2.4. Постоянный электрический ток. Действия электрического тока. Сила тока. Напряжение

Краткая теория по теме «Постоянный электрический ток. Действия электрического тока. Сила тока. Напряжение»

Направленное движение заряженных частиц под действие электрического поля называется электрическим током.

Для существования электрического тока необходимо выполнение условий:

1. наличие свободных заряженных частиц;
2. наличие электрического поля.

Свободные заряды имеются в проводниках, а электрическое поле создают источники тока.

Обнаружить электрический ток можно по его действиям:

1. тепловому (при прохождении электрического тока по проводнику он нагревается, например, работа утюга, фена, чайника и т.д.);
2. магнитному (вокруг проводника с током существует магнитное поле, например, поворот рамки в магнитном поле, электрический двигатель);
3. химическому (под действием электрического тока могут происходить химические реакции, например, электролиз, получение металлов).

За направление электрического тока принимается направление движения положительно заряженных частиц (от «плюса к минусу»).

Величины характеризующие ток: сила тока и напряжение. За некоторой промежуток времени $t$, при движении заряженных частиц, через поперечное сечение проводника будет проходить некоторый электрический заряд $q$.

Физическая величина, характеризующая скорость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда $q$, прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени $t$, к этому промежутку времени называется силой тока. Обозначение — $I$, единица измерения -ампер (А)

$I=\frac{q}{t}$.

Ток называется постоянным, если сила тока не изменяется ос временем. Прибор для измерения силы тока — амперметр. Включается  амперметр в цепь последовательно с тем участком цепи, где требуется измерить силу тока.

Напряжение — физическая величина равная отношению работы электрического поля при перемещении электрического заряда к величине этого заряда. Обозначение — $U$, единица измерения — вольт (В)

$U=\frac{A}{q}$.

Прибор для измерения напряжения — вольтметр. Включается  вольтметр в цепь параллельно с тем участком цепи, напряжение на концах которого нужно измерить. Включая вольтметр и амперметр в цепь, необходимо соблюдать полярность: провод, который идёт от источника тока (+), необходимо присоединять к клемме вольтметра и амперметра (+); провод, который идёт от клеммы (-) источника тока, необходимо присоединять к клемме вольтметра и амперметра (-).

Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ

1. По проводнику течёт постоянный электрический ток. На рисунке отображена зависимость величины заряда q, проходящего через проводник, от времени t. Чему равна сила электрического тока в проводнике?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Чтобы найти силу тока, нужно разделить электрический заряд, прошедший через проводник,  на время,  за которое он прошел через него. При работе с графиками всегда нужно выбирать те точки, где график проходит через вполне определенные значения. В нашем случае точка с координатами (4; 4). Значит, сила тока равна

$I=\frac{4}{4}=1$ А.

Ответ: 1 А

[свернуть]

2. Электродвигатель подъёмного крана равномерно поднимает груз массой 1 т на высоту 18 м за 50 с. КПД установки составляет 50%. Чему равна сила тока, протекающего через электродвигатель, если он работает под напряжением 360 В?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Подъемный кран поднимает груз, значит полезная работа — это работа по совершаемая по поднятию груза против силы тяжести — $A_\Pi =mgh$. Эту работу подъемный кран выполняет благодаря электрическому двигателю, значит затраченная работа — это работа электрического тока двигателя — $A_3=qU$. Таким образом, КПД двигателя

$\eta =\frac{mgh}{qU}$.

Из полученной формулы найдем электрический заряд, проходящий через обмотку электродвигателя

$q=\frac{mgh}{\eta U}$.

Теперь найдем силу тока

$I=\frac{q}{t}=\frac{mgh}{\eta Ut}$,

$I=\frac{q}{t}=\frac{1000\cdot 10\cdot 18}{0,5\cdot 360\cdot 50}=20$ А.

Ответ: 20 А

[свернуть]

3. Запишите результат измерения электрического напряжения (см. рисунок), учитывая, что погрешность измерения равна цене деления вольтметра.

1) (1,4 ± 0,1) В
2) (1,4 ± 0,5) В
3) (2,4 ± 0,1) В
4) (2,8 ± 0,2) В

Нажмите, чтобы увидеть решение

Клемма вольтметра установлена на измерения предельного напряжения 3 В, т.е. при измерении пользуемся нижней шкалой. Определим вначале цену деления прибора: берем два ближайших подписанных штриха, например 1 и 2, из большего вычитаем меньшее и делим разность на количество делений между ними. Количество делений между указанными штрихами -10, тогда цена деления

$\frac{2-1}{10}=0,1$В

Стрелка вольтметра установилась напротив четвертого штриха после значения в 1 В, значит показания вольтметра равны 1,4 В. С учетом погрешности, равной цене деления значение напряжения равно (1,4 ± 0,1) В.

Ответ: 1 

[свернуть]

4. Ученик собрал электрическую цепь, представленную на рисунке.

Какое утверждение верное?

1) При замыкании ключа амперметр покажет силу электрического тока, протекающего через реостат R.
2) При замыкании ключа вольтметр покажет электрическое напряжение на реостате R.
3) При замыкании ключа вольтметр покажет общее электрическое напряжение на  резисторах R1 и  R2.
4) Вольтметр включён в электрическую цепь с нарушением полярности подключения.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Изобразим электрическую схему цепи

Охарактеризуем эту цепь. Видно, что приборы включены с соблюдением полярности («плюс к плюсу и минус к минусу»). При этом вольтметр показывает напряжение на резисторе к которому он параллельно подключен, т.е. на втором. А амперметр измеряет силу тока во всей цепи, в том числе и силу электрического тока, идущего через реостат.

Ответ: 1 

[свернуть]

5. Силу тока в электрической цепи  измеряют с помощью амперметра. Укажите цену деления и предел измерения амперметра, шкала которого представлена на рисунке.

1) 0,1 А; 2 А
2) 0,1 А; 10 А
3) 0,2 А; 2 А
4) 0,2 А; 10 А

Нажмите, чтобы увидеть решение

Определим вначале цену деления прибора: берем два ближайших подписанных штриха, например 4 и 2, из большего вычитаем меньшее и делим разность на количество делений между ними. Количество делений между указанными штрихами -10, тогда цена деления

$\frac{4-2}{10}=0,2$ А.

Предел измерения данного амперметра (максимальное значение величины, которое может быть измерено с помощью данного прибора) равно 10 А.

Ответ: 4 

[свернуть]

 

6. Для измерения силы тока, проходящего через лампу, и электрического напряжения на лампе ученик собрал электрическую цепь, представленную на рисунке.

Какие измерительные приборы включены в электрическую цепь правильно?

1) Только амперметр
2) Только вольтметр
3) И амперметр, и вольтметр включены правильно
4) И амперметр, и вольтметр включены неправильно

Нажмите, чтобы увидеть решение

Полярность при подключении приборов соблюдена: положительные клеммы приборов соединены проводами с положительным полюсом источника тока. Амперметр включен в цепь последовательно, а вольтметр параллельно лампочке и реостату, значит он будет показывать значение напряжения на реостате и лампе, а не только на лампе. Значит, только амперметр включен в цепь правильно.

Ответ: 1 

[свернуть]

7. Ученик проводит опыты по измерению силы тока и напряжения на различных резисторах (см. таблицу и электрическую схему). Источник тока даёт напряжение, равное 4 В.

№ проводника Материал резистора Сопротивление резистора R, Ом
1 Никелин 30
2 Фехраль 10

В схемах ученик использует двухшкальные измерительные приборы. Погрешность измерения считать равной цене деления шкал приборов.

Какую(-ие) из шкал (нижнюю или верхнюю) следует использовать для более точных измерений? Ответ поясните.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Для измерения напряжения необходимо воспользоваться верхней шкалой вольтметра, т.к. предел измерения нижней шкалы — 3 В, чего не достаточно для измерения напряжения в 4 В. Сила тока, идущего через никелиновый проводник: $I=\frac{4}{30}\approx 0/13$ А. Для измерения силы тока, идущего через никелиновый проводник можно использовать нижнюю шкалу амперметра с пределом 0,8 А и меньшей ценой деления, чем у верхней шкалы. Тогда измерения будут точнее. Сила тока, идущего через фехралевый проводник: $I=\frac{4}{10} = 0,4$. Для измерения силы тока, идущего через фехралевый проводник можно использовать также нижнюю шкалу амперметра с пределом 0,8 А.

[свернуть]

8. Установите соответствие между физическими понятиями и примерами этих понятий. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПОНЯТИЯ ПРИМЕРЫ
А) физическая величина

Б) единица физической величины

В) прибор для измерения физической величины

1) амперметр
2) ватт
3) сила тока
4) электрон
5) электризация

Нажмите, чтобы увидеть решение

Физическая величина — сила тока, единица физической величины — ватт, прибор для измерения физической величины — амперметр.

Ответ: 321

[свернуть]

9. По проводнику течёт постоянный электрический ток. Сила тока в проводнике равна 0,25 А. На каком из рисунков отображена зависимость величины заряда, проходящего через проводник, от времени?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Найдем силу тока в каждом случае, используя для этого удобные точки графика

$I_1=\frac{3}{4}=0,75$ А,

$I_2=\frac{2}{4}=0,5$ А,

$I_3=\frac{3}{2}=1,5$ А,

$I_4=\frac{2}{8}=0,25$ А.

Правильны график построен под номером 4.

Ответ: 4

[свернуть]

10. Найдите силу тяги, развиваемую при скорости 12 м/с электровозом, работающим при напряжении 3 кВ и потребляющим ток 1,6 кА. КПД двигателя электровоза равен 85%.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Полезная работа — это работа совершаемая по перемещению электровоза силой тяги — $A_\Pi =Fs$. Сила тяги появляется благодаря работе электрического двигателя, значит затраченная работа — это работа электрического тока двигателя — $A_3=qU$. Таким образом, КПД двигателя

$\eta =\frac{Fs}{qU}$.

Найдем электрический заряд, проходящий через обмотку электродвигателя

$q=I \cdot t$.

Перепишем формулу КПД с учетом нахождения заряда

$\eta =\frac{Fs}{ItU} = \frac{Fv}{IU}$.

Теперь найдем силу тяги

$F=\frac{\eta IU}{v}$,

$F=\frac{0,85\cdot 1600\cdot 3000}{12}=340000$ Н $=340$ кН.

Ответ: 340 кН

[свернуть]

11. Электрическая плитка, включена в сеть напряжением 220 В. Какую энергию потребляет плитка за 20 мин работы, если сила тока, протекающего через ее спираль, 5 А?

1) 22 кДж
2) 110 кДж
3) 1320 кДж
4) 4840 кДж

Нажмите, чтобы увидеть решение

Энергия, потребляемая плиткой, равна работе электрического тока, которую можно найти через напряжение

$A=qU$.

Электрический заряд, прошедший через поперечное сечение проводника, можно найти через силу тока

$q=It$.

Окончательно получим

$A=UIt$,

$A=220 \cdot 5 \cdot 1200=1320000$ Дж $=1320$ кДж.

Ответ: 3

[свернуть]

12. Электрическая лампочка, включённая в сеть напряжением 220 В, за 30 мин потребляет 1980 кДж электроэнергии. Чему равна сила тока, протекающего через её спираль?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Энергия, потребляемая плиткой, равна работе электрического тока, которую можно найти через напряжение

$A=qU$.

Электрический заряд, прошедший через поперечное сечение проводника, можно найти через силу тока

$q=It$.

Окончательно получим

$A=UIt$.

Из последней формулы выразим силу тока

$I=\frac{A}{Ut}$,

$I=\frac{1980000}{220 \cdot 1800}=5$ А.

Ответ: 5 А

[свернуть]

13. Электрический ток в растворе поваренной соли будут создавать

1) только электроны
2) только положительные ионы
3) только положительные и отрицательные ионы
4) электроны, положительные и отрицательные ионы

Нажмите, чтобы увидеть решение

Раствор поваренной соли относится к электролитам — он проводит электрический ток. Носителями зарядов в электролитах являются положительные и отрицательные ионы, которые образуются при растворении вещества.

Ответ: 3

[свернуть]

14. Какое(-ие) действие(-я) электрического тока наблюдается(-ются) для всех проводников с током?

1) тепловое
2) химическое
3) магнитное
4) тепловое и магнитное

Нажмите, чтобы увидеть решение

Тепловое действие проявляется не всегда. Материалы называемые сверхпроводниками, при прохождении через них электрического тока, не нагреваются. Химическое действие также обнаруживается не всегда, например, когда ток идет по металлическому проводнику, химических реакций не происходит. Магнитное поле обязано своим появлением движущимся заряженным частицам. Поскольку электрический ток представляет собой движение частиц, то вокруг любого проводника с током будет существовать магнитное поле.

Ответ: 3

[свернуть]

15. На рисунке представлен график зависимости силы электрического тока I, текущего по проводнику, от времени t.

Заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время от 80 до 100 с, равен по модулю

1) 200 Кл
2) 160 Кл
3) 60 Кл
4) 40 Кл

Нажмите, чтобы увидеть решение

Запишем формулу вычисления электрического заряда, прошедшего поперечное сечение проводника

$q=It$.

В интервале времени от 80 секунд до 100 секунд сила тока была равна — 2 А. Продолжительность интервала — 20 секунд, тогда

$q=2 \cdot 20=40$ Кл.

Ответ: 4

[свернуть]

16. К устройствам, служащим для замыкания и размыкания электрической цепи, относится

1) реостат
2) рубильник
3) вольтметр
4) гальванический элемент

Нажмите, чтобы увидеть решение

Реостат — прибор для регулирования силы тока.
Вольтметр — прибор для измерения напряжения.
Гальванический элемент — источник тока.
Рубильник — устройство для замыкания и размыкания электрической цепи.

Ответ: 2

[свернуть]

17. Какое действие электрического тока используется для получения чистых металлов при электролизе?

1) тепловое
2) химическое
3) магнитное
4) световое

Нажмите, чтобы увидеть решение

Электролиз — пример проявления химического действия тока.

Ответ: 2

[свернуть]

18. Установите соответствие между физическими величинами и приборами, предназначенными для измерения этих величин: к каждому элементу первого столбца подберите соответствующий элемент из второго столбца.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ ПРИБОРЫ
А) сила электрического тока

Б) электрическое напряжение

В) электрический заряд

1) омметр
2) вольтметр
3) амперметр
4) электрометр
5) манометр

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Нажмите, чтобы увидеть решение

Сила электрического тока — амперметр, электрическое напряжение — вольтметр, электрический заряд — электрометр.

Ответ: 324

[свернуть]

19. По проводнику протекает электрический ток (график зависимости силы тока I от времени t представлен на рисунке).

Магнитное поле вокруг проводника существует

1) только в интервале времени от 0 до t1
2) только в интервале времени от t1 до t2
3) только в интервале времени от t2 до t3
4) в интервале времени от 0 до tи от t2 до t3

Нажмите, чтобы увидеть решение

Магнитное поле будет существовать вокруг любого проводника с током, значит магнитное поле существует в интервалы времени  от 0 до tи от t2 до t3, т.е. тогда, когда по проводнику идет ток.

Ответ: 4

[свернуть]

20. Электрические силы при перемещении электрона из одной точки поля в другую совершают работу, равную 2,4·10–15 Дж. Чему равно электрическое напряжение между этими точками? 

Нажмите, чтобы увидеть решение

Напряжение находится по формуле 

$U=\frac{A}{q}$.

Модуль заряда электрона равен элементарному $q=e=1,6\cdot 10^{-19}$ Кл

$U=\frac{2,4\cdot 10^{-15}}{1,6\cdot 10^{-19}}=15000$ В.

Ответ: 15000 В

[свернуть]

21. Какое действие электрического тока используется в устройстве гальванометра?

1) тепловое
2) химическое
3) магнитное
4) световое

Нажмите, чтобы увидеть решение

B уcтpoйcтвe гaльвaнoмeтpa иcпoльзуют мaгнитнoe дeйcтвиe элeктpичecкoгo тoкa. C пoмoщью гaльвaнoмeтpa мoжнo cудить o нaличии тoкa в цeпи. Cтpeлкa гaльвaнoмeтpa cвязaнa c пoдвижнoй кaтушкoй, нaxoдящeйcя в мaгнитнoм пoлe. Koгдa в кaтушкe cущecтвуeт тoк, cтpeлкa oтклoняeтcя.

Ответ: 3

[свернуть]

22. Какое действие электрического тока используется в плавких предохранителях электрических цепей?

1) тепловое
2) химическое
3) магнитное
4) световое

Нажмите, чтобы увидеть решение

23. Действие плавкого предохранителя основано на плавлении током металлической проволоки небольшого сечения и гашении образовавшейся электрической дуги. Плавление проволоки происходит под действием тока, т.е. здесь проявляется тепловое действие тока.

Ответ: 1

[свернуть]

24. При силе тока 0,5 А в металлическом проводнике происходит перенос заряда 2,5 Кл. Сколько времени продолжается этот процесс?

1) 1,25 с
2) 2 с
3) 5 с
4) 12,5 с

Нажмите, чтобы увидеть решение

Из формулы для нахождения силы тока находим, что время прохождения заряда можно вычислить по формуле

$t=\frac{q}{I}$,

$t=\frac{2,5}{0,5}= 5$ с.

Ответ: 5

[свернуть]

25. Чему равен расход энергии электрической лампой, включённой на 10 мин в сеть напряжением 220 В, если сила тока в лампе 0,5 А?

Нажмите, чтобы увидеть решение

Энергия, потребляемая плиткой, равна работе электрического тока, которую можно найти через напряжение

$A=qU$.

Электрический заряд, прошедший через поперечное сечение проводника, можно найти через силу тока

$q=It$.

Окончательно получим

$A=UIt$,

$A=220 \cdot 0,5 \cdot 600=66000$ Дж.

Ответ: 66000 Дж

[свернуть]

26. Прочитайте текст и вставьте на места пропусков слова (словосочетания) из приведённого списка.

Соберём электрическую цепь (см. рисунок), состоящую из источника тока, лампы, а также ёмкости, которая включена в цепь с помощью металлических зажимов («крокодильчиков»). Если в ёмкость доверху налить (А)__________, то лампочка не загорится. Если добавить в воду поваренную соль, то лампочка загорится. Это объясняется тем, что в воде кристаллы соли распадаются на (Б)__________, упорядоченное движение которых под действием (В)__________ создаёт в цепи (Г)__________.

Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

Список слов и словосочетаний:

1) атомы
2) электроны
3) ионы
4) электрический ток
5) электрическое поле
6) магнитное поле
7) дистиллированная вода
8) морская вода

Нажмите, чтобы увидеть решение

Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, лампы, а также ёмкости, которая включена в цепь с помощью металлических зажимов («крокодильчиков»). Если в ёмкость доверху налить (А) дистиллированную воду, то лампочка не загорится (т.к. дистиллированная вода — диэлектрик). Если добавить в воду поваренную соль, то лампочка загорится. Это объясняется тем, что в воде кристаллы соли распадаются на (Б) ионы, упорядоченное движение которых под действием (В) электрического поля создаёт в цепи (Г) электрический ток.

Ответ: 7354

[свернуть]

27. Установите соответствие между формулами для расчёта физических величин и названиями этих величин. В формулах использованы обозначения: U – напряжение; q – электрический заряд; t   – время.

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию из второго столбца и запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФОРМУЛЫ ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
А) qU

Б) q/t

1) работа электрического тока
2) сопротивление проводника
3) сила тока
4) мощность электрического тока

Нажмите, чтобы увидеть решение

Первая формула выражает работу электрического тока, вторая — силу электрического тока.

Ответ: 13

[свернуть]

 

Скачать файл с заданиями открытого банка ФИПИ Постоянный электрический ток. Действия электрического тока. Сила тока. Напряжение (1484 Загрузки )