Co przyjmuje się za kierunek prądu w obwodzie. Lekcja otwarta „Działanie prądu elektrycznego i jego kierunek”

W niektórych substancjach niektóre elektrony są bardzo słabo związane z ładunkami dodatnimi znajdującymi się w jądrach atomu. Te tak zwane półwolne elektrony mogą przemieszczać się z jednego atomu do drugiego oraz w przestrzeni międzyatomowej.

Substancje posiadające wolne i półwolne elektrony nazywane są przewodnikami prąd elektryczny. Do substancji takich zaliczają się przede wszystkim metale, węgiel, roztwory soli, kwasy i zasady. Inne substancje, które mają niewiele wolnych i półwolnych elektronów, nazywane są nieprzewodnikami, izolatorami lub dielektrykami. Dielektrykami są powietrze i inne gazy, szkło, porcelana, guma, suche drzewo i wiele innych substancji. W stanie normalnym wolne elektrony w przewodnikach poruszają się losowo (chaotycznie) wewnątrz substancji różne kierunki i z różne prędkości. Ciągle zderzają się z atomami materii, wybijają z nich nowe elektrony, same zajmując ich miejsce itp.

Weźmy dwie metalowe płytki (ryc. 4). Naładujmy jeden z nich dodatnio (czyli stworzymy w nim brak elektronów), a drugi ujemnie (czyli wytworzymy nadmiar elektronów). Potencjał pierwszej płytki będzie dodatni, a potencjał drugiej płytki będzie ujemny, tj. pomiędzy płytami powstanie różnica potencjałów. Jeżeli płytki te zostaną połączone ze sobą przewodnikiem (metalowym drutem), to wolne elektrony, których jest nadmiar na prawej płytce, pod wpływem sił pole elektryczne płyty będą przesuwać się wzdłuż przewodu łączącego do lewej płyty. Elektrony zawsze przemieszczają się z miejsca, w którym jest ich nadmiar, czyli od minusa, do miejsca, w którym jest ich niedobór, czyli do plusa. W ten sposób pojawi się uporządkowany ruch wolnych elektronów w przewodniku, który nazywa się prądem elektrycznym.

W tym przypadku elektrycznie naładowane przeciwnie płyty są źródłem prądu i wraz z przewodem łączącym tworzą zamknięty obwód elektryczny.

W powyższym przykładzie nie można utrzymać ruchu elektronów (tj. prądu elektrycznego) w przewodniku łączącym dwie naładowane metalowe płytki. Liczba elektronów na płycie dodatniej wzrośnie, a na płycie ujemnej zmniejszy się. Po pewnym czasie nadmiar elektronów na prawej płytce kompensuje ich niedobór na lewej płytce i płyty uzyskają ten sam potencjał. W tym momencie prąd w przewodniku ustanie;

Zatem, warunek konieczny Aby prąd elektryczny mógł przepływać przez przewodnik, pomiędzy jego końcami występuje różnica potencjałów (napięcie). Aby wytworzyć różnicę potencjałów, która utrzymuje długoterminowy prąd elektryczny w obwodzie zamkniętym, stosuje się urządzenia zwane źródłami prądu elektrycznego.

Nazywa się różnicę potencjałów otwartego źródła prądu (w tym przypadku płytek niepołączonych ze sobą przewodnikiem). siła elektromotoryczna(w skrócie e.m.f.).

Siłę elektromotoryczną, podobnie jak napięcie, mierzy się w woltach, kilowoltach, miliwoltach i mikrowoltach, w zależności od jej wielkości. Swobodne elektrony w przewodniku przemieszczają się od niskiego potencjału do wyższego (tj. od minus do plusa). Ten kierunek ruchu elektronów nazywa się prawdziwym lub rzeczywistym. Jednak w elektrotechnice ogólnie przyjmuje się, że prąd przepływa od plusa do minusa. Ten kierunek prądu został ustalony całkowicie arbitralnie jeszcze przed odkryciem cząstek elementarnych - elektronów. Ten warunkowy kierunek prądu nazywa się zwykle technicznym. Należy pamiętać, że kierunek prądu uważa się za przeciwny do rzeczywistego ruchu elektronów w przewodniku (patrz ryc. 4). Prąd elektryczny, który zawsze płynie w obwodzie w jednym kierunku i ma stałą (stałą) wartość, nazywany jest prądem stałym.

Liczba elektronów poruszających się kierunkowo oraz ich średnia prędkość ruchu określają ilość prądu elektrycznego przepływającą w jednostce czasu przez przekrój poprzeczny przewodnika, czyli natężenie prądu.

Dlatego prąd elektryczny w przewodniku to ilość energii elektrycznej przepływającej przez przekrój poprzeczny przewodnika w ciągu jednej sekundy.

Jednostką używaną do pomiaru prądu jest amper (w skrócie a). Jeden amper odpowiada przejściu 6,3 · 10 · 18 elektronów na sekundę przez przekrój poprzeczny przewodnika. Prąd o natężeniu jednego ampera przepływający przez roztwór azotanu srebra uwalnia 1,118 mg srebra na sekundę. „Czasami prąd wyraża się w mniejszych ilościach – tysięcznych ampera (miliamperów) i milionowych amperów (mikroamperów). Miliamper jest oznaczony literami ma, a mikroamper literami mka. 1 a = 1000 ma-1000000 mka .

Należy zauważyć, że prędkość ruchu elektronów w przewodniku jest bardzo mała i mierzona jest w ułamkach centymetra lub milimetra na sekundę. Wyjaśnia to fakt, że elektrony w sposób ciągły zderzają się z cząsteczkami przewodnika. Jednak prędkość rozchodzenia się prądu w przewodzie jest bardzo duża i osiąga prędkość światła, tj. 300 000 km/s. Jeśli na jednym końcu drutu pojawi się prąd, rozprzestrzeni się on niemal natychmiast po całym przewodniku, ponieważ wszystkie elektrony przewodnika jednocześnie zaczynają się poruszać.

Aby przeprowadzić obliczenia i analizę obwodów elektrycznych, konieczna jest znajomość nie tylko wartości danego pola elektromagnetycznego, napięć lub prądów, ale także ich kierunków, ponieważ te ostatnie określają znaki terminów w wyrażeniach obliczeniowych. W związku z tym warto przypomnieć kierunki prądów, napięć i sił elektromotorycznych przyjęte w fizyce.

Za kierunek prądu przyjmuje się kierunek ruchu ładunków dodatnich.

Dla kierunku napięcia pomiędzy dowolnymi punktami obwód elektryczny przyjąć kierunek, w którym ładunki dodatnie przemieszczałyby się pomiędzy tymi punktami pod wpływem sił pola elektrycznego, czyli od potencjału wyższego do niższego.

Za kierunek pola elektromagnetycznego pomiędzy zaciskami źródła lub odbiornika aktywnego przyjmuje się kierunek, w którym ładunki dodatnie pod wpływem zewnętrznych sił pola przemieszczałyby się, czyli od potencjału niższego do wyższego.

Tak więc w obwodzie elektrycznym ryc. 1.1, a potencjał punktu a jest większy niż potencjał punktu b (φa > φb), dlatego napięcie kierowane jest z punktu a do punktu b, a emf E jest z punktu b do punktu a.

W części atb zawierającej elementy pasywne ładunki dodatnie przemieszczają się pod wpływem sił pola elektrycznego z potencjału wyższego do niższego; kierunki napięcia i prądu w tej sekcji pokrywają się. W obszarze bpa zawierającym źródło energia elektryczna, ładunki dodatnie przemieszczają się pod wpływem pola elektromagnetycznego z niższego potencjału na wyższy, kierunek prądu w takim odcinku pokrywa się z kierunkiem pola elektromagnetycznego i jest przeciwny do kierunku napięcia.

Dla wygody dalszej prezentacji powyższe kierunki nazwiemy prawdziwymi kierunkami.

Obliczenia i analizy dowolnych obwodów elektrycznych można dokonać wykorzystując podstawowe prawa obwodów elektrycznych: prawo Ohma, pierwsze i drugie prawo Kirchhoffa. Prawa te służą również do uzasadnienia różnych metod upraszczających obliczenia i analizę obwodów.

Rejestracja wyrażeń według praw Ohma i Kirchhoffa, różne metody obliczenia i analizy oraz formuły obliczeniowe przeprowadza się z uwzględnieniem określonych kierunków zarówno zadanych wielkości (np. pola elektromagnetycznego, napięć czy prądów), jak i wielkości wyznaczanych.

Przy obliczaniu i analizie obwodów elektrycznych kierunki zadanych i pożądanych wielkości są zaznaczone na schematach strzałkami, są one uważane za dodatnie (E > 0, U > 0 i I > 0) i dlatego nazywane są kierunkami dodatnimi.

Dla pozytywnych kierunków danych i poszukiwanych wartości przy DC przyjąć ich rzeczywiste wskazówki.

Jeżeli nie są one oczywiste, można dowolnie wyznaczać kierunki dodatnie, gdyż od wyboru pewnych kierunków dodatnich zależą jedynie znaki poszukiwanych wielkości, a nie ich wartości. Jako dodatnie kierunki wielkości, które zmieniają swoje rzeczywiste kierunki w czasie, na przykład w obliczeniach lub analizie obwodów AC

, określ jeden z dwóch możliwych kierunków, biorąc pod uwagę, które obliczenia są przeprowadzane.

Jeżeli w wyniku obliczeń lub analizy którakolwiek z poszukiwanych wielkości okaże się dodatnia, oznacza to, że faktycznie jest ona skierowana w sposób pokazany na schemacie strzałką;

ujemna wartość żądanej wielkości wskazuje jej przeciwny kierunek. Powyższe dotyczy również wielkości, których rzeczywiste kierunki zmieniają się w czasie.

W książce zastosowano Międzynarodowy Układ Jednostek (SI), w którym podstawową jednostką siły pola elektromagnetycznego, napięcia i potencjału jest 1 wolt (1 V). Oprócz jednostki 1 wolt, w praktyce stosuje się jednostkę 1 kilowolt (1 kV = 103 V) i 1 miliwolt (1 mV = 10-3 V).

• Podstawową jednostką prądu jest 1 amper (1 A). W przypadku prądu stosowane są również jednostki 1 miliampera (1 mA = 10-3 A) i 1 mikroampera (1 µA = 10-6 A). Stosując techniki uczenia się opartego na problemach, ucz uczniów, pracując w grupach, aby osiągnąć wspólny cel.
• Edukacja ogólna: W trakcie prac eksperymentalnych dowiedz się, jakie działania może wykonać prąd elektryczny. Zapoznanie uczniów ze środkami ostrożności podczas pracy z urządzeniami elektrycznymi. Pokaż praktyczną orientację badanego materiału.
• Rozwój: kształtowanie naukowo-materialistycznego światopoglądu, rozwój logiczne myślenie, stwórz pomysł na proces wiedza naukowa. Rozwijaj umiejętność słuchania i bycia słyszanym, zaszczepiaj kulturę pracy umysłowej.

Sprzęt: Prostowniki, przewody z gniazdami, klucze, magnesy, statywy, stojaki, elektrody węglowe i srebrne, roztwór siarczan miedzi, przegotowana woda, rezystor, żarówka na stojaku, waga, termometr, gwoździe, drut, cewka z drutu, tablica na tablicy, schematy obwodów elektrycznych, karty, tablica interaktywna.

Postęp lekcji

1. Moment organizacyjny.

Podaj temat i cel lekcji.

2. Ekspresowa ankieta dotycząca omawianego materiału:

1. Co to jest prąd elektryczny?
2. Podaj warunki istnienia prądu elektrycznego.
3. Jakie naładowane cząstki mogą brać udział w wytwarzaniu prądu elektrycznego?
4. Co tworzy i utrzymuje przez długi czas pole elektryczne w łańcuchu?
5. Co to jest źródło prądu?
6. Jaki jest jego cel?
7. Jakie rodzaje źródeł prądu znasz?
8. Powiąż źródło prądu z energią, w której energia jest przekształcana w energię elektryczną.

Klasa zostaje podzielona na trzy grupy do dalszej pracy dzieci w grupach. Każda grupa otrzymuje kartę z zadaniami eksperymentalnymi ( Załącznik 1) i arkusz ćwiczeń ucznia ( Dodatek 2).

3. Wyjaśnienie nowego materiału (zwróć uwagę dzieci na karty pracy):

Uczniowie uzupełniają puste miejsca w zdaniach arkuszy ćwiczeń, wyjaśniając prąd elektryczny w metalach i kierunek prądu elektrycznego.

1. Prąd elektryczny w metalach.

Metale w stanie stałym mają strukturę krystaliczną.

Jony dodatnie znajdują się w węzłach sieci krystalicznej metali, a elektrony poruszają się w przestrzeni między nimi. Elektrony nie są związane z jądrami swoich atomów i poruszają się losowo, dlatego nazywane są swobodnymi.

Ładunek ujemny wszystkich wolnych elektronów jest równy wartości bezwzględnej ładunkowi dodatniemu wszystkich jonów sieci. Dlatego W normalnych warunkach metal jest elektrycznie obojętny.

Jeśli w metalach powstanie pole elektryczne, wówczas wolne elektrony zaczną poruszać się kierunkowo pod jego wpływem siły elektryczne. Występuje prąd elektryczny. Wszystkie elektrony zaczynają poruszać się w tym samym kierunku na całej długości przewodnika, ale pomiędzy nimi pozostaje przypadkowy ruch (stado muszek poruszających się w kierunku wiatru).

Prąd elektryczny w metalach to uporządkowany ruch wolnych elektronów.

Prędkość ruchu samych elektronów w przewodniku pod wpływem pola elektrycznego jest niewielka (kilka mm na sekundę).

Ale dlaczego żarówka zapala się niemal natychmiast po zamknięciu obwodu elektrycznego?

Okazuje się, że pole elektryczne rozchodzi się z ogromną prędkością (bliską C = 300 000 km/s) na całej długości przewodnika. Pod wpływem pola elektrycznego wolne e, znajdujące się nie tylko w przewodach zasilających, ale także w spirali lampy, wprawiają się w uporządkowany ruch.

Dlatego też, gdy mówią o prędkości rozchodzenia się prądu elektrycznego w przewodniku, mają na myśli prędkość rozchodzenia się pola elektrycznego wzdłuż przewodnika (wykonując zadanie z kart pracy).

W metalach prąd elektryczny to uporządkowany ruch elektronów (cząstek naładowanych ujemnie). Ponieważ Z prądem elektrycznym spotkamy się głównie w metalach; rozsądne byłoby założenie, że kierunek prądu elektrycznego jest kierunkiem ruchu elektronów przewodnik elektryczny(tj. od bieguna „–” źródła do „+”).

Prąd występuje także w elektrolitach – roztworach kwasów, soli i zasad.

Prąd elektryczny w elektrolitach to uporządkowany ruch jonów obu znaków.

Jednak kwestia kierunku prądu elektrycznego pojawiła się na długo przed odkryciem elektronów i jonów. Uważano wówczas, że we wszystkich przewodnikach mogą przemieszczać się ładunki „+” i „–”.

Za kierunek przepływu prądu elektrycznego przyjęto kierunek, w którym ładunki „+” mogą przemieszczać się w przewodniku, tj. od „+” do „–” i ponieważ Warunek ten został uwzględniony we wszystkich prawach i regułach prądu elektrycznego, a następnie po odkryciu elektronów i jonów nic się nie zmieniło. (Wskaż kierunek prądu na schematach arkusza kalkulacyjnego).

3. Działanie prądu elektrycznego.

Rozważmy 2 przewodniki. Czy jest to według nich możliwe wygląd określić, czy przepływa przez nie prąd elektryczny, czy nie? (doświadczenie na stole demonstracyjnym) Badanie wpływu prądu elektrycznego pomoże nam rozwiązać ten problem.

Skutki prądu elektrycznego to zjawiska obserwowane w obecności prądu elektrycznego w obwodzie. Działania te służą do oceny przepływu prądu elektrycznego w danym obwodzie, ponieważ niemożliwa jest bezpośrednia obserwacja ruchu naładowanych cząstek w przewodniku.

Dowiedzmy się, jakie działania może wykonać prąd elektryczny. W tym celu podzielimy się na 4 grupy, z których każda otrzyma własną kartę z zadaniem eksperymentalnym. Pracując w grupach, należy nie tylko przeprowadzić proponowany eksperyment, ale także wyciągnąć pewne wnioski z obserwacji i zrozumieć, jaki wpływ prądu zaobserwowałeś podczas eksperymentów roboczych. Po wykonaniu zadania eksperymentalnego jedna osoba z grupy opowie o swoich obserwacjach, a druga osoba w trakcie opowiadania będzie dokładnie wypełniała udostępnioną tabelę na tablicy.

Działanie prądu elektrycznego.

Nazwy działania prądu elektrycznego
Urządzenia
Schemat
Aplikacja

4. Przed przystąpieniem do pracy pamiętajmy o zasadach bezpieczeństwa:

Ciało ludzkie jest przewodnikiem. Jeśli przez przypadek dana osoba zostanie narażona na działanie napięcia 24 V, w większości przypadków nie uniknie obrażeń, a nawet śmierci. Dlatego każda osoba zajmująca się elektryką powinna musisz pamiętać o następujących zasadach:

1. Dotykanie dwóch odsłoniętych przewodów obiema rękami jednocześnie jest bardzo niebezpieczne.
2. Dotykanie gołego przewodu, stojąc na ziemi, na wilgotnej lub cementowej podłodze, jest bardzo niebezpieczne.
3. Używanie wadliwych urządzeń elektrycznych jest niebezpieczne.
4. Nie można niczego składać, demontować ani naprawiać urządzenie elektryczne bez odłączania go od źródła zasilania.
5. Nie można wykonywać żadnych operacji na armaturze elektrycznej bez jej odłączenia od sieci.

Podczas lekcji używamy bezpiecznego dla życia napięcia 4V. Należy jednak przestrzegać zasad podanych powyżej.

5. Praca w grupach z wykorzystaniem kart, sprawozdań grupowych, usystematyzowanie ustaleń w tabeli na tablicy i w kartach pracy.

6. Utrwalenie poznanego materiału za pomocą zadań testowych

(gdzie liczba poprawnych odpowiedzi będzie odpowiadać Twojemu wynikowi). (