Дізнаємось про силу струму і напругу - Засєкіна

• Назад до змісту

Думай

1. Що характеризує сила електричного струму?

Сила струму — це фізична величина, що характеризує електричний струм у колі і показує, який заряд проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу.

2. Як сила струму залежить від електричного заряду, що проходить через провідник, та часу?

Сила струму прямо пропорційна електричному заряду і обернено пропорційна часу. Це видно з формули:

$I = \dfrac{q}{t}$

де $I$ — сила струму, $q$ — заряд, $t$ — час.

3. Поясни, чому термін «сила струму» не можна вважати вдалим.

Цей термін є невдалим, оскільки він не має відношення до механічної сили (як сили, що штовхає тіла). Він виник історично ще до того, як вчені встановили справжню природу електричного струму.

4. Як називають одиницю сили струму?

Одиницю сили струму називають ампер. Позначають: $\text{А}$.

5. Що називають електричною напругою?

Електрична напруга — це фізична величина, що характеризує електричне поле на певній ділянці кола і визначається відношенням роботи електричного поля до заряду, що пройшов по цій ділянці.

6. Як можна визначити напругу, якщо відомі робота струму й електричний заряд?

Щоб визначити напругу, треба роботу електричного поля поділити на електричний заряд:

$U = \dfrac{A}{q}$

де $U$ — напруга, $A$ — робота, $q$ — заряд.

7. Що прийнято за одиницю напруги? Як називають цю одиницю?

За одиницю напруги прийнято таку електричну напругу на кінцях провідника, за якої робота з переміщення заряду в $1 \text{ Кл}$ дорівнює $1 \text{ Дж}$. Цю одиницю називають вольт ($\text{В}$).

8. Яким приладом вимірюють силу струму? А напругу? Які правила вмикання цих приладів в електричне коло?

• Силу струму вимірюють амперметром. Його вмикають у коло послідовно (розриваючи коло).
• Напругу вимірюють вольтметром. Його вмикають паралельно до ділянки кола (без розриву).
• Для обох приладів важливо дотримуватися полярності: клему «+» приладу з’єднують із проводом, що йде від позитивного полюса джерела струму.

9. Чи однакові за фізичним змістом такі твердження: а) у провіднику пройшов великий електричний заряд; б) у провіднику пройшов струм великої сили?

Ні, ці твердження не однакові. Великий електричний заряд може проходити через провідник дуже довго, і тоді сила струму буде малою. А струм великої сили означає, що великий заряд проходить за короткий проміжок часу (швидко).

Дій

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Визнач, скільки електронів проходить через поперечний переріз провідника за секунду за сили струму 1 А.

Дано:

• $I = 1 \text{ А}$
• $t = 1 \text{ с}$
• $e = 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}$

Знайти:

$N - ?$

Розв’язання:

За означенням сили струму:

$I = \dfrac{q}{t} \implies q = I \cdot t$

Кількість електронів знаходимо, поділивши загальний заряд на заряд одного електрона:

$N = \dfrac{q}{e} = \dfrac{I \cdot t}{e}$

$N = \dfrac{1 \text{ А} \cdot 1 \text{ с}}{1,6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}} = 6,25 \cdot 10^{18}$

Відповідь: $6,25 \cdot 10^{18}$ електронів.

2. Визнач силу струму в провіднику, якщо за 20 с через поперечний переріз провідника проходить електричний заряд 68 Кл.

Дано:

• $t = 20 \text{ с}$
• $q = 68 \text{ Кл}$

Знайти:

$I - ?$

Розв’язання:

$I = \dfrac{q}{t}$

$I = \dfrac{68 \text{ Кл}}{20 \text{ с}} = 3,4 \text{ А}$

Відповідь: $I = 3,4 \text{ А}$.

3. Визнач час проходження електричного струму по провіднику, якщо за сили струму 0,5 А по провіднику пройшов електричний заряд 7,7 Кл.

Дано:

$I = 0,5 \text{ А}$

$q = 7,7 \text{ Кл}$

Знайти:

$t - ?$

Розв’язання:

З формули сили струму виразимо час:

$t = \dfrac{q}{I}= \dfrac{7,7 \text{ Кл}}{0,5 \text{ А}} = 15,4 \text{ с}$

Відповідь: $t = 15,4 \text{ с}$.

4. Обчисли силу струму в провіднику, крізь поперечний переріз якого за кожну хвилину проходить заряд 36 Кл.

Дано:

• $t = 1 \text{ хв} = 60 \text{ с}$
• $q = 36 \text{ Кл}$

Знайти:

$I - ?$

Розв’язання:

$I = \dfrac{q}{t}$

$I = \dfrac{36 \text{ Кл}}{60 \text{ с}} = 0,6 \text{ А}$

Відповідь: $I = 0,6 \text{ А}$.

5. Визнач кількість електронів, що проходять за 1 с через переріз металевого провідника за сили струму в ньому 0,8 мкА.

Дано:

$I = 0,8 \text{ мкА} = 0,8 \cdot 10^{-6} \text{ А}$

$t = 1 \text{ с}$

$e = 1,6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}$

Знайти:

$N - ?$

Розв’язання:

$q = I \cdot t$

$N = \dfrac{q}{e} = \dfrac{I \cdot t}{e}$

$N = \dfrac{0,8 \cdot 10^{-6} \text{ А} \cdot 1 \text{ с}}{1,6 \cdot 10^{-19} \text{ Кл}} = \dfrac{0,8}{1,6} \cdot 10^{13} = 0,5 \cdot 10^{13} = 5 \cdot 10^{12}$

Відповідь: $5 \cdot 10^{12}$ електронів.

6. За графіком залежності перенесеного заряду від часу (мал. 24.6) визнач силу струму в провіднику.

Дано:

• Графік залежності $q(t)$ (мал. 24.6)
• $t = 4,5$ с
• $q = 7$ мкКл $= 7 \cdot 10^{-6}$ Кл

Знайти:

$I = ?$

Розв’язання:

Сила струму визначається як швидкість зміни заряду:

$I = \dfrac{q}{t}$

За графіком бачимо, що залежність лінійна. Візьмемо точку $(6; 9)$:

$I = \dfrac{7 \cdot 10^{-6}}{4,5} = 1,5 \cdot 10^{-6} \text{ А} = 1,55 \text{ мкА}$

Відповідь: $1,55$ мкА

7. За графіком залежності сили струму від часу (мал. 24.7) визнач заряд, що проходить через поперечний переріз провідника за час 3 с. Яку фізичну величину можна визначити, обчисливши площу прямокутника ODBC?

Дано:

• Графік залежності $I(t)$ (мал. 24.7)
• $I = 0,5$ А
• $t = 3$ с

Знайти:

$q = ?$

Розв’язання:

$q = 0.5\text{ А} \cdot 3\text{ с} = 1.5\text{ Кл}$

Відповідь: За 3 секунди через провідник проходить заряд 1.5 Кл (кулона).

Геометричний зміст площі під графіком залежності сили струму від часу ($I(t)$) — це електричний заряд.

Сторона $OD$ відповідає силі струму $I = 0.5\text{ А}$.

Сторона $OC$ відповідає часу $t = 4\text{ с}$.

Площа прямокутника $S = OD \cdot OC = I \cdot t = q$.

Відповідь: Площа прямокутника $ODBC$ чисельно дорівнює електричному заряду, що пройшов через поперечний переріз провідника за 4 секунди.

8. Визнач напругу на ділянці електричного кола, якщо під час перенесення заряду 50 Кл електричне поле виконує роботу 1,2 кДж.

Дано:

• $q = 50 \text{ Кл}$
• $A = 1,2 \text{ кДж} = 1200 \text{ Дж}$

Знайти:

$U - ?$

Розв’язання:

За означенням напруги:

$U = \dfrac{A}{q}$

$U = \dfrac{1200 \text{ Дж}}{50 \text{ Кл}} = 24 \text{ В}$

Відповідь: $24 \text{ В}$.

9. Під час світіння лампи розжарювання виконується робота 3,96 кДж. Визнач електричний заряд, який пройшов через лампу, якщо її увімкнено в мережу 220 В.

Дано:

• $A = 3,96 \text{ кДж} = 3960 \text{ Дж}$
• $U = 220 \text{ В}$

Знайти:

$q - ?$

Розв’язання:

З формули роботи електричного струму $A = U \cdot q$ виразимо заряд:

$q = \dfrac{A}{U}$

$q = \dfrac{3960 \text{ Дж}}{220 \text{ В}} = 18 \text{ Кл}$

Відповідь: $18 \text{ Кл}$.

10. Чому дорівнює напруга на ділянці кола, в якій при силі струму 2 А за 20 с було здійснено роботу 800 Дж?

Дано:

• $I = 2 \text{ А}$
• $t = 20 \text{ с}$
• $A = 800 \text{ Дж}$

Знайти:

U - ?

Розв’язання:

Спочатку знайдемо заряд, що пройшов через ділянку кола:

$q = I \cdot t$

Тепер знайдемо напругу:

$U = \dfrac{A}{q} = \dfrac{A}{I \cdot t}$

$U = \dfrac{800 \text{ Дж}}{2 \text{ А} \cdot 20 \text{ с}} = \dfrac{800}{40} \text{ В} = 20 \text{ В}$

Відповідь: 20 В.

11. Напруга на кінцях провідника 5 В. Яка сила струму в провіднику, якщо за 40 с здійснено роботу 500 Дж?

Дано:

• $U = 5 \text{ В}$
• $t = 40 \text{ с}$
• $A = 500 \text{ Дж}$

Знайти:

$I - ?$

Розв’язання:

З формули роботи $A = U \cdot I \cdot t$ виразимо силу струму:

$I = \dfrac{A}{U \cdot t}$

$I = \dfrac{500 \text{ Дж}}{5 \text{ В} \cdot 40 \text{ с}} = \dfrac{500}{200} \text{ А} = 2,5 \text{ А}$

Відповідь: $2,5 \text{ А}$.

12. Яку роботу здійснить струм силою 3 А за 10 хв за напруги в колі 15 В?

Дано:

• $I = 3 \text{ А}$
• $t = 10 \text{ хв} = 600 \text{ с}$
• $U = 15 \text{ В}$

Знайти:

$A - ?$

Розв’язання:

Робота електричного струму визначається формулою:

$A = U \cdot I \cdot t = 15 \text{ В} \cdot 3 \text{ А} \cdot 600 \text{ с} = 27000 \text{ Дж} = 27 \text{ кДж}$

Відповідь: 27 кДж.

На малюнку 24.8 зображено шкали амперметрів та вольтметрів. Визнач для кожного приладу межі вимірювання і ціну поділки шкали. Яку силу струму показує кожний амперметр? Яку напругу показує кожен вольтметр?

1. Амперметри (верхній ряд)

а) Амперметр (А)

• Межа вимірювання: $8 \text{ А}$
• Ціна поділки: $\dfrac{2 - 0}{4} = 0.5 \text{ А}$
• Показ приладу: $2 + (2 \cdot 0.5) = \mathbf{3 \text{ А}}$

б) Міліамперметр (mA)

• Межа вимірювання: $500 \text{ мА}$
• Ціна поділки: $\dfrac{100 - 0}{5} = 20 \text{ мА}$
• Показ приладу: $2 \cdot 20 = \mathbf{40 \text{ мА}}$

в) Амперметр (А)

• Межа вимірювання: $6 \text{ А}$ (остання велика риска відповідає числу 6)
• Ціна поділки: $\dfrac{2 - 0}{2} = 1 \text{ А}$
• Показ приладу: $4 + 1 = \mathbf{5 \text{ А}}$

г) Амперметр (А)

• Межа вимірювання: $4 \text{ А}$
• Ціна поділки: $\dfrac{2 - 0}{5} = 0.4 \text{ А}$
• Показ приладу: $0 + (2 \cdot 0.4) = \mathbf{0,8 \text{ А}}$

2. Вольтметри (нижній ряд)

ґ) Вольтметр (В) (припускаємо В, оскільки інші мають префікси мВ та кВ)

• Межа вимірювання: $15 \text{ В}$
• Ціна поділки: $\dfrac{5 - 0}{10} = 0.5 \text{ В}$
• Показ приладу: $5 + (5 \cdot 0.5) = \mathbf{7,5 \text{ В}}$

д) Мілівольтметр (mV)

• Межа вимірювання: $12 \text{ мВ}$
• Ціна поділки: $\dfrac{4 - 0}{10} = 0.4 \text{ мВ}$
• Показ приладу: $8 + (5 \cdot 0.4) = \mathbf{10 \text{ мВ}}$

е) Кіловольтметр (kV)

• Межа вимірювання: $6 \text{ кВ}$ (остання риска відповідає числу 6)
• Ціна поділки: $\dfrac{2 - 0}{10} = 0.2 \text{ кВ}$
• Показ приладу: $2 + (8 \cdot 0.2) = \mathbf{3.6 \text{ кВ}}$