Формула електричної напруги і швидкість зарядів

Формула електричної напруги і швидкість зарядів Фізика

Природа так влаштована, що для того, щоб виконати будь-яку дію, необхідно затратити енергію. Так і для виникнення струму необхідно електричну напругу. Формула швидкості руху частинок була отримана експериментальним шляхом і включає в себе прискорюючу різницю потенціалів. Вона, по суті, і визначає силу електроструму і роботу, яка відбувається по перенесенню одиничного заряду з однієї точки поля в іншу.

Загальні відомості

Електричні явища почали цікавити філософів ще з часів Стародавньої Греції. Існує легенда, згідно з якою люди, що жили понад дві тисяч років тому, знаходили на острові Магнезія камені, що притягують до себе металеві предмети. Їх назвали магнітами. Водночас філософ Фалес виявив цікаве властивість бурштину. Якщо його потерти об шерсть, то до нього прилипали легкі предмети. Завдяки цим двом явищам природи і було відкрито електрику, раніше зване янтарністю.

Але протягом багатьох століть вчені не могли пояснити сили, що змушують взаємодіяти тіла між собою. Істотний внесок у розвиток вчення вніс Отто Герік, який створив першу електромашину.

Потім Пітера ван Мушенбрук зміг виготовити джерело електрики, названий лейденської банкою. З цього моменту почався бум вивчення явищ. Свого часу їх досліджували такі фізики, як Гільберт, Кулон, Ампер, Едісон, Франклін, Вольт, Фарадей.

Завдяки їх стараннями стало відомо, що електрика і магнетизм — це явища, які не існують один без одного. Описувати їх почали, ведучи характеристику, названу електромагнітним полем. Виникнення ж останньої пов’язано з існуванням заряду і можливістю його перенесення елементарними частинками. Їх умовно розділили на два види:

  • негативний;
  • позитивний.

У природі якщо тіло знаходиться в рівновазі, тобто на нього не виявляється стороннє вплив, рух частинок відбувається хаотично і обумовлено тепловими процесами.

Але якщо носії змусити рухатися в одному напрямку, виникне струм. Характеризується Він силою і роботою яку необхідно затратити для перенесення заряду з однієї точки поля в іншу.

Витрачену при русі енергію називають електрорушійної силою, що описується напругою. Величиною залежить від зміни потенціалу поля в тій чи іншій його точці. У 1827 році Георг Ом дослідним шляхом довів пропорційну залежність сили струму і напруги. Цей фундаментальний закон був названий його ім’ям, записується так: I = U/R. Правило встановило, що сила електроструму залежить від роботи, що здійснюється полем для перенесення заряду з точки A В B.

Фізичний сенс величини

Можна провести простий експеримент. Для цього необхідно зібрати схему, що складається з послідовно включених двох ламп різного розміру. Якщо їх живити від джерела струму, то можна буде виявити, що велика лампа світить яскравіше в порівнянні з малою. При цьому величина сили струму для будь-якої ділянки ланцюга буде однаковою, оскільки пристроїв для накопичення зарядів в ланцюзі немає.

Тому можна припустити, що існує якась різниця в режимі роботи цих двох ламп. Як виявилося, ця відмінність визначається фізичною величиною. Вона є характеристикою поля і має назву електрична напруга. Вимірюється параметр у вольтах [В] на честь італійського фізика, хіміка і астролога, який придумав гальванічний елемент, електрометр, конденсатор і електроскоп.

За кожну секунду через лампи протікає однаковий струм. Він нагріває спіралі настільки сильно, що вони починають світитися. При переміщенні заряду по ланцюгу на нього діє сила електричного поля, що проштовхує частинки через спіралі. Можна сказати, що на тіло впливає сила і їм виконується робота. Тому в лампі, яка світить яскравіше, електрична сила (електрострум) здійснює велику роботу в порівнянні з другим джерелом світла.

Схожу ситуацію можна зустріти і при розгляді перебігу рідини. Електричний струм можна уподібнити руху води. При цьому можна провести наступну аналогію:

  • рідина – заряди;
  • труби – провідники;
  • насос-джерело струму.

Нехай є бак, з якого вода витікає по трубі вертикально вниз і крутить турбіну. Висота пристрою H. потім рідина потрапляє в новий бак, до якого приєднана інша турбіна меншого розміру. Висота другої системи H. циркуляцію води забезпечує встановлений на підлогу насос. Робота, яка відбувається для обертання турбін, різна. Тобто одна і та ж маса води в залежності від свого розташування витрачає різну енергію. Звідси за аналогією електричне поле можна порівняти з висотою труб.

Виходить, що в гідроустановці спочатку роботу здійснює сила тяжіння, а потім тиску. В електричному ж ланцюзі електрополе і стороння сила в джерелі струму.

. Як показали досліди, відношення роботи до величини заряду, який протікає у зовнішньому ланцюзі, не залежить від його кількості. Таким чином, напруга завжди задається між будь-якими двома точками електричного кола і є важливою характеристикою.

Вимірювання та знаходження

Позначається напруга буквою U. Параметр дорівнює відношенню:

U = A/q,

Де:

  • A – робота поля, виконувана для перенесення q з одного місця в інше,
  • q — значення заряду.

З цієї формули можна отримати розмірність для вимірювання одиниці напруги. У фізиці прийнято роботу вважати в джоулях [Дж], а величину заряду в кулонах [Кл].

Отже, параметр вимірюється відношенням [Дж/Кл]. Але це настільки важлива електрична величина, що для неї вибрали не тільки своє позначення, але і назва одиниці виміру — вольт.

У міжнародному позначенні використовується символ V (volt). Один вольт являє собою таку напругу між точками електричного кола, при якому для перенесення заряду в один кулон полем відбувається робота в один джоуль.

Раз існує фізична величина, значить, має бути пристрій, призначений для її вимірювання. Називається такий вимірювач вольтметр. На схемі його позначають за допомогою кола і стоїть всередині нього символу V. слід зазначити, що в залежності від вимірюваного значення можуть бути використані більш точні пристрої, мікровольтметр або кіловольтметр.

Вимірювач завжди підключається паралельно вимірюваним точкам. При цьому позитивна Клема приєднується до плюсової частини схеми, а негативна до мінусової. При вимірюванні вольтметр не впливає на електричні параметри. Пов’язано це з тим, що пристрій володіє високим внутрішнім омічним з опором і струм через нього практично не протікає.

Слід зазначити, що існує змінна напруга і постійне. Перше називають так через те, що воно постійно змінює знак з плином часу. Це пов’язано зі зміною напрямку руху носіїв зарядів. Змінна напруга, на відміну від постійного, описується функцією. Найчастіше використовується синусоїдальна. Формула для його розрахунку виглядає так:

u (t)= Um * sin (wt+f)

де

  • Um — максимальна амплітуда;
  • wt — частота;
  • f — кут між гармонійним сигналом напруги і струму.

Прилад, який використовується для наочного спостереження за формою сигналу, називають осцилограф. Їм можна виміряти напругу в залежності від моделі до гігагерца. Пристрій буває аналоговим, цифровим і стробирующим. Осцилограф вважається пристроєм для професіоналів і використовується для радіоелектронних приладів.

Розв’язання задачі

Виконання розрахунків допомагає не тільки закріпити теоретичний матеріал, а й навчитися практичному застосуванню знань. Так, застосування закону Ома дозволяє правильно розраховувати електричні схеми, підбирати потрібні опору. Ось кілька з типових завдань, розрахованих на учнів сьомих класів:

  1. Визначити напругу на обмотці електропускателя, якщо при проходженні через неї заряду електричне поле виконує роботу в 10 джоулів. Напруженість поля становить 4 В, а діюча сила дорівнює 8 Н. Для того щоб визначити напругу, потрібно обчислити величину заряду. Зробити це можна з виразу: E = F/q. звідси q = F / E = 8 Н/4в = 2 Кл. тепер можна використовувати формулу: U = A / q. всі потрібні дані відомі, тому після підстановки значень і обчислення у відповіді повинно вийти: U = 10 Дж/2 Кл = 5 в.
  2. Обчислити максимальну напругу, яке можна подати на електричну лампу опором 500 Ом, якщо вона горить в повний напруження при струмі 0,5 ампер. Відповідно до закону Ома, напруга і струм пов’язані формулою: I = U / R. з неї можна виразити напругу: U = I * R = 0,5 A * 500 Ом = 250 в.
  3. При перенесенні 240 Кл електрики з однієї точки схеми в іншу за 16 хвилин виконується робота в 120 Дж. Знайти напругу і силу струму. Електрострум можна обчислити зі співвідношення: I = q/t, А напруга скориставшись формулою: U = A/q. підставивши вихідні дані, можна буде отримати: I = 240 Кл / 16 * 60 с = 0,25 А і U = 1200 Дж / 240 Кл = 5 в.
    Яка буде сила струму, якщо при напрузі 4 в за одну секунду витрачається 0,8 Дж електроенергії. Щоб вирішити задачу, потрібно згадати, як залежать електрострум і напруга від величини заряду. Записавши відносини і підставивши одне в інше, вийде формула: I = A/U * t = 0,8 Дж * Кл/4 В * с = 0,2 а = 200 мА.

Таким чином, для вирішення завдань, пов’язаних з електричною напругою, потрібно запам’ятати кілька формул і розуміти суть процесу. Але при цьому важливо знати розмірності величин. Причому всі обчислення прийнято виконувати в міжнародній системі одиниць. А також слід знати, що швидкість впорядкованого руху носіїв заряду залежить від дії зовнішнього електричного поля. І знаходиться як V = I/q * n * S, де

  • n — концентрація (таблична величина),
  • q — заряд,
  • S — площа поперечного перерізу провідника.
Оцініть статтю
Додати коментар