Электричество и магнетизм
Электричество — это движущийся заряд, управляемый разностью потенциалов и сопротивлением каждого компонента — и каждый ток создаёт магнитное поле. Самая большая тема OxfordAQA формирует набор инструментов для работы со схемами, поведение компонентов и электромагниты.
OxfordAQA International GCSE Physics 9203, тема 3.5 (Версия 5.1). Утверждения, помеченные (P), относятся только к Бумаге-2-.
Электрические цепи
Металлы проводят ток, потому что содержат свободные электроны; (P) изолированный дисбаланс заряда является статическим электричеством, который разряжается при появлении проводящего пути (молния). Ток — это скорость потока заряда:
Напряжение толкает заряд по цепи; разность потенциалов на компоненте измеряет энергию, передаваемую на единицу заряда (вольты = джоули на кулон). Выучите стандартные символы: переключатель, лампа, предохранитель, элемент, батарея, диод, резистор, переменный резистор, термистор, LDR, светодиод, амперметр и вольтметр.
При постоянной температуре график зависимости V–I резистора представляет собой прямую линию (омический); лампа накаливания имеет изогнутый график, так как её ионы сильнее вибрируют с ростом температуры; диод проводит ток только в прямом направлении; (P) сопротивление термистора уменьшается с ростом температуры (используется в термостатах); сопротивление LDR уменьшается с ростом освещённости (автоматическое освещение); светодиод излучает свет в прямом направлении и экономит энергию по сравнению с лампами накаливания и люминесцентными лампами (CFL).
Последовательная: одинаковый ток, р.п. распределяются, сопротивления складываются. Параллельная: одинаковая р.п., токи разделяются, общее сопротивление меньше, чем у любого отдельного резистора. Заряд, сталкиваясь с кристаллической решёткой, нагревает каждый резистор.
Проверенный пример. Лампа 230 В потребляет 0.25 А: $R = 230/0.25 = 920\ \Omega$. Два резистора 4 Ом, соединённые последовательно при напряжении 12 В, пропускают ток $I = 12/8 = 1.5$ А; при параллельном соединении — $R = 2\ \Omega$, а суммарный ток от источника составляет $I = 12/2 = 6$ А.
Магнетизм и электромагнетизм
Полюса: одноимённые отталкиваются, разноимённые притягиваются — это силы действия на расстоянии. Линии магнитного поля направлены от N к S вне магнита; если противоположные полюсы обращены друг к другу, между ними формируется равномерное поле. Наведённый магнит притягивается в поле и теряет намагниченность при его удалении; земное магнитное поле позволяет компасу ориентироваться в пространстве.
Проводник с током окружён кольцевыми линиями магнитного поля (чем больше сила тока → тем сильнее поле; реверс тока → реверс направления). Соленоид концентрирует поле; при наличии сердечника из мягкого железа он становится электромагнитом — включаемым, регулируемым по силе, используется в кранах для подъёма металлолома, реле и замках дверей. Обязательная практическая работа: факторы, определяющие силу электромагнита.
Проверьте себя
- Почему металлы проводят электрический ток?
- Запишите зависимость между силой тока, зарядом и временем, указав единицы измерения.
- Вычислите заряд, прошедший через проводник, если ток 2 А протекал в течение 30 с.
- Опишите форму графика зависимости напряжения от силы тока для резистора при постоянной температуре и для нити лампы накаливания.
- (P) Как изменяется сопротивление термистора при повышении температуры?
- Сформулируйте правила для силы тока и напряжения при последовательном и параллельном соединениях.
- Вычислите R для источника питания 12 В, создающего ток 0.5 А.
- Сформулируйте правило полюсов и укажите направление линий магнитного поля вне магнита.
- Что такое наведённый магнит?
- Назовите два способа усиления электромагнита.
Ответы: 1 они содержат свободные электроны, которые смещаются под действием приложенного напряжения; 2 Q = It, заряд в кулонах = сила тока в амперах × время в секундах; 3 Q = 2 × 30 = 60 Кл; 4 прямая линия, проходящая через начало координат; S-образная кривая, выравнивающаяся при росте тока (и, следовательно, температуры); 5 (P) оно уменьшается — применяется в терморегуляторах; 6 последовательно — сила тока одинакова во всей цепи, напряжения складываются; параллельно — напряжение на ветвях одинаково, силы токов складываются; 7 R = 12/0.5 = 24 Ом; 8 одноимённые полюса отталкиваются, разноимённые притягиваются; от N к S вне магнита; 9 магнитный материал, который становится магнитом только при помещении в поле — притягивается, теряя большую часть намагниченности при удалении; 10 большее количество витков на катушке; больший ток (также использование сердечника из мягкого железа).