Природа постоянного тока

Слайд 1. Природа постоянного тока. ЭДС

Законы постоянного электрического тока | Физика 11 класс

Слайд 2. От статики к динамике

В электростатике мы изучали неподвижные заряды. Однако для практических целей — освещения, нагрева или работы двигателей — необходимо направленное движение зарядов.

В металлах электроны движутся хаотически со скоростью около 100 км/с, но такое движение не создает тока. Нас интересует упорядоченный дрейф частиц под действием поля.

Слайд 3. Что такое электрический ток?

Электрический ток — это направленное (упорядоченное) движение электрических зарядов.

Носители заряда в разных средах:

В металлах — свободные электроны

В полупроводниках — электроны и дырки

В электролитах — положительные и отрицательные ионы

В газах — ионы и электроны

Слайд 4. Направление тока

Исторически сложилась договоренность: за направление тока принимается направление движения положительных зарядов.

Если в проводнике (например, в металле) движутся отрицательные электроны, то направление тока считается противоположным их движению.

Слайд 5. Действия электрического тока

Проводник нагревается при прохождении тока (закон Джоуля-Ленца). Пример: нить накала лампы или ТЭН.

Наблюдается в электролитах: выделение веществ на электродах. Пример: меднение деталей.

Ток всегда создает магнитное поле вокруг проводника. Пример: электромагнит, втягивающий гвозди.

Слайд 6. Сила тока

Сила тока $I$ — это скалярная физическая величина, равная отношению заряда $\Delta q$, прошедшего через сечение проводника, к промежутку времени $\Delta t$:

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

При $\Delta t\to 0$ мы получаем мгновенное значение силы тока.

Слайд 7. Единицы измерения

Определение Ампера основано на магнитном взаимодействии двух параллельных токов в вакууме на расстоянии 1 м, вызывающих силу $2\cdot 10^{-7}$ Н на каждый метр длины.

Слайд 8. Условия существования тока

Наличие свободных носителей заряда (проводник).

Наличие электрического поля, создающего силу для движения.

Замкнутость электрической цепи для предотвращения накопления зарядов на концах.

Слайд 9. Сторонние силы

Стремятся выровнять потенциалы и прекратить ток. Перемещают «+» от высокого потенциала к низкому.

Силы неэлектростатической природы (химические, магнитные). Перемещают заряды внутри источника против сил поля.

Слайд 10. Источник тока

Источник тока — устройство, в котором сторонние силы совершают работу по разделению зарядов.

Внутри источника заряды движутся «против течения»: положительные заряды перемещаются к положительному полюсу под действием сторонних сил.

Слайд 11. Электродвижущая сила (ЭДС)

ЭДС источника $\mathcal{E}$ — это отношение работы сторонних сил $A_{\text{ст}}$ по перемещению заряда $q$ к величине этого заряда:

$\mathcal{E}=\frac{A_{\text{ст}}}{q}$

Единица измерения: Вольт (В).

$1\text{ В}=1\text{ Дж}/1\text{ Кл}$.

Слайд 12. Термин «сила» здесь является историческим недоразумением. ЭДС измеряется не в Ньютонах, а в Вольтах, так как характеризует работу, а не механическое воздействие.

— Методическое примечание

Слайд 13. Превращение энергии в цепи

Внутри источника

Энергия поля

Внешняя цепь

Сторонние силы совершают работу $A_{\text{ст}}$, разделяя заряды.

Работа сторонних сил переходит в потенциальную энергию электрического поля.

Электрическое поле совершает работу $A_{\text{эл}}$, питая потребители (лампы, моторы).

Слайд 14. Аналогия с насосом

Насос создает разность давлений, поднимая воду вверх.

Источник тока создает разность потенциалов, «поднимая» заряд.

Слайд 15. Итоги занятия

Ток — направленное движение зарядов под действием поля.

Условия тока: носители, поле, замкнутая цепь.

Постоянный ток: $I=\text{const}$.

ЭДС $\mathcal{E}=A_{\text{ст}}/q$ — энергетическая характеристика источника.

Работа во внешней цепи совершается за счет работы сторонних сил в источнике.