Задание   14   группе за  13.05.2020

Работа №1  рассчитана 4 часа 

1.     Ознакомьтесь с конспектом, примерами решения задач  и  выполните задание для самостоятельной работы  (1 и 2) и пройдите тест  См. ниже.

2.    Выполненную работу   присылать по почте  aleksandraglotova471@gmail.com.  В имени файла указывайте  свою Фамилию, группу, предмет и номер работы.

3.    В дальнейшем все работы будут выкладываться в гугл классе. инструкцию для входа в него вышлю. Вам необ димо создать аккаунт  (в имени аккаунта указать реальные ФИО) в гугле.

Как-то про­фес­со­ра Сер­гея Пет­ро­ви­ча Ка­пи­цу, дол­гое вре­мя яв­ляв­ше­го­ся ве­ду­щим те­ле­ви­зи­он­ной пе­ре­да­чи «Оче­вид­ное — не­ве­ро­ят­ное», спро­си­ли о том, ка­кое из от­кры­тий че­ло­ве­че­ства по его мне­нию яв­ля­ет­ся ве­ли­чай­шим в ми­ре. «Элек­три­че­ство», — не за­ду­мы­ва­ясь от­ве­тил он.

Стан­ки, ро­бо­ты, ин­фор­ма­ци­он­ные си­сте­мы, ав­то­ма­ти­че­ские ли­нии и гиб­кие ав­то­ма­ти­зи­ро­ван­ные про­из­вод­ства, си­сте­мы осве­ще­ния и бы­то­вая тех­ни­ка — все это и мно­гое дру­гое ста­ло воз­мож­ным бла­го­да­ря элек­три­че­ству.

Элек­тро­тех­ни­ка — это на­у­ка об ос­нов­ных за­ко­нах фи­зи­ки в об­ла­сти элек­три­че­ства и его при­ме­не­нии в про­мыш­лен­но­сти и бы­ту.

Она срав­ни­тель­но мо­ло­да, го­дом ее ос­но­ва­ния при­ня­то счи­тать 1802 г., ко­гда ака­де­мик В. В. Пет­ров от­крыл и ис­сле­до­вал яв­ле­ние элек­три­че­ской ду­ги, а так­же воз­мож­но­сти его при­ме­не­ния для осве­ще­ния, свар­ки и плав­ле­ния. Да­лее раз­ви­тие шло се­ми­миль­ны­ми ша­га­ми:

1820 г. — А. М. Ам­пер из­ме­рил си­лу вза­и­мо­дей­ствия меж­ду дву­мя па­рал­лель­ны­ми про­вод­ни­ка­ми с то­ком (за­кон Ам­пе­ра), со­здав ос­но­ву по­стро­е­ния элек­три­че­ских дви­га­те­лей;

1826 г. — Г. Ом экс­пе­ри­мен­таль­но под­твер­дил за­кон, на­зван­ный его име­нем, по­ло­жив на­ча­ло рас­че­ту элек­три­че­ских це­пей;

1831 г. — М. Фа­ра­дей от­крыл яв­ле­ние элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции, со­здав ос­но­ву по­стро­е­ния элек­три­че­ских ге­не­ра­то­ров;

1834 г. — Б. С. Яко­би по­стро­ил элек­три­че­ский дви­га­тель по­сто­ян­но­го то­ка, став­ший ос­нов­ным при­вод­ным дви­га­те­лем транс­порт­ных средств;

1847 г. — Г. Р. Кирх­гоф сфор­му­ли­ро­вал на­зван­ные его име­нем за­ко­ны, поз­во­ля­ю­щие рас­счи­ты­вать слож­ные элек­три­че­ские це­пи;

1872 г. — А. Г. Сто­ле­тов снял кри­вую на­маг­ни­чи­ва­ния же­ле­за В(Н), за­ло­жив ос­но­ву рас­че­та маг­нит­ных це­пей;

1875 г. — П. Н. Яб­лоч­ков со­здал транс­фор­ма­тор, обес­пе­чив пе­ре­да­чу элек­три­че­ской энер­гии на зна­чи­тель­ные рас­сто­я­ния;

1888 г. — М. О. До­ли­во-Доб­ро­воль­ский со­здал трех­фаз­ный асин­хрон­ный дви­га­тель пе­ре­мен­но­го то­ка с ко­рот­ко­за­мкну­тым ро­то­ром — ос­нов­ной при­вод­ной дви­га­тель лю­бо­го ме­тал­ло­ре­жу­ще­го стан­ка;

1895 г. — А. С. По­пов про­де­мон­стри­ро­вал воз­мож­но­сти ра­дио­свя­зи, за­ло­жив ос­но­вы ра­дио- и те­ле­ве­ща­ния.

Все по­сле­ду­ю­щие от­кры­тия и изоб­ре­те­ния бы­ли на­прав­ле­ны на со­зда­ние прак­ти­че­ски дей­ству­ю­щих ис­точ­ни­ков и при­ем­ни­ков элек­три­че­ской энер­гии, яв­ля­ю­щих­ся ос­нов­ны­ми эле­мен­та­ми элек­тро­тех­ни­че­ских уста­но­вок.

Пре­иму­ще­ства элек­три­че­ской энер­гии пе­ред дру­ги­ми ви­да­ми энер­гии оче­вид­ны:

·         спо­соб­ность лег­ко и быст­ро пе­ре­да­вать­ся на лю­бые рас­сто­я­ния;

·         воз­мож­ность де­ле­ния на лю­бые ча­сти;

·         про­сто­та пре­об­ра­зо­ва­ния в дру­гие ви­ды энер­гии (све­то­вую, теп­ло­вую, ме­ха­ни­че­скую и др.).

У элек­три­че­ской энер­гии есть лишь один не­до­ста­ток — ее опас­ность для жиз­ни че­ло­ве­ка. Элек­три­че­ский ток по воз­дей­ствию на че­ло­ве­ка мож­но услов­но под­раз­де­лить на три ви­да:

·         ощу­ти­мый: бо­лее 0,6 мА — вы­зы­ва­ет сла­бый зуд, бо­лее 3 мА — раз­дра­же­ние, бо­лее 8 мА — не­про­из­воль­ное со­кра­ще­ние мышц ру­ки;

·         не­от­пус­ка­ю­щий: бо­лее 10 мА — вы­зы­ва­ет су­до­ро­ги мышц рук, по­стра­дав­ший не мо­жет раз­жать ру­ки, бо­лее 25 мА — су­до­ро­ги не толь­ко мышц рук, но и те­ла, бо­лее 50 мА — по­те­рю со­зна­ния, пре­кра­ще­ние ды­ха­ния и да­же смерть;

·         фиб­рил­ля­ци­он­ный — бо­лее 100 мА — раз­дра­жа­ет мыш­цы серд­ца, сужа­ет со­су­ды, пре­кра­ща­ет дви­же­ние кро­ви, вы­зы­ва­ет смерть.

При­ня­то счи­тать, что опас­ным для жиз­ни че­ло­ве­ка яв­ля­ет­ся ток бо­лее 50 мА.

Мож­но ли сни­зить опас­ность по­ра­же­ния элек­три­че­ским то­ком? Мож­но, ес­ли при­нять ме­ры к уве­ли­че­нию со­про­тив­ле­ния вет­ви, по ко­то­рой те­чет ток. Так, ес­ли при­кос­нув­ший­ся к то­ко­ве­ду­щим ча­стям че­ло­век сто­ит на ре­зи­но­вом ков­ри­ке, ко­то­рый ле­жит на де­ре­вян­ном су­хом по­лу, то да­же при на­пря­же­нии 380 В ток не пре­вы­сит 5 мА, т. е. вы­зо­вет лишь раз­дра­же­ние. По­это­му од­ним из пу­тей по­вы­ше­ния элек­тро­без­опас­но­сти при ра­бо­те с элек­тро­уста­нов­ка­ми яв­ля­ет­ся при­ме­не­ние ди­элек­три­че­ских ков­ри­ков, изо­ли­ру­ю­щих под­ста­вок, ди­элек­три­че­ских пер­ча­ток и бот, изо­ли­ру­ю­щих штанг, ин­стру­мен­та с изо­ли­ро­ван­ны­ми руч­ка­ми и т. д.

Дру­гой путь — это за­зем­ле­ние эле­мен­тов обо­ру­до­ва­ния, к ко­то­рым мо­жет при­ка­сать­ся че­ло­век, и ко­то­рые в нор­маль­ном со­сто­я­нии не на­хо­дят­ся под на­пря­же­ни­ем. При на­ли­чии за­зем­ле­ния те­ло че­ло­ве­ка ока­зы­ва­ет­ся вклю­чен­ным па­рал­лель­но за­зем­ли­те­лю, со­про­тив­ле­ние ко­то­ро­го во мно­го раз мень­ше со­про­тив­ле­ния те­ла че­ло­ве­ка. По­это­му при на­ру­ше­нии изо­ля­ции и по­па­да­нии на­пря­же­ния на кор­пус обо­ру­до­ва­ния че­рез те­ло че­ло­ве­ка в слу­чае его при­кос­но­ве­ния к кор­пу­су бу­дет про­хо­дить не­боль­шой ток, без­опас­ный для его здо­ро­вья.

Все то­ко­ве­ду­щие ча­сти ма­шин и ме­ха­низ­мов долж­ны быть за­щи­ще­ны со­от­вет­ству­ю­щи­ми ко­жу­ха­ми и ограж­де­ни­я­ми.

Наи­бо­лее дей­ствен­ным спо­со­бом за­щи­ты че­ло­ве­ка от по­ра­же­ния элек­три­че­ским то­ком яв­ля­ет­ся мак­си­маль­но быст­рое от­клю­че­ние то­ка при лю­бой не­штат­ной си­ту­а­ции. Вре­мя от­клю­че­ния опре­де­ля­ет и зна­че­ние без­опас­но­го то­ка. Ес­ли при вре­ме­ни от­клю­че­ния 1 с без­опас­ным счи­та­ет­ся ток ме­нее 50 мА, то при вре­ме­ни от­клю­че­ния ме­нее 0,1 с он воз­рас­та­ет до 400 мА. Имен­но та­кое вре­мя от­клю­че­ния име­ет устрой­ство за­щит­но­го от­клю­че­ния (УЗО), пред­став­ля­ю­щее со­бой быст­ро­дей­ству­ю­щий ав­то­ма­ти­че­ский вы­клю­ча­тель. Оно пред­на­зна­че­но для за­щи­ты лю­дей от по­ра­же­ния элек­три­че­ским то­ком и предот­вра­ще­ния по­след­ствий, вы­зван­ных ко­рот­ким за­мы­ка­ни­ем в элек­тро­про­вод­ке, при не­ис­прав­ном элек­тро­обо­ру­до­ва­нии или слу­чай­ном кон­так­те че­ло­ве­ка с от­кры­ты­ми про­во­дя­щи­ми ча­стя­ми элек­тро­обо­ру­до­ва­ния.

Без элек­три­че­ства не­воз­мо­жен на­уч­но-тех­ни­че­ский про­гресс. Вспом­ним план ГОЭЛРО, пре­вра­тив­ший от­ста­лую Рос­сию за ко­рот­кое вре­мя в мощ­ную эко­но­ми­че­ски раз­ви­тую дер­жа­ву. В на­сто­я­щее вре­мя Рос­сия про­из­во­дит в год око­ло 900 млрд кВт · ч элек­тро­энер­гии, на­хо­дясь по это­му по­ка­за­те­лю на чет­вер­том ме­сте в ми­ре. Со­еди­нен­ные Шта­ты Аме­ри­ки про­из­во­дят элек­тро­энер­гии в три с лиш­ним ра­за боль­ше, чем Рос­сия, и яв­ля­ют­ся наи­бо­лее тех­ни­че­ски раз­ви­той стра­ной в ми­ре. Ки­тай за по­след­ние 10 лет прак­ти­че­ски утро­ил про­из­вод­ство элек­тро­энер­гии и в 2011 г. обо­гнал по это­му по­ка­за­те­лю США, вый­дя на пер­вое ме­сто в ми­ре. Как ре­зуль­тат — быст­рый рост эко­но­ми­ки Ки­тая, рез­кое по­вы­ше­ние про­из­во­ди­тель­но­сти тру­да и сни­же­ние се­бе­сто­и­мо­сти про­дук­ции.

Се­го­дня на­ша стра­на 67 % элек­тро­энер­гии про­из­во­дит на теп­ло­вых элек­тро­стан­ци­ях (ТЭС), но из них лишь 16 % (в 2 ра­за мень­ше, чем в сред­нем в ми­ре) — за счет сжи­га­ния уг­ля. Ос­нов­ны­ми ви­да­ми топ­ли­ва для ТЭС яв­ля­ют­ся нефть и газ. Рос­сия экс­плу­а­ти­ру­ет раз­ве­дан­ные за­па­сы неф­ти и га­за, ко­то­рых, по про­гно­зу, хва­тит лишь на 70 лет, в то вре­мя как за­па­сов уг­ля хва­тит на сот­ни лет. Зна­чит, од­на из пер­спек­тив раз­ви­тия про­из­вод­ства элек­тро­энер­гии в на­шей стра­не за­клю­ча­ет­ся в пе­ре­во­де су­ще­ству­ю­щих теп­ло­вых элек­тро­стан­ций на твер­дое топ­ли­во — уголь.

Дру­гая — это уве­ли­че­ние до­ли элек­тро­энер­гии, про­из­во­ди­мой на атом­ных элек­тро­стан­ци­ях (АЭС), с 13 до 25 % к 2020 г.

По ве­ли­чи­не реч­но­го сто­ка Рос­сия за­ни­ма­ет од­но из пер­вых мест в ми­ре, в то же вре­мя лишь 20 % этой воз­об­нов­ля­е­мой энер­гии ис­поль­зу­ет­ся для про­из­вод­ства элек­тро­энер­гии на гид­рав­ли­че­ских элек­тро­стан­ци­ях (ГЭС).

Про­гресс в об­ла­сти по­треб­ле­ния элек­тро­энер­гии се­го­дня и зав­тра — это в первую оче­редь по­вы­ше­ние ко­эф­фи­ци­ен­та по­лез­но­го дей­ствия элек­тро­уста­но­вок, со­кра­ще­ние по­терь при про­из­вод­стве и пе­ре­да­че элек­тро­энер­гии. Се­го­дня, по­ку­пая хо­ло­диль­ник, те­ле­ви­зор, пы­ле­сос, сти­раль­ную ма­ши­ну, мы ин­те­ре­су­ем­ся по­треб­ля­е­мой эти­ми при­бо­ра­ми мощ­но­стью. Все ча­ще по­ку­па­ем, хо­тя и до­ро­гие, но энер­го­сбе­ре­га­ю­щие элек­тро­лам­пы — оку­пят­ся. Ана­ло­гич­но и в про­из­вод­стве: за­ме­на ста­ро­го обо­ру­до­ва­ния и тех­но­ло­гий на со­вре­мен­ное энер­го­сбе­ре­га­ю­щее тре­бу­ет за­трат, но ведь то­же оку­пит­ся.

Од­но из на­прав­ле­ний раз­ви­тия элек­тро­тех­ни­ки — это сни­же­ние вли­я­ния энер­ге­ти­че­ских уста­но­вок на эко­ло­ги­че­скую об­ста­нов­ку. Не­до­пу­сти­мо за­гряз­нять ат­мо­сфе­ру от­хо­да­ми при сжи­га­нии уг­ля, неф­ти и га­за, за­топ­лять ты­ся­чи гек­тар пло­до­род­ных зе­мель, ле­сов и це­лые де­рев­ни при стро­и­тель­стве гид­ро­элек­тро­стан­ций. На улуч­ше­ние эко­ло­ги­че­ской си­ту­а­ции се­го­дня на­прав­ле­ны уси­лия уче­ных, ин­же­не­ров, тех­но­ло­гов и стро­и­те­лей.

При­ня­тый план элек­три­фи­ка­ции Рос­сии вплоть до 2020 г. — это по су­ще­ству но­вый план ГОЭЛРО. Он преду­смат­ри­ва­ет уве­ли­че­ние про­из­вод­ства элек­тро­энер­гии по­чти на 70 %, что поз­во­лит по­лу­чать до 1 500 млрд кВт · ч в год. На­ме­ча­ет­ся вве­сти в строй 26 но­вых бло­ков АЭС, пе­ре­ве­сти как мож­но боль­ше ТЭС на уголь­ное топ­ли­во при стро­жай­шем кон­тро­ле за ка­че­ством от­хо­дов, вы­бра­сы­ва­е­мых в ат­мо­сфе­ру, на­ко­нец, вос­ста­но­вить и по­стро­ить но­вые мик­ро­гид­ро­элек­тро­стан­ции на ма­лых ре­ках.

В пер­спек­ти­ве для про­из­вод­ства элек­тро­энер­гии все ши­ре бу­дут ис­поль­зо­вать­ся та­кие ви­ды воз­об­нов­ля­е­мой энер­гии, как сол­неч­ная, гео­тер­маль­ная, энер­гия вет­ра, мор­ских при­ли­вов и др. Над этим се­го­дня ак­тив­но ра­бо­та­ют во всем ми­ре.

1.1.Физика электрического тока. Основные электрические величины и их единицы измерения

Что такое электрический ток? Как известно, все тела состоят из атомов. Атом состоит из ядра и вращающихся на различных орбитах электронов (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Схема атома

Электротехнику прежде всего интересуют электроны, вращающиеся на дальних (внешних) орбитах. Такие электроны имеют наименьшую связь с ядром, поэтому способны покидать атом и становиться свободными. При отсутствии внешнего воздействия свободные электроны движутся хаотично. Под действием внешней энергии можно заставить их двигаться организованно, в определенном направлении, т. е. получить электрический ток.

Например, если к проводнику подключить источник питания Е (рис. 1.2), то под действием внешнего электрического поля электроны начнут двигаться от одного конца проводника к другому — дрейфовать. По проводнику потечет электрический ток.

Скорость дрейфа электронов невелика (около 1 мм/с). Однако распространение электрического взаимодействия осуществляется со скоростью 300 тыс. км/с.

Рис. 1.2. Дрейф электронов

Если за одну секунду через поперечное сечение проходят 6,24 · 10¹⁸ электронов, что соответствует заряду электричества q, равному одному кулону (q = 1 Кл = 6,24 · 10¹⁸ электронов), то сила тока равна одному амперу (I = 1 А). На рис. 1.3 через поперечное сечение проводника проходит (будем считать, что за 1 с) 20 электронов, следовательно, сила тока при этом всего лишь около 3 · 10⁻¹⁸ А. Если принять, что ток равномерно распределяется по поперечному сечению проводника, имеющему площадь S, то большей силе тока будет соответствовать бо́льшая плотность тока

Электрон — отрицательно заряженная частица. Поскольку атом имеет нейтральный заряд, то ядро содержит положительно заряженные частицы — протоны. Заряд протона равен заряду электрона

q = 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл,

в то же время масса электрона почти в 2 000 раз меньше массы протона. Чем легче частица, тем меньшую энергию надо затратить на приведение ее в движение.

Рис. 1.3. Электроны, проходящие через поперечное сечение проводника

Как уже говорилось, чтобы заставить электроны двигаться направленно, необходимо приложить энергию извне, например создать электрическое поле. Каждая точка поля характеризуется потенциалом.

Напряжение на концах проводника создается электродвижущей силой (ЭДС) E, характеризующей работу по перемещению электрических зарядов от одного конца проводника к другому под действием сторонних сил.

Если цепь разомкнута, т. е. источник не подключен к нагрузке, напряжение на его полюсах (зажимах) равно ЭДС. Если к этим полюсам подсоединить нагрузку (например, лампу), т. е. замкнуть цепь, то во внешней цепи появится ток I, а на нагрузке — напряжение U. Это напряжение будет меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника r₀: U = E − Ir₀.

Двигаясь по проводнику, электроны встречают на своем пути атомы, колеблющиеся вокруг нейтрального положения. Соударяясь с атомами (рис. 1.4), электроны отдают им часть полученной от источника энергии. Другими словами, электроны встречают сопротивление своему движению со стороны атомов.

Рис. 1.4. Схема, поясняющая понятие сопротивления

Оно определяется материалом проводника, а именно, его удельным электрическим сопротивлением ρ или удельной электрической проводимостью γ = 1/ρ, а также длиной проводника l и площадью его поперечного сечения S:

Сопротивление проводника зависит от его температуры:

R₂ = R₁[1 + α(T₂ − T₁)],

где R₁, R₂ — сопротивления проводника при температуре соответственно Т₁ и T₂; α — температурный коэффициент сопротивления.

Значения ρ и α для различных материалов приводятся в справочной литературе.

Работа, производимая электрическим током силой I при напряжении U за время t, равна А = UIt. Отсюда

В металлах (медь, алюминий, серебро, сталь и др.), угле и графите электрический ток создается движущимися электронами (рис. 1.5, а). Такие проводники называют проводниками первого рода. В жидких проводниках и газах (проводниках второго рода) электрический ток создается за счет движения положительно и отрицательно заряженных ионов (рис. 1.5, б и в); в вакууме, например внутри баллона электронной лампы, — за счет движения электронов от катода К к аноду А (рис. 1.5, г); в полупроводниках (германий, кремний и др.) — за счет движения электронов или дырок в зависимости от типа полупроводника (рис. 1.5, д). В диэлектриках (резина, фарфор, слюда и др.) нет свободных электронов и других свободных частиц, поэтому электрический ток течь не может (до определенного предела — пробоя диэлектрика).

Рис. 1.5. Движение заряженных частиц:
а — электронов в металле; б — ионов в жидкости; в — ионов в газе; г — электронов в вакууме; д — дырок в полупроводнике типа р

Итак, в проводниках первого рода:

• ток — это направленное движение электронов;
• электроны переносят энергию от источника к потребителю;
• чем выше энергия, полученная от источника (т. е. чем выше напряжение), тем больше сила электрического тока;
• чем выше сопротивление проводника, тем меньше сила электрического тока, поступающего к потребителю.

Последнее утверждение является одной из формулировок закона Ома для проводника:

Основные параметры электрической цепи постоянного тока, их обозначения и единицы измерения, а также дольные и кратные величины приведены в табл. 1.1.

Теперь, используя полученные знания, постараемся выполнить простейшие электротехнические расчеты.

1. Вычислите плотность тока в медном проводнике диаметром d = 1 мм, если сила тока I равна 10 А. Как изменится плотность тока, если медный проводник заменить алюминиевым?

Решение. Определяем площадь сечения проводника: S = πd²/4 = 3,14 · 1²/4 = 0,785 мм².

Вычисляем плотность тока: j = I/S =10/0,785 = 12,7 А/мм².

Как видим из последней формулы, плотность тока не зависит от материала проводника, поэтому для алюминиевого проводника она будет такой же, как и для медного.

Ответ. Плотность тока в проводнике 12,7 А/мм².

2. Вычислите ток, протекающий через электрическую лампу, и сопротивление лампы в рабочем состоянии, если ее мощность Р = 75 Вт, а напряжение U = 220 В.

Решение. Мощность лампы P = UI, откуда I = P/U = 75/220 = 0,341 А. Сопротивление лампы находим по закону Ома: R_л = U/I = 220/0,341 = 645 Ом. Можно также воспользоваться выражением P = U²/R_л. Откуда R_л = U²/Р = 220²/75 = 645 Ом.

Ответ. Сопротивление лампы в рабочем состоянии 645 Ом, ток через нее 0,341 А.

3. Насколько различаются сопротивления лампы накаливания в рабочем состоянии и в выключенном? Исходные данные: мощность электрической лампы 60 Вт, напряжение 220 В, материал нити накаливания вольфрам, температура нити в рабочем состоянии T₂ = 3 000 °С, в выключенном состоянии — T₁ = 20 °С.

Решение. По справочнику находим, что удельное электрическое сопротивление вольфрама ρ = 0,055 Ом · мм²/м, а его температурный коэффициент сопротивления α = 0,0045 1/К.

Определяем сопротивление лампы в рабочем состоянии: R₂ = U²/P = 806,7 Ом.

В выключенном состоянии сопротивление лампы R₁ (при T₁ = 20 °С) можно найти из выражения

R₂ = R₁(1 + α(T₂ − T₁)).

Подставив в него все известные значения, получим R₁ = 56 Ом.

Таким образом, сопротивление лампы накаливания в рабочем состоянии более чем на порядок выше сопротивления в холодном состоянии.

Вычислим, чему равны токи в рабочем и холодном состоянии.

В рабочем состоянии I = 220/806,7 = 0,27A, в холодном состоянии I = 220/56 = 3,9 A.

Как видим, сила тока при холодном состоянии лампы, хоть и короткое время, велика, что и является причиной выхода ламп из строя именно при их включении.

Ответ. Сопротивление лампы накаливания в рабочем состоянии более чем на порядок выше, чем в холодном (выключенном) состоянии.

4. При протекании одного и того же тока по проводникам с одинаковой площадью поперечного сечения температура нагрева проводника круглого сечения выше, чем квадратного. Почему?

Решение. Проводник нагревается до тех пор, пока не наступит равновесие между количеством теплоты, подводимой к проводнику, и количеством теплоты, отводимой через его внешнюю поверхность. Количество подводимой теплоты определяется площадью поперечного сечения проводника, по которому течет ток. Для круглого сечения S_кр = πd²/4, где d — диаметр круга, для квадратного — S_кв = Х², где Х — длина стороны квадрата. Поскольку S_кр = S_кв, то Х = 0,886d.

Отводимая теплота определяется площадью внешней поверхности проводника. При одной и той же длине проводников l площадь внешней поверхности круглого проводника равна S^кр = πdl, а квадратного — S^кв = 4Xl = 4 · 0,886dl = 3,54dl. Отношение S^кв/S^кр = 3,54dl/(πdl) = 1,13.

Таким образом, поверхность охлаждения проводника с квадратным сечением на 13 % больше, чем с круглым. А это значит, что проводник с квадратным сечением будет нагреваться меньше, чем с круглым.

Ответ. Проводник с квадратным сечением нагревается меньше, так как площадь его охлаждения выше, чем у проводника с круглым сечением.

5. Что мешает электронам двигаться по проводнику и почему при увеличении температуры сопротивление проводника растет?

Ответ. Электронам мешают двигаться по проводнику колеблющиеся вокруг нейтрального положения атомы. С увеличением температуры проводника частота и амплитуда колебаний атомов растет, поэтому электронам сложнее двигаться направленно.

6. Какой из проводников, медный или алюминиевый, при одинаковых длине и площади поперечного сечения нагреется сильнее:

а) при одном и том же токе;

б) при одном и том же напряжении?

Ответ. Нагрев проводника обусловлен работой электрического тока, которая определяется силой тока и сопротивлением проводника. Сопротивление алюминиевого проводника выше, чем медного, поскольку выше его удельное сопротивление. Следовательно, при одном и том же токе его работа А = I²Rt при протекании по алюминиевому проводнику будет больше, а значит, и нагрев алюминиевого проводника будет выше, чем медного. А вот при одном и том же напряжении сильнее нагреется медный проводник, поскольку А = (U²/R)t.

1. Электропаяльник, включенный в сеть напряжением 220 В, потребляет ток 0,3 А. Определите сопротивление и мощность электропаяльника.

2. Как показано линиями на рис. 1.6, напряжение обозначается латинской буквой U, измеряется в вольтах, обозначение единицы измерения — В. Аналогичным образом покажите соответствующие связи для силы тока, сопротивления, ЭДС, проводимости и мощности. (воспользоваться таблицей вверху)

Рис. 1.6. Соответствие между наименованием, обозначением и единицей измерения физических величин

1.     Электрический ток — это:

а) хаотичное движение электронов;

б) направленное движение электронов;

в) движение протонов;

г) упорядоченное движение атомов.

2.     Электроны заряжены:

а) отрицательно;

б) положительно;

в) нейтрально;

г) знак заряда электрона может меняться.

3.     Безопасными для человека считаются токи и напряжения:

а) меньше 0,1 А и больше 24 В;

б) больше 5 мА и 12 В;

в) меньше 50 мА и 36 В;

г) меньше 100 мА и 100 В.

4.     Электроны участвуют в создании электрического тока в проводниках:

а) потому что их больше, чем протонов;

б) они имеют отрицательный заряд;

в) они легче протонов;

г) они могут покидать свои орбиты и становиться свободными.

5.     Электронам мешают двигаться в проводнике:

а) молекулы;

б) атомы;

в) нейтроны;

г) протоны.

6.     Сопротивление проводника определяется:

а) материалом;

б) длиной;

в) площадью поперечного сечения;

г) всеми перечисленными показателями.

7.     Напряжение — это:

а) отношение потенциалов двух точек;

б) сумма потенциалов двух точек;

в) разность потенциалов между двумя точками;

г) ни один ответ не верен.

8.     Если напряжение увеличить вдвое, сила тока:

а) уменьшится вдвое;

б) увеличится вдвое;

в) не изменится;

г) поведет себя непредсказуемо.

9.     Если сопротивление увеличить вдвое, сила тока:

а) увеличится вдвое;

б) не изменится;

в) уменьшится вдвое;

г) поведет себя непредсказуемо.

10. Если проводник нагреть, его сопротивление:

а) уменьшится;

б) не изменится;

в) увеличится;

г) поведет себя непредсказуемо.

11. Электрическая энергия получила столь широкое применение в промышленности и быту:

а) потому что она может быть передана на большие расстояния;

б) она может быть преобразована в любые другие виды энергии;

в) она передается очень быстро;

г) все предыдущие ответы верны.