Урок по теме источник тока 11 класс

Применение аккумуляторов

Применение аккумуляторов настолько широко, что даже сейчас, изучая данный урок, вы используете аккумуляторы. Они есть в наших телефонах, компьютерах, планшетах.

В большинстве видов транспорта также задействованы аккумуляторы. Двигатель машины не заведется, если аккумулятор под капотом будет разряжен. Аккумуляторы приводят в движение и строительную технику, и сельскохозяйственную, и даже самолеты. Современные электромобили в самой своей основе имеют мощный аккумулятор.

Аккумуляторы играют большую роль в аварийных ситуациях: они могут поддержать работу других электрических приборов достаточное время для устранения неполадок.

Идеальный и реальный генератор

Предполагается что в идеальном устройстве сопротивление, обусловленное внутренними характеристиками, бесконечно большое. Из-за этого параметры замкнутой сети не оказывают влияния на источник. Неограниченное увеличение сопротивления внешней электросети, подключённой к идеальному прибору тока, приводит к возрастанию напряжение на его зажимах. Отсюда следует, что увеличивается мощность, которая может развиваться до неограниченной величины. Поэтому идеальный генератор тока можно рассматривать как источник бесконечной мощности.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) преобразователя энергии представляет собой прямую линию, параллельную координатам U. Реальных же источников ВАХ будет пересекать обе оси. Точка пересечения соответствует нулевому току и напряжению. Такой режим работы приборов называют холостым ходом.

По сути, идеальный источник — это физическая абстракция. На самом деле любой электрический прибор обладает внутренним сопротивлением. Этот параметр обратно пропорционален мощности. Эквивалентная схема реального источника состоит из двух последовательно включённых генераторов ЭДС. Напряжение на клеммах находится как сумма падения разности потенциалов на внутреннем сопротивлении r и на нагрузке: E = ΔU + U.

Таким образом, формулы описывающие источники будут следующими:

1. Идеального: U = I * R → P = I2 * R. Так как для токового прибора сила перемещения зарядов постоянна, то напряжение и мощность неограниченно буду расти при увеличении сопротивления.
2. Реального: U = I (R * r/ (R + r)) → P = I2 * (R / (1 + R/r)2. Прибор, имеющий внутреннее сопротивление, эквивалентен источнику ЭДС.

Некоторым подобием идеального генератора тока может считаться устройство, состоящее из аккумулятора и последовательно подсоединённого к нему большого сопротивления. Им, может быть, пентод (электронная лампа). Обладая внутри сопротивлением несоизмеримо выше, чем импеданс внешней замкнутой цепи, эти радиоэлектронные приборы могут отдавать практически не изменяющийся по величине ток.

Типы зарядных устройств

Если аккумуляторы требуют зарядки, значит существуют специальные устройства, с помощью которых это можно осуществить — зарядные устройства.

Они классифицируются по множеству параметров.

По методу заряда:

• С постоянным токомОбеспечивают быструю зарядку, но способствуют более быстрому изнашиванию аккумуляторов
• С постоянным напряжениемБолее медленная зарядка, но безопаснее для аккумулятора
• Смешанного типа Совмещают в себе два вышеприведенных вида, поэтому являются наилучшим вариантом. Способны увеличивать емкость аккумулятора и увеличивать срок его службы

По способу применения:

• Внешние
• Встроенные

В зависимости от совместимости с другим источником энергии:

• СетевыеПредназначены для подключения к стандартным сетям 220 В или 380 В, т. е. требуют простого подключения к розетке
• АккумуляторныеИмеют собственный накопитель энергии. Используют в качестве резервного накопителя, позволяющего заряжать другие устройства при отсутствии доступа к сети
• АвтомобильныеПодключаются через прикуриватель. С их помощью в машине можно зарядить телефон, фотоаппарат и другую технику
• БеспроводныеНе требуют кабельного соединения, передает энергию без непосредственного физического контакта аккумулятора и источника
• УниверсальныеСоединяют в себе от нескольких до всех перечисленных видов зарядных устройств

Классификация приборов

Наиболее верным, с точки зрения науки, источнику тока даёт определение теория электрических цепей. Согласно ей под ним понимают двухполюсник, прохождение через который упорядоченных зарядов не зависит от приложенного потенциала на его выводах. В то же время в электротехнике им называют любой источник электрического поля.

Все существующие источники тока разделяют по виду преобразуемой ими энергии. Иными словами, по виду трансформируемой материи в силу, которая затем совершает работу по перемещению элементарных носителей зарядов. Существующие типы генераторов электротока можно представить таблицей:

Механические	В их принципе работы используется преобразование двигательной энергии в электрическую. Трансформирование происходит в специальных устройствах — турбогенераторах. По сути, это машины, приводящиеся в работу газовым или паровым потоком. Отдельно стоит отметить гидрогенераторы — использующие преобразование энергии падающей воды.
Тепловые	Электрический ток генерируется из-за возникновения разности температур при контакте металлов или полупроводников. Природные свойства заставляют носители зарядов переходить с нагретого вещества. Значение тока пропорционально разности температур. Такие устройства не могут обеспечить большую мощность, поэтому используются в качестве токовых датчиков (термопары). Хотя при этом существуют альтернативные источники, использующие распад изотопов.
Световые	Разработки такого вида источников начались в конце ХХ века — солнечные батареи. В их работе используется свойство полупроводников генерировать электричество при бомбардировке их квантами света.
Химические	Это большая группа генераторов тока, в основе которых применяется способность веществ при взаимодействии через электролит испускать энергию. По-другому их называют гальваническими. Например, к ним можно отнести аккумуляторы и простые батарейки.

Вне зависимости от типа устройства они все предназначены служить генераторами тока. Поэтому в схемах и технической литературе их обозначают одинаково. Условный знак сходен конденсатору только правая обкладка рисуется длиннее и обозначает положительный вывод.

Электрический ток

Само слово «ток» подразумевает под собой движение.

В некоторых телах (проводниках) есть свободные электроны, которые могут переносить электрический заряд. Этот заряд будет отрицательный, ведь электроны именно таким и обладают.

А есть ли еще какие-то частицы в телах, способные переносить заряд? Оказывается, что есть.

Если обычные атомы электрически нейтральны, то ионы обладают некоторым зарядом. Он может быть как отрицательным, так и положительным. Эти частицы крупнее электронов, но тоже могут переносить электрический заряд.

Значит, электроны или ионы могут как-то перемещаться в проводниках. Отсюда и следует определение электрического тока (рисунок 1).

Рисунок 1. Движение заряженных частиц в проводниках

Обратите внимание, что это движение направленное, а не беспорядочное. Когда мы говорим, что по телу идет ток, мы подразумеваем определенное его направление

О том, какое же это направление мы поговорим в отдельном уроке.

{"questions":,"explanations":,"answer":}}}]}

«Постоянный электрический ток. Действие электрического тока»

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.  Для того чтобы в проводнике существовал электрический ток, необходимы два условия: 1) наличие свободных заряженных частиц, 2) электрическое поле, которое создаёт их направленное движение. Проходя по цепи, происходит действие электрического тока (тепловое, магнитное, химическое).

При существовании тока в разных средах: в металлах, жидкостях, газах — электрический заряд переносится разными частицами. В металлах этими частицами являются электроны, в жидкостях заряд переносится ионами, в газах — электронами, положительными и отрицательными ионами.

Дистиллированная вода не проводит электрический ток, поскольку она не содержит свободных зарядов. Если в воду добавить поваренную соль или медный купорос, то в ней появятся свободные заряды, и она станет проводником электрического тока.

Газы в обычных условиях тоже не проводят электрический ток, так как в них нет свободных зарядов. Однако если в воздушный промежуток между двумя металлическими пластинами, соединёнными с источником тока, внести зажжённую спичку или спиртовку, то газ станет проводником и гальванометр зафиксирует протекание тока по цепи.

Постоянный электрический ток

Постоянный электрический ток — это электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению. Постоянный ток является разновидностью однонаправленного тока (англ. direct current), т.е. тока, не изменяющий своего направления. Часто можно встретить сокращения DC от первых букв англ. слов, или символом по ГОСТ 2.721-74.

На рисунке красным цветом изображён график постоянного тока. По горизонтальной оси отложен масштаб времени t, а по вертикальной — масштаб тока I или электрического напряжения U. Как видно, график постоянного тока представляет собой прямую линию, параллельную горизонтальной оси (оси времени).

При постоянном токе через каждое поперечное сечение проводника в единицу времени протекает одинаковое количество электричества (электрических зарядов). Постоянный электрический ток — это постоянное направленное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Источник тока

Направленное движение зарядов обеспечивается электрическим полем. Электрическое поле в проводниках создаётся и поддерживается источником тока. В источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс источника заряжается положительно, другой — отрицательно. Между полюсами источника образуется электрическое поле, под действием которого заряженные частицы начинают двигаться упорядоченно.

В источнике тока совершается работа при разделении заряженных частиц. При этом различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. В электрофорной машине в электрическую энергию превращается механическая энергия, в гальваническом элементе — химическая.

Действие электрического тока

Электрический ток, проходя по цепи, производит различные действия. Тепловое действие электрического тока заключается в том, что при его прохождении по проводнику в нём выделяется некоторое количество теплоты. Пример применения теплового действия тока — электронагревательные элементы чайников, электроплит, утюгов и пр. В ряде случаев температура проводника нагревается настолько сильно, что можно наблюдать его свечение. Это происходит в электрических лампочках накаливания.

Магнитное действие электрического тока проявляется в том, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое, действуя на магнитную стрелку, расположенную рядом с проводником, заставляет её поворачиваться. Благодаря магнитному действию тока можно превратить железный гвоздь в электромагнит, намотав на него провод, соединённый с источником тока. При пропускании по проводу электрического тока гвоздь будет притягивать железные предметы.

Химическое действие электрического тока проявляется в том, что при его прохождении в жидкости на электроде выделяется вещество. Если в стакан с раствором медного купороса поместить угольные электроды и присоединить их к источнику тока, то, вынув через некоторое время эти электроды из раствора, можно обнаружить на электроде, присоединённом к отрицательному полюсу источника (на катоде), слой чистой меди.

Некоторые источники утверждают, что существует также механическое действие (например, рамка, по которой течет ток, поворачивается, если её поместить между полюсами магнитов) и световое (светодиоды).

Конспект по по физике в 8 классе: «Постоянный электрический ток. Действие электрического тока».

Следующая тема: «Сила тока. Напряжение»

Текст этой презентации

Слайд 1

Источники электрического тока

Слайд 2

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц. Для существования электрического тока необходимы следующие условия:
наличие свободных электрических зарядов в проводнике;
наличие внешнего электрического поля для проводника.

Слайд 3

Источник тока – это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.Устройства, разделяющие заряды, т.е. создающие электрическое поле, называют источниками тока.

Слайд 4

Первая электрическая батарея появилась в 1799 году. Её изобрел итальянский физик Алессандро Вольта (1745 – 1827) — итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника постоянного электрического тока. Его первый источник тока – «вольтов столб» – был построен в точном соответствии с его теорией «металлического» электричества. Вольта положил друг на друга попеременно несколько десятков небольших цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой.

Слайд 5

Механический источник тока – механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. До конца XVIII века все технические источники тока были основаны на электризации трением. Наиболее эффективным из этих источников стала электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях; в результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака).Электрофорная машина

Слайд 6

Тепловой источник тока – внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.ТермопараЕсли две проволоки из разных металлов спаять с одного края, а затем нагреть место спая, то в них возникает ток – заряды при нагревании спая разделяются. Термоэлементы применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях в качестве датчика температуры.Термоэлемент (термопара)

Слайд 7

Энергия света c помощью солнечных батарей преобразуется в электрическую энергию. Солнечная батареяПри освещении некоторых веществ светом, в них появляется ток – световая энергия превращается в электрическую энергию. В данном приборе заряды разделяются под действием света. Фотоэлементы применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах.Фотоэлемент

Слайд 8

Электромеханический генератор. Заряды разделяются путем совершения механической работы. Применяется для производства промышленной электроэнергии.Электромеханический генераторГенератор (от лат. generator – производитель) – устройство, аппарат или машина, производящая какой-либо продукт.

Слайд 9

Устройство гальванического элемента Гальванический элемент – химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительной реакцией.

Слайд 10

Источники тока прошлого века…

Слайд 11

Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Слайд 12

Батарея (элемент питания) – обиходное название источника электричества для автономного питания портативного устройства. Может представлять собой одиночный гальванический элемент, аккумулятор или их соединение в батарею для увеличения напряжения.

Слайд 13

Аккумулятор – химический источник тока многоразового действия. Если поместить в раствор соли два угольных электрода, то гальванометр не показывает наличие тока. Если же аккумулятор предварительно зарядить, то его можно использовать в качестве самостоятельного источника тока. Существуют различные типы аккумуляторов: кислотные и щелочные. Заряды в них разделяются также в результате химических реакций.Аккумулятор Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных потребителей.

Слайд 14

Аккумулятор (от лат. accumulator – собиратель) – устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования.

Слайд 15

Устройство аккумулятора

Слайд 16

Герметичные малогабаритные аккумуляторы (ГМА)       ГМА используются для малогабаритных потребителей электрической энергии (телефонные радиотрубки, переносные радиоприемники, электронные часы, измерительные приборы, сотовые телефоны и др.).

Слайд 17

Спасибо за работу и внимание!Конец урока

Генераторы

Получить электрический ток можно с помощью специального устройства — генератора.

Генераторы превращают механическую энергию в электрическую, иногда достаточно сложными способами.

Они применяются во всех транспортных средствах для выработки электроэнергии при движении транспорта. Эта энергия идет в том числе и на зарядку аккумулятора.

Генераторы стоят на электростанциях, гидроэлектростанциях, атомных электростанциях генераторы используются для выработки электроэнергии. Существуют даже геотермальные электростанции, на которых установлены генераторы электрического тока. В таких местах насыщенный пар из пробуренной скважины направляется в паровые турбины, соединенные с генераторами. Так внутренняя энергия пара переходит в механическую энергию, а затем в электрическую.

{"questions":,"answer":}}}]}

Превращение механической энергии в электрическую

Чтобы разделить заряженные частицы в приборе, который станет источником тока, нужно совершить какую-то работу. В ходе этой работы происходит превращение какой-то энергии в электрическую энергию.

Но энергия не может возникнуть из ниоткуда. Значит, и сам источник тока требует какой-то энергии.

Например, на гидроэлектростанции происходит превращение механической энергии течения воды в электроэнергию (рисунок 3).

Рисунок 3. Преобразование механической энергии течения воды в электрическую

Строится плотина и водохранилище. Вода из него под действием силы тяжести течет вниз. Тем самым она вращает гидротурбину. К гидротурбине подсоединено такое устройство, как электрогенератор (о нем подробнее в конце урока). От него уже и выходит электрическая энергия. Ток течет по проводам и поступает к нам домой.

Рассмотрим еще один пример, в котором механическая энергия превращается в электрическую.

Так происходит в устройстве, которое называется электрофорной машиной (рисунок 4).

Она состоит из двух пластмассовых дисков 1. Между ними есть небольшое расстояние. Вращая ручку, находящуюся на задней поверхности машины, мы приведем в движение два диска. Они будут вращаться в разные стороны.

Рисунок 4. Электрофорная машина

В результате, они электризуются благодаря трению о ту небольшую воздушную прослойку между ними. Заряды же накапливаются в лейденских банках 2. Оттуда они передаются на кондукторы 3. 

В итоге, на одном кондукторе образуется положительный заряд, а на другом — отрицательный. В какой-то момент при их сближении появляется кратковременный ток в виде электрического разряда, который выглядит как маленькая молния.

Так механическая энергия вращения ручки машины перешла в электрическую.

{"questions":,"answer":}}}]}

Гальванический элемент

Одним из самых распространенных источников тока является гальванический элемент. Его же мы и будем использовать в различных опытах. Поэтому мы рассмотрим его более подробно.

Что такое гальванический элемент простыми словами? Это всем нам хорошо известная батарейка.

Заглянем внутрь нее (рисунок 7), чтобы разобраться, как она работает.

Рисунок 7. Гальванический элемент

Этот элемент в своей основе (рисунок 7, б) представляет собой цинковый корпус 2, внутри которого находится угольный стержень 3. На верхнем конце этого стержня находится металлическая крышка 1.

Стержень окружен смесью 4 оксида марганца (IV) $MnO_2$ и измельченного углерода $C$. Между этой смесью и самим корпусом находится желеобразный раствор соли 5 (хлорида аммония $NH_4Cl$).

В чем же суть? Дело в том, что цинк $Zn$, из которого состоит корпус, взаимодействует с хлоридом аммония $NH_4Cl$. Идет химическая реакция. Цинковый сосуд приобретает отрицательный заряд.

А вот оксид марганца имеет положительный заряд. Угольный стержень передает его на металлическую крышку.

Итак, мы имеем отрицательно заряженный корпус и положительно заряженный стержень. Они будут называться электродами. Между ними возникает электрическое поле.

Само понятие электрода синонимично с понятием полюса. «Электрод» больше используется в описании электрических явлений и приборов, а «полюс» чаще применяют, когда говорят о магнитах.

Соединим эти два электрода проводником. По нему потечет электрический ток. Так энергия химических реакций превращается в электрическую.

{"questions":,"answer":}}}]}

Постоянный электрический ток: задачи

Рубрика «Физика для чайников» может пригодится вам в учебе. Там есть не только интересные статьи, но и решения задач по разным темам:

1. Закон Ома.
2. Параллельное и последовательное соединение проводников.
3. Правила Кирхгофа.
4. Работа и мощность тока.
5. Электрический ток в металлах.
6. Электрический ток в полупроводниках.
7. Ток в электиролитах и др.

Кстати, прежде чем приступать к решению задач по теме постоянный электрический ток, рекомендуем прочитать общую памятку: так у вас будет систематизированный план действий для решения любой задачи. На всякий случай под рукой можно держать полезные формулы.

Задача на постоянный ток №1

Условие

К источнику тока с ЭДС 1,5 В присоединили катушку с сопротивлением 0,1 Ом. Амперметр показал силу тока, равную 0,5 А. Когда к источнику тока присоединили последовательно еще один источник тока с такой же ЭДС, то сила тока в той же катушке оказалась равной 0,4 А. Определить внутренние сопротивления первого и второго источников тока.

Решение

Изобразим первоначальную схему:

Общее сопротивление цепи:

По закону Ома для участка цепи запишем:

После последовательного подключения второго источника тока:

Задача на постоянный ток №2. Мощность тока

Условие

Два медных проводника одинаковой длины соединены последовательно и подключены к источнику тока, внутренним сопротивлением которого можно пренебречь.  При протекании тока в первом проводнике выделяется мощность P1. Какая мощность P2 выделяется в проводниках при их параллельном соединении, если площадь сечения второго проводника вдвое больше площади сечения первого проводника?

Решение

Запишем выражения для силы тока и мощности, выделяемой на проводниках, с учетом того, что проводники соединены последовательно:

Сопротивление проводников равно:

Теперь запишем выражения для мощности и выразим P2 через P1:

Ответ: P2 = 0,5P1

Задача на постоянный ток №3. Взаимодействие токов

Условие

Определите модуль силы, действующей на единицу длины второго проводника с током со стороны двух других проводников. Токи в проводниках равны I1=2А, I2=3А, I3=2А. Расстояние l=10 см.

Решение

Направление силы показано на рисунке. 

Силы 1-2 и 3-2 соответственно равны:

Ответ: 205 мкА.

Задача на постоянный ток №4. Короткое замыкание

Условие

Определить силу тока короткого замыкания в цепи, если при силе тока 2 А мощность тока во внешней цепи равна 10 Вт, а при силе тока 5 А мощность тока во внешней цепи равна 15Вт.

Решение

Чтобы вычислить ток короткого замыкания, нужно знать ЭДС и внутреннее сопротивление источника:

Запишем выражения для мощности тока во внешней цепи и напряжения нагрузки:

Условие задачи позволяет составить систему уравнений и найти нужные величины:

Отсюда: 

Ответ: 9,5 А.

Задача на постоянный ток №5. Закон Ома

Условие

Определить силу тока, проходящего через сопротивление 7 Ом, если напряжение на нем составляет 21 В.

Решение

Для решения этой элементарной задачи необходим закон Ома:

Ответ: 3 А.