Электричество
Заряд, сила тока, напряжение и сопротивление, затем закон Ома, последовательные и параллельные цепи, мощность, плата за электричество и безопасность. В лаборатории цепей можно собирать схемы из батарей, ламп, резисторов, выключателей и предохранителей. Сила тока на каждом участке рассчитывается сразу.
О курсе
Бенджамин Франклин видел действие электрического заряда, не зная его причины. В 1700-е годы он выбрал, какой вид заряда называть положительным, не имея возможности увидеть электроны. Позже оказалось, что при таком выборе электрон заряжен отрицательно. Это старое решение действует и сегодня: на схеме ток направлен так, как двигался бы положительный заряд, то есть противоположно реальному движению электронов в проводе. Один электрон несёт заряд 1.602176634 × 10⁻¹⁹ кулона, поэтому один кулон соответствует примерно 6.24 миллиарда миллиардов электронов.
Семь уроков начинаются с электрического заряда, затем идут сила тока, напряжение и сопротивление. Аккумулятор грузовика, передающий стартеру 720 кулонов за 4 секунды, создаёт ток 180 ампер. Далее изучается закон Ома, последовательное соединение, где две лампы по 12 Ом от батареи 6 В получают по 3 В, и параллельное, где каждая такая лампа потребляет 0.5 А, а батарея отдаёт 1 А. Затем идут электрическая мощность и счёт за электричество: лампа 60 Вт за 1000 часов расходует 60 кВт·ч, то есть $7.20 при цене 12 центов за кВт·ч. Последний урок об электробезопасности отмечает, что ток от 10 до 20 мА через тело может не дать руке отпустить провод. В лаборатории ты собираешь цепи из батарей, ламп, резисторов, выключателей и предохранителей и видишь расчёт каждого тока. Разомкни выключатель: при последовательном соединении другая лампа погаснет, при параллельном нет. Замкни контур, и получится короткое замыкание.
Ом проводил опыты в 1825 и 1826 годах с магнитной стрелкой, подвешенной рядом с проводом: амперметров ещё не изобрели. Закон он опубликовал в 1827 году. Библиотеки Смитсоновского института отмечают, что сначала его работу высмеивали.
Перед началом
Закон Ома записывается одним уравнением, а в темах о последовательном и параллельном соединении сопротивления складывают и делят, поэтому нужной алгебры хватает из курса Линейные уравнения. Беглый взгляд на курс Атомы поможет с первой темой об электронах и заряде.
Когда закончишь
После курса ты сможешь вычислить силу тока по заряду и времени, с помощью закона Ома найти сопротивление или силу тока и посчитать общее сопротивление резисторов при последовательном и параллельном соединении. Ты также переведёшь ватты и часы в киловатт-часы и в счёт, объяснишь, почему две лампочки в последовательной цепи светят тусклее одной, и скажешь, что делает предохранитель в цепи.
- 1Электрический зарядМодуль заряда электрона равен 1.602176634 × 10⁻¹⁹ кулона, поэтому один кулон соответствует модулю заряда примерно 6.24 миллиарда миллиардов электронов.
- 2Сила тока, напряжение и сопротивлениеЕсли аккумулятор грузовика пропускает через стартер 720 кулонов за 4 секунды, сила тока равна 180 амперам.
- 3Закон ОмаЕсли автомобильная фара потребляет 2.50 A от аккумулятора 12.0 V, её сопротивление равно 12.0 ÷ 2.50 = 4.80 Ω.
- 4Последовательное соединениеДве лампы по 12 Ω, соединённые последовательно с батареей 6 V, получают по 3 V при токе 0.25 A. Мощность каждой составляет четверть мощности одной лампы, подключённой отдельно.
- 5Параллельное соединениеДве лампы по 12 Ω, подключённые параллельно к 6 V, потребляют по 0.5 A. Батарея отдаёт 1 A, вдвое больше, чем для одной лампы.
- 6Электрическая мощность и счёт за электричествоЛампа мощностью 60 W за 1000 часов расходует 60 kWh; при цене 12 центов за kWh это $7.20.
- 7ЭлектробезопасностьТок примерно от 10 до 20 mA через тело может вызвать судорогу кисти, не позволяющую отпустить провод, а сопротивление насквозь промокшего человека может составлять всего 10 kΩ.
Источники курса (14)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 18.1 Static electricity and charge (amber and the Greek word elektron, like charges repel, glass and silk, Franklin)
- 20.1 Current (I = ΔQ/Δt, 1 A = 1 C/s, truck battery 720 C in 4.00 s, calculator 0.300 mA, conventional current traced to Franklin, drift speed of order 10⁻⁴ m/s, 12-gauge copper wire 2.053 mm, copper density 8.80 × 10³ kg/m³)
- 20.2 Ohm's law (Ohm first showed I ∝ V by experiment, ohmic materials, headlight 12.0 V and 2.50 A = 4.80 Ω, dry person hand to foot about 10⁵ Ω)
- 20.3 Resistance and resistivity (Table 20.1: silver 1.59, copper 1.72, gold 2.44, aluminium 2.65, tungsten 5.6, iron 9.71, nichrome 100, all × 10⁻⁸ Ω·m; headlight cold 0.350 Ω)
- 20.4 Electric power and energy (P = IV = V²/R = I²R, kWh, 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J, 60 W bulb for 1000 h at 12 cents per kWh = $7.20, 15 W CFL)
- 20.6 Electric hazards and the human body (thermal and shock hazards, short circuit 120 V across 0.100 Ω = 144 kW, worn cord 2.00 Ω at 10.0 A = 200 W, fuses and circuit breakers, Table 20.3 shock effects, dry skin 200 kΩ, wet 10.0 kΩ)
- 21.1 Resistors in series and parallel
- 21.2 Electromotive force and internal resistance
- 21.3 Kirchhoff's rules
- 23.8 Electrical safety (three-wire system, earth/ground wire, double insulation, GFI trips above 5 mA)
- NIST CODATA elementary charge 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C exact (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?e)
- Safety text is general information, not advice for working on mains wiring. Linda Hall Library, Scientist of the Day: Georg Ohm (lindahall.org/about/news/scientist-of-the-day/georg-ohm, experiments 1825 and 1826 with a compass needle, Die galvanische Kette 1827)
- Smithsonian Libraries, Die galvanische Kette (library.si.edu/digital-library/book/diegalvanischeke00ohmg, first publication of Ohm's law, ridiculed at first)
- IEC 60038:2009 standard voltages (230 V grew out of 220 V and 240 V systems; 220 V still used).
Проверено: 2026-10-17