Що прийнято за напрям струму в ланцюзі. Відкритий урок "дії електричного струму та його напрямок"

У деяких речовинах частина електронів дуже слабко пов'язана з позитивними зарядами, що у ядрах атома. Ці так звані напіввільні електрони можуть пересуватися з одного атома до іншого і міжатомному просторі.

Речовини, що мають вільні та напіввільні електрони, називаються провідниками. електричного струму. До таких речовин насамперед відносяться метали, вугілля, розчини солей, кислот і лугів. Інші речовини, в яких мало вільних та напіввільних електронів, називаються непровідниками, ізоляторами або діелектриками. Діелектриками є повітря та інші гази, скло, фарфор, гума, сухе деревота багато інших речовин. У звичайному стані вільні електрони в провідниках безладно (хаотично) пересуваються всередині речовини різних напрямкахта з різними швидкостями. Вони безперервно зіштовхуються з атомами речовини, вибивають їх нові електрони, самі займаючи їхнє місце, тощо.

Візьмемо дві металеві пластини (рис. 4). Зарядимо одну з них позитивно (тобто створимо в ній нестачу електронів), а іншу негативно (тобто створимо надлишок електронів). Потенціал першої пластини буде позитивним, а потенціал другої пластини негативним, тобто між пластинами виникає різниця потенціалів. Якщо з'єднати ці пластини між собою провідником (металевим дротом), то вільні електрони, що надміру знаходяться на правій пластині, під дією сил електричного поляпластин прямують по сполучному провіднику до лівої пластини. Електрони завжди рухаються від місця, де вони перебувають у надлишку, т. е. від мінусу, туди де є їх недолік, т. е. до плюсу. Таким чином, з'явиться впорядковане пересування вільних електронів у провіднику, яке називається електричним струмом.

Електрично різноіменно заряджені пластини в даному випадку є джерелом струму і разом із з'єднувальним проводом становлять замкнутий електричний ланцюг.

У наведеному вище прикладі рух електронів (тобто електричний струм) у провіднику, що з'єднує дві заряджені металеві пластини, не може бути тривалим. Число електронів на позитивній пластині зростатиме, а на негативній зменшуватиметься. Через деякий час надлишок електронів на правій пластині компенсує їх недолік на лівій пластині та пластини набудуть однакового потенціалу. У цей момент струм у провіднику припиниться;

Таким чином, необхідною умовоюдля протікання електричного струму провідником є ​​наявність різниці потенціалів (напруги) між його кінцями. Для створення різниці потенціалів, що підтримує в замкненому ланцюгу тривалий за часом електричний струм, служать прилади, які називають джерелами електричного струму.

Різниця потенціалів розімкнутого джерела струму (у разі пластин, не з'єднаних між собою провідником) носить назву електрорушійної сили(скорочено е.р.с.).

Електрорушійна сила, так само як і напруга, залежно від її величини вимірюється у вольтах, кіловольтах, мілівольтах та мікровольтах. Вільні електрони у провіднику рухаються від низького потенціалу у напрямку вищого (тобто від мінусу до плюсу). Такий напрямок руху електронів називається істинним або дійсним. Проте в електротехніці прийнято вважати, що струм йде від плюс до мінуса. Такий напрямок струму було встановлено довільно ще до відкриття елементарних частинок - електронів. Цей умовний напрямок струму прийнято називати технічним. Слід запам'ятати, що напрям струму прийнято вважати протилежно спрямованим дійсному руху електронів у провіднику (рис. 4). Електричний струм, який весь час проходить в ланцюзі в одному напрямку і має постійну (постійну) величину, називається постійним струмом.

Кількість спрямованих електронів і їх середня швидкість переміщення визначають кількість електрики, яка проходить за одиницю часу через переріз провідника, тобто силу струму.

Отже, силою електричного струму у провіднику називається кількість електрики, що проходить через поперечний переріз провідника протягом однієї секунди.

Для вимірювання сили струму прийнята одиниця, яка називається ампером (скорочено а). Одному амперу відповідає проходження через поперечний переріз провідника 6,31018 електронів в секунду. Струм силою в один ампер, проходячи через розчин азотнокислого срібла, виділяє з нього кожну секунду 1118 мг срібла. Іноді струм виражають більш дрібними величинами-тисячними частками ампера (міліамперами) і мільйонними частками ампера (мікроамперами). Міліампер позначається літерами ма, а мікроампер - літерами мка.

Слід зазначити, що швидкість переміщення електронів у провіднику дуже мала і вимірюється частками сантиметра чи міліметра на секунду. Це тим, що електрони безперервно стикаються з частинками провідника. Однак швидкість поширення струму у дроті дуже велика і досягає швидкості світла, тобто 300 000 км/сек. Якщо одному кінці дроту виникає струм, він майже миттєво поширюється у всьому провіднику, оскільки всі електрони провідника одночасно починають рухатися.

Для проведення розрахунку та аналізу електричних ланцюгів необхідно знати не тільки значення заданих ЕРС, напруги або струмів, а й їх напрями, оскільки останні визначають знаки доданків у розрахункових виразах. У зв'язку з цим слід нагадати про напрями струмів, напруги та ЕРС, прийнятих у фізиці.

За напрямок струму приймають напрямок руху позитивних зарядів.

За напрям напруги між якими-небудь точками електричного ланцюгаприймають напруження, в якому переміщалися б позитивні заряди між цими точками під дією сил електричного поля, тобто від більшого потенціалу до меншого.

За напрямок ЕРС між висновками джерела чи активного приймача приймають напрям, у якому переміщалися б позитивні заряди під впливом сил стороннього поля, т. е. від меншого потенціалу до більшого.

Так, в електричному ланцюзі рис. 1.1 а потенціал точки а більше потенціалу точки b (φа > φb), тому напруга спрямована від точки а до точки b, а ЕРС Е - від точки b до точки а.

На ділянці атb, що містить пасивні елементи, позитивні заряди переміщуються під дією сил електричного поля більшого потенціалу до меншого; напрями напруги та струму на цій ділянці збігаються. На ділянці bпа, що містить джерело електричної енергії, Позитивні заряди переміщуються під дією ЕРС від меншого потенціалу до більшого, напрям струму на такій ділянці збігається з напрямом ЕРС і протилежно напрямку напруги.

Для зручності подальшого викладу називатимемо зазначені вище напрямки дійсними напрямками.

Розрахунок та аналіз будь-яких електричних ланцюгів може бути зроблений за допомогою основних законів електричних ланцюгів: закону Ома, першого та другого законів Кірхгофа. Зазначені закони використовуються також для обґрунтування різних методів, що спрощують розрахунок та аналіз ланцюгів.

Запис виразу за законами Ома та Кірхгофа, різних методіврозрахунку та аналізу, а також розрахункових формул проводиться з урахуванням певних напрямів як заданих величин (наприклад, ЕРС, напруги або струмів), так і величин, що підлягають визначенню.

При розрахунку та аналізі електричних ланцюгів напрями заданих та шуканих величин вказують на схемах стрілками, вважають їх позитивними (Е > 0, U > 0 та I > 0) і тому називають позитивними напрямками.

За позитивні напрямки заданих та шуканих величин при постійному струміприймають їх дійсні напрями. Якщо вони не очевидні, можна поставитися позитивними напрямками довільно, оскільки від вибору тих чи інших позитивних напрямів залежать лише знаки шуканих величин, а чи не їх значення.

Як позитивні напрямки величин, що змінюють свої дійсні напрямки з плином часу, наприклад при розрахунку або аналізі ланцюгів змінного струму, задають один із двох можливих їх напрямів, з урахуванням якого і роблять розрахунок.

Якщо в результаті розрахунку або аналізу будь-яка з шуканих величин виявляється позитивною, це означає, що вона спрямована насправді так, як показано на схемі стрілкою; негативне значення шуканої величини свідчить про її протилежне напрям. Сказане відноситься і до величин, дійсні напрямки яких з часом змінюються.

У книзі використовується Міжнародна система одиниць (СІ), в якій основною одиницею ЕРС, напруги та потенціалу є 1 вольт (1 В). Крім одиниці 1 вольт у практиці використовується одиниця 1 кіловольт (1 кВ = 103 В) та 1 мілівольт (1 мВ = 10-3 В).

Основною одиницею струму є один ампер (1 А). Для струму використовуються також одиниці 1 міліампер (1 мА = 10-3 А) та 1 мікроампер (1 мкА = 10-6 А).

Цілі уроку:

• Дидактичні: створити умови для засвоєння нового навчального матеріалу, Використовуючи методику проблемного навчання, навчити учнів, працюючи в групах, досягати загальну мету.
• Загальноосвітні: У процесі експериментальної роботи з'ясувати, які дії здатний здійснювати електричний струм. Ознайомити учнів із технікою безпеки під час роботи з електричними приладами. Показати практичну спрямованість матеріалу, що вивчається.
• Розвиваючі: Формувати науково-матеріалістичне світогляд, розвивати логічне мисленняформувати уявлення про процес наукового пізнання Виробляти вміння слухати та бути почутим, прищеплювати культуру розумової праці.

Обладнання:Випрямлячі, проводи з розетками, ключі, магніти, штативи, підставки, електроди вугільні та срібні, розчин мідного купоросу, кип'ячена вода, резистор, лампочка на підставці, шкала, термометр, цвяхи, дріт, дротяний моток, таблиця на дошці, схеми електричних ланцюгів, картки, інтерактивна дошка.

Хід уроку

1. Організаційний момент.

Повідомлення теми та мети уроку.

2. Експрес-опитування з пройденого матеріалу:

1. Що таке електричний струм?
2. Перелічіть умови існування електричного струму.
3. Які заряджені частинки можуть брати участь у виникненні електричного струму?
4. Що створює та підтримує тривалий час електричне полеу ланцюзі?
5. Що таке джерело струму?
6. Яким є його призначення?
7. Які види джерел струму вам знайомі?
8. Співвіднесіть джерело струму з енергією, в якому відбувається перетворення енергії на електричну енергію.

Клас розбивається на три групи для подальшої роботи дітей у групах. Кожній групі видається картка із завданнями експериментальної роботи ( Додаток 1) та робочий лист для учня ( Додаток 2).

3. Пояснення нового матеріалу (звернути увагу дітей на робочі листи):

При поясненні питання електричний струм у металах та напрямок електричного струму учні заповнюють прогалини у пропозиціях робочого листа.

1. Електричний струм у металах.

Метали у твердому стані мають кристалічну будову.

У вузлах кристалічної решітки металів розташовані позитивні іони, а просторі між ними рухаються електрони. Електрони не пов'язані з ядрами своїх атомів і рухаються безладно, тому їх називають вільними.

Негативний заряд усіх вільних електронів за абсолютним значенням дорівнює позитивному заряду всіх іонів грати. Тому у звичайних умовах метал електрично нейтральний.

Якщо у металах створити електричне поле, то вільні електрони почнуть рухатися спрямовано під дією електричних сил. Виникає електричний струм. Всі електрони починають рухатися в одному напрямку по всій довжині провідника, але між ними зберігається безладний рух (зграйка мошкари, що рухається у бік вітру).

Електричний струм у металах – це впорядкований рух вільних електронів.

Швидкість руху самих електронів у провіднику під впливом електричного поля мала (кілька мм на секунду).

Але чому при замиканні електричного ланцюга лампочка спалахує практично миттєво?

Виявляється електричне поле розповсюджується з величезною швидкістю (близькою до С = 300 000 км/с) по всій довжині провідника. Під дією електричного поля в упорядкований рух приходять вільні е, що знаходяться не тільки в провідниках, що підводять, але і в спіралі сомой лампи.

Тому, коли говорять про швидкість поширення електричного струму у провіднику, мають на увазі швидкість поширення по провіднику електричного поля (виконання завдання в робочих аркушах).

У металах електричний струм – це впорядкований рух електронів (негативно заряджених частинок). Т.к. в основному ми стикатимемося з електричним струмом у металах, розумно було б припустити, що за напрям електричного струму приймають напрям руху електронів у електричному провіднику(Тобто від «-» полюса джерела до «+»).

Струм виникає і в електролітах - розчинах кислот, солей, лугів.

Електричний струм у електролітах – упорядкований рух іонів обох знаків.

Але питання про напрям електричного струму виникло задовго до відкриття електронів та іонів. Тоді вважали, що у всіх провідниках можуть переміщатися як «+», і «-» заряди.

За напрямок електричного струму прийняли напрям, яким могли б рухатися у провіднику «+» заряди, тобто. від "+" до "-", а т.к. ця умова була врахована у всіх законах та правилах електричного струму, то після відкриття електронів та іонів нічого змінювати не стали. (Проставити напрямок струму в схемах робочого листа).

3. Дії електричного струму.

Розглянемо 2 провідники. Чи можна з них зовнішньому виглядувизначити протікає ними електричний струм чи ні? (Дослід на демонстраційному столі) Вирішити цю проблему допоможе нам вивчення дій електричного струму.

Дії електричного струму називають ті явища, які спостерігаються за наявності електричного струму в ланцюзі. За цими діями судять про перебіг електричного струму у цьому ланцюзі, т.к. не можна безпосередньо спостерігати за рухом заряджених частинок у провіднику.

З'ясуємо, які дії може здійснювати електричний струм. Для цього розділимося на 4 групи, кожна з яких отримає свою картку з експериментальним завданням. Працюючи у групах треба як провести запропонований експеримент, а й зробити певні висновки зі спостережень і зрозуміти, яку дію струму ви спостерігали під час дослідів роботи. Після виконання експериментального завдання одна людина від групи розповість про свої спостереження, а друга людина під час розповіді акуратно заповнить надану таблицю на дошці.

Події електричного струму.

Назви дії електричного струму
Прилади
Схема
Застосування

4. Перед початком роботи, згадаємо про техніку безпеки:

Людське тіло – провідник. Якщо випадково людина опиниться під напругою 24В, то в більшості випадків вона не уникне травми або навіть смерті. Тому будь-якій людині, яка має справу з електрикою, треба пам'ятати такі правила:

1. Дуже небезпечний одночасний дотик двома руками до двох оголених дротів.
2. Дуже небезпечний дотик до оголеного дроту, стоячи на землі, на сирій або цементній підлозі.
3. Небезпечно користуватись несправними електроприладами.
4. Не можна збирати, розбирати, виправляти щось у електричному приладі, не відключивши його від джерела живлення.
5. Не можна проводити будь-які операції з електричною арматурою, не вимкнувши її з мережі.

Ми користуємося на уроці напругою безпечною для життя 4В. Але правил, обумовлених вище, треба дотримуватися.

5. Групова робота за картками, звіти груп, систематизація висновків у таблиці на дошці та у робочих листах.

6. Закріплення вивченого матеріалу за допомогою тестових завдань

(Де кількість правильних відповідей буде відповідати вашій оцінці). (