Городская конференция младших школьников «Открытие»

Городская конференция младших школьников

 «Открытие»

Секция  ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ

Исследование силы тока

в электрической цепи

Автор: Галеев Ильнар,

ученик 6 А  класса  МАОУ СОШ № 1

Руководитель: Пушкарев Дмитрий Александрович,

учитель физики и информатики МАОУ СОШ №1.

Когалым, 2019 г.

Содержание

I. Введение        2

II. Основная часть        3

2.1. Электрический ток        3

2.2. Закон Ома        4

2.3.  Применение        5

III.Экспериментальная часть        6

3.1. Опыт № 1. Исследование зависимости силы тока от напряжения        6

3.2. Опыт № 2. Исследование зависимости силы тока от сопротивления        7

IV. Заключение        9

V. Список используемой литературы и интернет ресурсов        10

VI. Приложения        11

I. Введение

Физика электричества - это то, с чем приходится сталкиваться каждому из нас. Современная наша жизнь без электричества невозможна. Это и любимый компьютер, и телефон, и телевизор. Взрослые,конечно, назовут другие электроприборы, без которых сейчас мы не представляем свою жизнь. Иногда они  перегорают, и мы здорово огорчаемся. И, все-таки, как сделать, чтобы приборы не перегорали? Отчего это зависит?

Проблема исследования:  какие физические величины влияют на значение силы тока.

Пролистывая учебную литературу мне встретились множество физических законов, которые связаны с электрическими явления. Например, закон Кулона, закон Джоуля-Ленца, закон Фарадея, закон Ома для полной цепи. Все они очень важные и нужные для человеческой деятельности. Но я решил остановиться на законе Ома для участка цепи, так как  из всего разнообразия он мне показался самым простым и понятным.

Объект исследования: электрическая цепь.

Предмет исследования: зависимость силы тока от напряжения и от возрастающего сопротивления.

Цель работы: проверка опытным путем справедливости закона Ома

Гипотеза: чем больше сопротивление в цепи, тем меньше сила тока; чем больше напряжение, тем сила тока становиться больше.

Задачи исследования:

• Рассмотреть понятие электрический ток.
• Найти и изучить информацию о величинах, связанных с электричеством.
• Выбрать информацию, необходимую для исследования.
• Научиться собирать простейшие электрические цепи и узнать, как рисуют схемы электрических цепей.
• Провести эксперимент по определению зависимости силы тока от электрического сопротивления и подаваемого напряжения.
• Изучить влияние силы тока на работу электроприборов.
• Построить и проанализировать графики I(R),I(U).
• Сделать выводы.

Тема исследования актуальна, т.к. закон Ома является одним из важнейших законов энергетики. В быту, например, при включении в цепь несколько потребителей необходимо учитывать выдержит ли нагрузку проводка и не возникнет ли пожар. Но, несмотря на всю свою значимость  любой контакт человека с электрическими проводами, находящимися под напряжением, является смертельно опасным. По этому, я считаю, что каждый человек должен обладать минимальными знаниями в области электричества.

Практическая значимость подтверждается проведенными исследованиями, которые позволяют наглядно показать зависимость силы тока от напряжения и сопротивления, что может поспособствовать лучшему усвоению учебного материала.

Этапы исследования

Первый этап (январь, 2019г.): Подготовительный.  (Создание проблемной ситуации, выбор темы, постановка цели)

Второй этап (январь-февраль 2019г.): Практический. (Сбор информации по выбранной теме, систематизация материалов, подготовка и оформление результатов работы.)

Третий этап (март-апрель 2019 г.) Заключительный. (Защита и презентация проекта).

В ходе работы мы  использовали следующие методы: сбор, изучение, обобщение теоретического и практического материала, наблюдение, опыт, эксперимент, теоретические методы (анализ, сравнение).

II. Основная часть

2.1. Электрический ток

Что такое электричество? Для человека непосвященного оно ассоциируется со вспышкой молнии или с энергией, питающей телевизор и стиральную машину. Он знает, что электропоезда используют электрическую энергию. О нашей зависимости от электричества ему напоминают линии электропередач.

Однако с электричеством связано немало других, не столь очевидных, но повседневных явлений. Со всеми ними, нас будет знакомить физика, но я еще в 6 классе и сейчас мне об этом хочется узнать. Читая, энциклопедии я выяснил, что, бьющееся сердце, бегущий спортсмен, спящий ребенок и плавающая рыба - все вырабатывает электрическую энергию.

Физика электричества связана с движением электронов и других заряженных частиц в различных веществах. Электрический ток – это направленное движение электронов в металле. Почему электроны покидают атомы? Это объясняется несколькими причинами; под воздействием импульса светаили тепло заставляет атомы колебаться быстрее. Это означает, что электроны могут вылететь из своего атома. При химических реакциях они также перемещаются от атома к атому.

Электрический ток — это течение потока электронов по нити лампочки. Вы могли слышать слово течение применительно к реке: "У этой реки сильное течение". Это значит, что по реке протекает много воды. Электрический ток подобен этому течению: если говорят "сильный ток", это значит, что по проволоке протекает много электронов. Сила тока измеряется в амперах (А).  

Электрический ток обусловлен движением электрических зарядов. Когда электрическая лампа, соединенная с батареей, включена, ток течет по проводу от одного полюса батареи к лампе, затем через ее волосок, вызывая его свечение, и возвращается назад по второму проводу к другому полюсу батареи. Если выключатель повернуть, то цепь разомкнется - движение тока прекратится, и лампа погаснет.Напряжение заставляет электроны двигаться. Эта физическая величина обозначается латинской буквой U и измеряется в вольтах. Присоединив к лампочке батарейку, мы подаем на нить лампочки напряжение. Оно толкает электроны в одном направлении, заставляет их двигаться по нити. Чем оно выше, тем больше электронов будет передвигаться по нити. Представьте себе нить в виде трубы, целиком заполненной шариками. Если с одного конца трубы втолкнуть шарик, с ее противоположного конца тут же без всякой задержки выпадет другой шарик.Чем больше шариков мы будем заталкивать в один конец трубы, тем больше их будет выпадать из другого. Именно так ведут себя электроны в нити накаливания лампочки, когда на нее подается напряжение.[1]

2.2. Закон Ома

Напряжение заставляет электроны двигаться и тем самым создавать электрический ток, а сопротивление препятствует этому току. Это подобно игре с садовым шлангом: если сжать его, сопротивление потоку воды увеличится и поток ослабнет, т. е. воды станет протекать меньше. Сопротивление в электричестве действует подобно сжатию шланга, электрическое сопротивление измеряется в омах (Ом), обозначается R. Зависимость между этими физическими величинами отражена в законе Ома.[3]

Для любого проводника или системы проводников и приборов соотношение между напряжением, током и сопротивлением задается формулой:

напряжение = ток × сопротивление.

Это математическое выражение закона Ома, названного так в честь Георга Ома (1787-1854 гг.), который первым установил взаимосвязь этих трех параметровв 1820-е годы именно поэтому этот закон и получил такое название.

Закон Ома - один из самых применяемых законов в электротехнике.

Формулировка закона Ома следующая:

Величина силы тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку, и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Эту зависимость можно выразить формулой:

Где I – сила тока, U — напряжение, приложенное к участку цепи, а R — электрическое сопротивление участка цепи.[4]

Теперь я объясню вам, как электроны, ток, напряжение и сопротивление действуют вместе, заставляя светиться лампочку карманного фонаря.

Чтобы батарейка могла заставить электроны двигаться, цепь между ее выводами не должна иметь разрывов, т. е. должна быть замкнутой. Напряжение, создаваемое батарейкой, постоянно. Оно заставляет электроны двигаться по цепи, частью которой является и нить накаливания лампочки. Нить, сделанная из тугоплавкого металла,  обладает сопротивлением, ограничивающим силу тока в цепи. Когда электроны преодолевают сопротивление нити, она накаляется и начинает светиться.[3]

2.3.  Применение

Электрический ток это опасное физическое явление. Его невозможно увидеть, почувствовать, а тела, находящиеся под напряжением, ничем не отличаются по внешнему виду. Но стоит включить в розетку пылесос или телевизор, щелкнуть выключателем – и энергия словно берется из ниоткуда, он начинает работать.

        Рассмотрим один из немногих, примеров проявления закона Ома. У нас у каждого в квартирах есть напряжение в розетках 220 вольт. Значит, ток в цепи зависит только от сопротивления электроприборов. Если оно будет очень мало, то может случиться короткое замыкание. Проводка, по которой течет ток в квартире, не справится с возросшей силой тока, нагреется, расплавится и вызовет пожар.[2]

Но бывает, что приборы, включенные в розетку и отработавшие уже далеко не один час, становятся причиной короткого замыкания. Например, вентилятор, который в жаркую погоду является незаменимым средством. Из-за заклинивания лопастей обмотка двигателя подвергнется перегреву. Изоляция обмотки двигателя не рассчитана на серьезный нагрев, она быстро расплавится. В результате появляются межвитковые короткие замыкания, которые снижают сопротивление и, в соответствии с законом Ома, также ведут к увеличению тока. Такая ситуация может возникнуть практически с любым электроприбором. Для того чтобы избежать перегрева  в бытовой технике используют различного рода предохранители.Для защиты бытовых электрических цепей обычно используются автоматические выключатели. При повышении силы тока  они размыкают цепь, и обесточивается вся квартира. Компактность, легкость монтажа и замены, в случае необходимости, объясняет их широкое распространение.[5],[2]

III.Экспериментальная часть

Для определения зависимости силы тока от электрического напряжения при постоянном сопротивлении  я собрал электрическую цепь. Она состояла из источника питания, ключа, резистора в 4 Ом и амперметра. Схема цепи представлена на рисунке 1. (Приложение 1). Но, для этого мне пришлось познакомиться с этим новым понятием и как обозначаются различные элементы на ней. (Приложение 1, Фото 1) Папа помог с этой задачей справиться. Тут меня поджидала еще одна сложность – шкала приборов, которая состояла из больших и маленьких делений, лишь над некоторыми из них стояли числа.Чтобы правильно научиться определять значения величин, нужно верно определить цену деления шкалы прибора. (Приложение 2) С учителем мы справились с этой трудностью.

3.1. Опыт № 1. Исследование зависимости силы тока от напряжения

Цель: проверить на опыте, каксила тока в цепи зависит от напряжения (Приложение 3)

Оборудование: источник питания, амперметр, вольтметр, резистор на 3 Ом, провода.

Применяя новые навыки, я периодически изменял напряжение на источнике, смотрел на показания амперметра.  Результаты приведены в таблице 1.    

Таблица 1. Зависимость силы тока от напряжения

По итогам эксперимента можно сделать вывод:  с увеличением напряжения в 2 раза, сила тока  тоже увеличивается в 2 раза, т.е. сила тока прямо пропорциональна напряжению на резисторе.

По полученным данным построили с руководителем в программе MicrosoftExcel 2007 график, который наглядно отражает прямую зависимость между силой тока и напряжением.

Проверим закон Ома для участка цепи, подставив значения в формулу

Расхождение графиков обусловлено погрешностью измерений.

3.2. Опыт № 2. Исследование зависимости силы тока от сопротивления

Цель опыта: проверить на опыте, как сила тока в цепи зависит от сопротивления.

Оборудование: источник питания, амперметр, вольтметр, резисторы(1 Ом, 2 Ом, 3 Ом, 5 Ом, 10 Ом, 15 Ом), реостат, провода. (Приложение 3).

Для определения зависимости силы тока от сопротивления при постоянном напряжении  я собрал электрическую цепь. Схема цепи представлена на рисунке 2 (Приложение 1).Для достижения стабильного напряжения нам пришлось в цепь добавить реостат. Реостат –устройство, с изменяемым сопротивлением для регулирования силы тока и напряжения. По очереди, меняя резисторы, мы смотрели за тем, как изменяется сила тока. Результаты эксперимента представлены в таблице 2. По ним мы построили график в MicrosoftExcel2007. По графику видно, что зависимость силы тока от сопротивления - обратная, т.е. при самом большом сопротивлении сила тока имеет самое минимальное значение.

Таблица 2. Зависимость силы тока от сопротивления.

Проверим закон Ома для участка цепи в теории

Вывод: по результатам  проведенных экспериментов мы выяснили, что сила в цепи напрямую зависит от напряжения. Во сколько раз мы увеличиваем напряжение в сети, во столько же раз увеличивается сила тока.  Кроме напряжения сила тока еще зависит и от сопротивления. Чем больше сопротивление в цепи, тем меньше сила тока. Эти опыты позволяют проверить на практике закон Ома.

IV. Заключение

Исследовательская работа была для меня увлекательной и познавательной, я узнал много нового  для себя. Изучив теоретически закон Ома, причины  возникновения электрического тока и выяснив, что является электрическим током, я понял, что закон Ома для участка цепи является основным законом электричества и находит широкое применение в жизни людей. Он является очень полезным в технике, так как связывает три основные электрические величины: силу тока, напряжение и сопротивление. Опытным путем мы проверили зависимость силы тока от напряжения и сопротивления, и пришли к выводу: чем больше напряжение при постоянном сопротивлении, тем больше сила тока в цепи,  чем больше сопротивление участка цепи, тем меньше сила тока. Доказали, что закон Ома справедлив. Я узнал, что перегружать электроприборами сеть в доме, где провода не рассчитаны на большую силу тока, нельзя. Всегда необходимо соблюдать технику безопасности.

В процессе исследования у меня возникли такие вопросы.  Почему резисторы, которые внешне почти ничем не отличаются, имеют разное сопротивление? Что влияет на его величину? Ответы на эти вопросы я планирую найти в будущем, т.е. продолжу  изучать электрические явления.  

Таким образом, цель и задачи, поставленные в начале исследования, полностью выполнены.

V. Список используемой литературы и интернет ресурсов

1. Значение [Электронный ресурс]  URL: http://zna4enie.ru/opredelenie/chto-takoe-jelektrichestvo-dlja-detej-opredelenie.html 
2. Коротун В.  Что такое перегрузка электросети и ее последствия [Электронный ресурс] //Заметки электрика  URL: https://www.asutpp.ru/chto-takoe-peregruzka-elektroseti.html
3. Семейный портал «Дом и семья» [Электронный ресурс] URL: http://dom-semja.ru/obrazovanie/dopolnitelnoe-obrazovane/opyty-s-elektrichestvom-dlia-detei-ohrannaia-signalizaciia-svoimi-rykami.html
4. Учебник «Физика» для 8 класса А.В. Перышкин, 12-е изд., дораб.- М.: Дрофа, 2018.
5. Физика: Энциклопедия. Прохоров А., ред. М.: Дрофа, 2006

VI. Приложения