Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 5. Електричний струм. Електричне коло. З'єднання провідників

З курсу фізики 8-го класу ви знаєте, що електричним струмом називають упорядкований (напрямлений) рух заряджених частинок. Електричний струм виникає, коли впорядковано переміщуються вільні електрони в металі або йони в електролітах тощо. Але якщо переміщувати в цілому нейтральне тіло, то, незважаючи на впорядкований рух величезної кількості електронів і атомних ядер, електричний струм не виникає. Повний заряд, який переноситься через будь-який переріз провідника, дорівнюватиме нулю, бо заряди різних знаків переміщуються з однаковою середньою швидкістю.

Електричний струм має певний напрямок. За напрямок струму беруть напрямок руху позитивно заряджених частинок. Якщо струм утворився рухом негативно заряджених частинок, то напрямок струму вважають протилежним до напрямку руху частинок. Розрізняють постійний і змінний струми. При постійному струмі через провідник у будь-якій його ділянці із часом проходить однаковий за значенням заряд і в одному напрямку. Для існування електричного струму в певному середовищі повинні виконуватися такі умови: 1) наявність вільних носіїв заряду (електронів, йонів тощо); 2) наявність у середовищі причин, унаслідок яких вільні заряджені частинки переміщуються в певному напрямку, наприклад наявність електричного поля; 3) наявність замкненого кола.

Струм, якщо він існує, обов’язково призводить або до виникнення магнітного поля, або до нагрівання провідника, або до зміни його структури.

Ви вже знаєте, що будь-який заряджений провідник має певний потенціал і в усіх точках його поверхні цей потенціал однаковий. Коли ж у провіднику існує струм, то потенціал у його різних точках не буде однаковий — він зменшується (спадає) у напрямку струму.

У провідниках майже завжди потрібно підтримувати струм протягом тривалого часу, тобто на їхніх кінцях різниця потенціалів не повинна зменшуватися. Пристрої, у яких відбувається розділення заряджених частинок, за рахунок чого і підтримується необхідна різниця потенціалів, називають джерелами струму. Сили, які діють у джерелі струму, переносять заряд від точок з меншим потенціалом до точок з більшим потенціалом, виконуючи в цей час роботу. Отже, джерело струму є джерелом енергії. Напругу на кінцях джерела (різницю потенціалів) ще називають енергетичною характеристикою струму. У гальванічних елементах та акумуляторах в електричну енергію перетворюється енергія хімічних взаємодій, у термогенераторах — теплова енергія тощо.

Електричні кола, у яких підтримується струм і використовуються його властивості, складаються із джерела струму, споживачів (нагрівники, освітлювальні прилади, електродвигуни тощо), вимірювальних і регулювальних приладів, вимикачів та інших елементів, з’єднаних провідниками.

Кількісною характеристикою електричного струму є його сила І.

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

де Δq — заряд, що переноситься вільними носіями заряду через поперечний переріз провідника; Δt — інтервал часу перенесення заряду. Сила струму вказує, скільки заряджених частинок пройшло через поперечний переріз провідника за одиницю часу.

Для створення та існування електричного струму потрібна наявність вільних заряджених частинок (носіїв струму) — позитивно або негативно заряджених, не зв’язаних в єдину електрично нейтральну систему, та сили, що створює і підтримує їхній упорядкований рух. Як правило, такою силою є сила з боку електричного поля всередині провідника, яке визначається електричною напругою на кінцях провідника.

Для того щоб струм був тривалий, енергія електричного поля має весь час поповнюватися. Тобто потрібен такий пристрій, у якому певний вид енергії безперервно перетворюється на енергію електричного поля. Такий пристрій називають джерелом електрорушійної сили, або джерелом струму.

З курсу фізики 8-го класу ви знаєте, що сила струму на ділянці кола прямо пропорційна прикладеній напрузі й обернено пропорційна опору цієї ділянки:

Нагадаємо, що опір характеризує здатність провідника протидіяти напрямленому руху заряджених частинок. Уперше цю залежність сили струму від напруги й опору у 1827 р. встановив німецький учений Георг Ом (1789-1854). На його честь її називають законом Ома для ділянки кола. Іноді формулу для закону Ома записують так: U = IR.

Добуток IR називають спадом напруги на ділянці кола. Якщо вона не містить джерела струму, то поняття напруги і спаду напруги збігаються.

Електрична енергія від джерела струму передається по проводах споживачам: електродвигунам, лампам, нагрівальним приладам, телевізорам, радіоприймачам тощо. За допомогою з’єднувальних провідників і вимикачів в електричне коло часто вмикають також вимірювальні прилади: амперметри, вольтметри, омметри, ватметри, лічильники електроенергії тощо.

Найпоширенішими і найпростішими типами з’єднання провідників є послідовне і паралельне з’єднання.

Під час послідовного з’єднання електричне коло не має розгалужень. Усі провідники увімкнено в коло по черзі, один за одним. На малюнку 1.16 показано послідовне з’єднання двох провідників, опори яких R₁ і R₂ (наприклад, з двома лампочками, двома обмотками електродвигуна тощо).

Сила струму в обох провідниках однакова: I = I₁ = I₂, оскільки в провідниках під час проходження постійного струму електричний заряд не накопичується і через будь-який переріз провідника за певний інтервал часу проходить один і той самий заряд.

Напруга (або різниця потенціалів) на кінцях цієї ділянки кола складається з напруг на першому і другому провідниках: U = U₁ + U₂.

Застосувавши закон Ома для всієї ділянки в цілому і для ділянок з опорами R₁ і R₂, можна довести, що повний опір під час послідовного з’єднання такий:

R = R₁ + R₂.

Аналогічну формулу застосовують і для будь-якої кількості послідовно з’єднаних провідників.

Напруги на провідниках і їхні опори у випадку послідовного з’єднання пов’язані співвідношенням:

На малюнку 1.17 показано паралельне з’єднання двох провідників, опори яких R₁ і R₂. У цьому випадку електричний струм І розгалужується на дві частини. Силу струму в першому і другому провідниках позначимо I₁ і I₂. Оскільки в точці А — розгалуженні провідників (цю точку називають вузлом) — електричний заряд не накопичується, то заряд, що надходить за одиницю часу у вузол, дорівнює заряду, що виходить з вузла за той самий час. Отже, І = І₁ + І₂.

Мал. 1.17

Напруга U на провідниках, з’єднаних паралельно, однакова.

В освітлювальній мережі підтримується напруга 220 В. На цю напругу розраховані прилади, що використовують електричну енергію. Тому паралельне з’єднання — найпоширеніший спосіб з’єднання різних споживачів. У цьому випадку вихід з ладу одного приладу не впливає на роботу інших, тоді як під час послідовного з’єднання вихід з ладу одного приладу розмикає все коло.

Застосовуючи закон Ома для ділянок з опорами R₁ і R₂, можна довести, що величина, обернена до повного опору ділянки АВ, дорівнює сумі величин, обернених до опорів окремих провідників:

Звідси

Ці формули можна застосувати до паралельного з’єднання будь-якої кількості провідників.

Сили струму в провідниках і їхні опори у випадку паралельного з’єднання пов’язані співвідношенням:

На практиці, щоб виміряти силу струму в провіднику, амперметр вмикають послідовно до цього провідника (мал. 1.18). Але треба мати на увазі, що сам амперметр має деякий опір R_a. Тому опір ділянки кола з увімкнутим амперметром збільшується, і за незмінної напруги сила струму зменшується згідно із законом Ома. Щоб амперметр якомога менше впливав на силу струму, який вимірюють, його опір роблять дуже малим. Це слід пам’ятати і ніколи не намагатися «виміряти силу струму» в мережі, вмикаючи амперметр у розетку: станеться коротке замикання. Сила струму за малого опору приладу досягне такого великого значення, що обмотка амперметра згорить.

Мал. 1.18

Щоб виміряти напругу на ділянці кола з опором R, до нього паралельно вмикають вольтметр. Напруга на вольтметрі збігатиметься з напругою на ділянці кола (мал. 1.19). Якщо опір вольтметра R_в, то після його вмикання в коло опір ділянки вже буде не R, а

Мал. 1.19

Тому напруга, яку вимірюють на ділянці кола, зменшиться. Щоб вольтметр помітно не спотворював вимірюваної напруги, його опір має бути набагато більший порівняно з опором ділянки кола, на якій вимірюється напруга. Вольтметр можна вмикати в коло, не ризикуючи, що він згорить, якщо він розрахований на напругу, яка перевищує напругу в мережі.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Що таке електричний струм? Який його напрямок?
• 2. Які є види електричного струму?
• 3. Як дізнатися, що струм в провіднику є?
• 4. Як визначається сила струму, що проходить через поперечний переріз провідника?
• 5. Назвіть умови створення та існування електричного струму в колі.
• 6. Запишіть закони послідовного і паралельного з’єднання провідників.
• 7. Чому опір амперметра має бути малий, а опір вольтметра — великий?