница электрических потенциалов между двумя точками в цепи. Вы можете думать о напряжении как об «электрическом давлении», которое заставляет электроны двигаться в проводнике.)

Встроенная оценка активности

Вопрос/Ответ: Задайте учащимся вопросы и попросите их поднять руки, чтобы ответить. Напишите ответы на доске и обсудите их в классе.

  • Сколько подключений к аккумулятору необходимо, чтобы лампочка загорелась? (Ответ: два. Соединение с положительной клеммой и соединение с отрицательной клеммой.)
  • После соединения клемм аккумулятора с помощью всего лишь куска провода, что вы заметили в аккумуляторе и проводе? (Ответ: Батарейка и провод были теплыми.) В частности, какие ощущения у ваших пальцев, когда они держали провод на клеммах батареи? (Ответ: Пальцы учащихся должны быть немного теплыми.)
  • Как себя чувствовали батарея, лампочка и провод после того, как вы выполнили все шаги упражнения? (Ответ: батарея, лампочка и провод были теплыми после выполнения задания. )

Рабочий лист/Проверка в парах: Предложите учащимся работать в парах над выполнением рабочего листа схемы. После того, как команды учащихся закончат свои рабочие листы, попросите их сравнить ответы с группой сверстников, дав всем учащимся время закончить рабочий лист.

Оценка после активности

Рабочие листы по математике/Проверка пар: Предложите учащимся работать в парах над рабочим листом по закону Ома. После того, как команды учащихся закончат свои рабочие листы, попросите их сравнить ответы с группой сверстников, дав всем учащимся время закончить рабочий лист.

Рисование и обсуждение в классе: Предложите учащимся изобразить свои знания в предметной области, нарисовав и пометив некоторые концепции или действия. Например,

  • Пусть каждая группа напишет свои определения замкнутых и разомкнутых контуров. Рядом с каждым определением нарисуйте цепь — с одной лампочкой, одной батареей и проводом — разомкнутую или замкнутую.
  • Попросите каждую группу нарисовать как можно больше уникальных способов построить замкнутую цепь из одной лампочки, одной батарейки и одного куска провода. Сравните результаты групп в классе и обсудите достоверность каждого рисунка.

Вопросы безопасности

  • Попросите учащихся никоим образом не прикасаться ртом к своим цепям (проводам, лампочкам и батареям) из-за возможности поражения электрическим током (не говоря уже о том, что они, вероятно, тоже грязные).
  • Подсоединяйте клеммы аккумулятора только с помощью куска провода на короткое время (как показано в шаге 7 в разделе Процедура ). Если провод остается подключенным к клемме в течение длительного времени, это может привести к опасности.

Советы по устранению неполадок

Это задание можно выполнить без патронов для лампочек.

Если учащиеся забудут снять изоляцию с концов провода, у провода не будет хорошего электрического контакта с клеммами аккумулятора.

Может быть полезно провести сравнение между «схемой» и «кругом» для учащихся.

Расширения деятельности

Варианты батареек : Соберите три простые схемы, первую с использованием батарейки ААА, вторую с использованием батарейки АА и третью с использованием батарейки типа D. Попросите учащихся предсказать, какой из трех будет самым ярким. Попросите учащихся сравнить яркость лампочек в каждой цепи. (Ответ: Все батареи должны иметь одинаковую яркость, поскольку напряжения всех трех батарей одинаковы.)

Масштабирование активности

  • Для младших классов выберите одну или две реальные задачи из математического листа по закону Ома и решите их вместе, всем классом.
  • Для старших классов выполните задание как есть, и пусть учащиеся заполнят рабочий лист по закону Ома по математике индивидуально.

Авторские права

© 2004 Регенты Колорадского университета.

Авторы

Сочитл Замора Томпсон; Сэйбер Дюрен; Джо Фридрихсен; Дарья Котыс-Шварц; Малинда Шефер Зарске; Дениз В. Карлсон; Джанет Йоуэлл

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж Колорадского университета в Боулдере

Благодарности

Содержание этой учебной программы цифровой библиотеки было разработано в рамках гранта Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), Министерства образования США и Национального научного фонда, грант GK-12 №. 0338326. Однако это содержание не обязательно отражает политику Министерства образования или Национального научного фонда, и вы не должны исходить из того, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 10 декабря 2020 г.

Физика прерывания электрического тока

Напряжение и ток в полной электрической цепи подчиняются законам напряжения и тока Кирхгофа. Проще говоря, эти законы таковы: повышение и понижение напряжения в любой замкнутой цепи (петле цепи) должны в сумме равняться нулю; и общий ток, протекающий через любой переход (точку соединения), также должен в сумме равняться нулю. Если мы хотим прервать ток в цепи, мы должны сделать это в соответствии с этими законами.

Хотя это звучит просто, разомкнуть цепь, разорвать проводящий путь или разомкнуть выключатель — это не так. Принудить проводящую цепь к установившемуся состоянию нулевого тока совсем не просто. Часто реальная подробная физика процесса прерывания тока затемняется кажущейся тривиальностью действия переключения — например, простого выключения фонарика. Но подумайте, что на самом деле происходит, когда фонарик выключается.

Установившийся постоянный ток (DC) течет от батарей к лампочке, когда контакты переключателя начинают двигаться. В последних микроскопических точках электрического контакта плотность тока становится достаточно высокой, чтобы части металлических поверхностей фактически плавились из-за резистивного нагрева; и состояние плазмы паров жидкого металла продолжает электрический проводящий путь, поскольку контакты физически являются частью. По мере того, как контакты отдаляются друг от друга на расстояние в несколько микрон (один микрон = 10 -6 метра), электроны из контакта, на который течет ток, катодного контакта, эмитируются в область межконтактного пространства за счет термоэмиссии (выкипают) и автоэмиссии (вырываются из металла катода силы электростатического притяжения).

Часть этих электронов, испускаемых катодом, сталкивается с молекулами воздуха в пределах контактного промежутка и ионизирует молекулы. Это высвобождает еще больше электронов, которые, в свою очередь, ионизируют еще больше молекул воздуха. Это самовоспроизводящееся действие представляет собой явление электрического пробоя, обычно называемое дугой. Именно дуга позволяет выключателю размыкать цепь. Дуга образуется так же, как и часть контактов, и продолжает проводить ток цепи по мере того, как контакты отодвигаются все дальше и дальше друг от друга.

Падение напряжения на дуге, пропорциональное длине дуги и обратно пропорциональное размеру поперечного сечения дуги, находится последовательно с напряжениями в цепи, в которой находится переключатель. Напряжение дуги увеличивается по мере того, как дуга удлиняется за счет физического перемещения контактов, а поперечное сечение дуги уменьшается по мере того, как дуга охлаждается при контакте с неионизированными молекулами воздуха.

Напряжение дуги в низковольтных цепях постоянного тока растет с такой скоростью, что вскоре превышает или, по крайней мере, достигает напряжения источника в цепи (в фонарике начальное напряжение дуги превышает напряжение батареи). Когда это происходит, ток в цепи быстро обнуляется. Все цепи содержат маленькую, но конечную индуктивность, поэтому ток не может мгновенно снизиться до нуля. Когда ток достигает нуля, дальнейшей ионизации дуги не происходит, и дуга охлаждается еще быстрее, так как в нее не поступает энергия. Если он на мгновение охладится до такого состояния, что перестанет быть проводящей средой, то процесс прерывания завершится и цепь разомкнется. Важно помнить, что именно дуга сводит ток к нулю. Размыкание выключателя образует дугу, но именно дуга позволяет разорвать цепь.

Выключатель или устройство прерывания цепи, предназначенное для размыкания цепей переменного тока (AC), имеет несколько более легкую работу, чем его аналог постоянного тока. В цепях переменного тока нет необходимости форсировать состояние нулевого тока. Поскольку ток уже колеблется около нуля, в каждом цикле переменного тока дважды возникает естественный нулевой ток. Любая дуга, которая образуется в коммутационном устройстве переменного тока, не должна растягиваться и охлаждаться до такой степени, что напряжение дуги превышает величину напряжения источника цепи. Однако это можно сделать, если кто-то хочет ограничить величину перегрузки по току, снизив ее до неестественного нулевого тока.

Переменные токи могут быть отключены при естественном нулевом токе, который в первую очередь определяется только цепью и практически не зависит от наличия прерывающего устройства. В качестве альтернативы, переменные токи могут прерываться при принудительном нулевом токе, который накладывается действием прерывающего устройства. Рисунок 1.3 иллюстрирует эти концепции естественного и вынужденного нулевого тока в цепи переменного тока.

Все механические выключатели и механические устройства отключения цепи зависят от быстрого охлаждения среды дуги для размыкания электрической цепи. Твердотельные переключатели не нуждаются в дуге для разрыва цепи, поскольку они питают свою собственную проводящую среду, сам полупроводниковый материал. Полупроводник может проводить ток только до тех пор, пока подвижные носители (электроны и дырки) поступают из областей питания или инжекции внутри устройства. Если инжекцию подвижных носителей в полупроводниковый переключатель отключить, то полупроводниковый материал вернется в изолирующее состояние и заблокирует протекание тока, то есть полупроводниковый переключатель выключится.

Допустимая плотность тока в полупроводниковом выключателе намного ниже той, которая может безопасно протекать в металлическом контакте/дуговом выключателе. Таким образом, размер поперечного сечения полупроводникового переключателя для устройств одинакового номинала всегда будет больше, чем у механического переключателя.

Оставить комментарий