Меню

Зависимость перемещения от силы тока

Понятие силы тока, мощности, напряжения

При рассмотрении понятий силы тока, напряжения, мощности, нужно осознавать то, что все эти три параметра неразрывно связанны.

Мощность – это отношение производимой за определенный отрезок времени работы к данному отрезку времени. Единицей измерения является Ватт. 1 киловатт равен 1000 ватт.

Сила тока – это устремленное перемещение заряженных частиц. Выражает количество заряда, что пробегает сквозь разрез проводника за единицу времени. Единицей измерения является Ампер.

Напряжение – это отношение работы, выполненной электрическим полем для перенесения заряда, к значению переносимого заряда на полосе цепи. Этот параметр выражает работу, проделанную полем для передачи заряда между двумя точками. Единицей измерения является Вольт.

Можно провести аналогию описываемых параметров “силы”, “мощности” и “напряжения” с течением воды, где число ампер (сила тока) – это объем воды, пробегающей за единицу времени (обусловливается расходованием электричества, иными словами зависит от того, насколько сильно открыт кран), количество ватт (мощность) – это, к примеру, действие по приведению в движение лопастей турбины (давление перемноженное на силу тока), а значение вольт (напряжение) – это напор воды в трубопроводе. Стало быть, на блоке питания принципиальной является мощность, то есть, выдержит ли прибор, на батарейке – напряжение, потянет ли пользователь. На устройствах для электросети с установленным напряжением (220 вольт у нас) максимум силы тока, при перемножении этого показателя на значение напряжения, параллельно является и максимумом мощности.

Как же вычислить мощность с помощью величины напряжения и силы тока?

«Мощность» = «Сила тока» (Амперы) умножить на «Напряжение» (Ватты).

Как провести расчет силы тока по мощности и напряжению?

Исходя из предыдущей формулы, можем найти значение силы тока:

«Сила тока» = «Мощность» (Вольт-ампер) разделить на «Напряжение» (Ватты).

Существует еще пара значимых факторов, ежели речь идет об электричестве:

— Типичные розетки предусмотрены для силы тока числом 16 ампер. Так, как напряжение в электросети 220 вольт, значит, граничная мощность равна: 16 ампер умножить на 220 вольт = 3520 ватт (3,52 киловатт).
— В производстве розеток, в основном, используют 16-амперные автоматы. Из этого следует, что, когда на линии электропередачи с 16-амперным автоматом сила тока превысит 16 ампер (либо мощность возрастет свыше 3,52 киловатт), прибор автоматически вырубится.

В частности, если в вашем доме проведена индивидуальная линия для кухонных розеток, то во время подсоединения к данной линии сразу двух электрообогревателей, с мощностью обоих в 2 киловатта, автомат разъединит электрическую цепь.

Источник

Электрический ток и закон Ома

теория по физике 🧲 постоянный ток

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц под действием внешнего электрического поля.

Условия существования электрического тока:

  • наличие заряженных частиц;
  • наличие электрического поля, которое создается источниками тока.

Носители электрического тока в различных средах

Среда Носители электрического тока
Металлы Свободные электроны
Электролиты (вещества, проводящие ток вследствие диссоциации на ионы) Положительные и отрицательные ионы
Газы Ионы и электроны
Полупроводники Электроны и дырки (атом, лишенный одного электрона)
Вакуум Электроны

Электрическая цепь и ее схематическое изображение

Электрическая цепь — это совокупность устройств, соединенных определенным образом, которые обеспечивают путь для протекания электрического тока.

Основные элементы электрической цепи:

  • Источник тока (генератор, гальванический элемент, батарея, аккумулятор).
  • Потребители тока (лампы, нагревательные элементы и прочие электроприборы).
  • Проводники — части цепи, обладающие достаточным запасом свободных электронов, способных перемещаться под действием внешнего электрического поля. Проводники соединяют источники и потребители тока в единую цепь.
  • Ключ (переключатель, выключатель) для замыкания и размыкания цепи.

Электрическая цепь также может содержать:

  • резистор — элемент электрической цепи, обладающий некоторым сопротивлением;
  • реостат — устройство для регулировки силы тока и напряжения в электрической цепи путём получения требуемой величины сопротивления;
  • конденсатор — устройство, способное накапливать электрический заряд и передавать его другим элементам цепи;
  • измерительные приборы — устройства, предназначенные для измерения параметров электрической цепи.

Определение

Электрическая схема — графическое изображение электрической цепи, в котором реальные элементы представлены в виде условных обозначений.

Условные обозначения некоторых элементов электрической цепи

Простейшая электрическая цепь содержит в себе источник и потребитель тока, проводники, ключ. Схематически ее можно отобразить так:

Направление электрического тока в металлах

По металлическим проводам перемещаются отрицательно заряженные электроны, т.е. ток идет от «–» к «+» источника. Направление движения электронов называют действительным. Но исторически в науке принято условное направление тока от «+» источника к «–».

Действия электрического тока (преобразования энергии)

Электрический ток способен вызывать различные действия:

  • Тепловое — электрическая энергия преобразуется в тепло. Такое преобразование обеспечивает электроплита, электрический камин, утюг.
  • Химическое — электролиты под действием постоянного электрического тока подвергаются электролизу. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) — положительные ионы (катионы).
  • Магнитное (электромагнитное) — при наличии электрического тока в любом проводнике вокруг него наблюдается магнитное поле, т.е. проводник с током приобретает магнитные свойства.
  • Световое — электрический ток разогревает металлы до белого каления, и они начинают светиться подобно вольфрамовой спирали внутри лампы накаливания. Другой пример — светодиоды, в которых свет обусловлен излучением фотонов при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой.
  • Механическое — параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.

Основные параметры постоянного тока

Постоянный ток — электрический ток, который с течением времени не изменяется по величине и направлению.

Основными параметрами электрического тока являются:

  • Сила тока. Обозначается как I. Единица измерения — А (Ампер).
  • Напряжение. Обозначается как U. Единица измерения — В (Вольт).
  • Сопротивление. Обозначается как R. Единица измерения — Ом.

Сила тока

Сила тока показывает, какой заряд q проходит через поперечное сечение проводника за 1 секунду:

I = q t . . = Δ q Δ t . . = N q e t .

N — количество электронов, q e = 1 , 6 · 10 − 19 Кл — заряд электрона, t — время (с).

Заряд, проходящий по проводнику за время t при силе тока, равной I:

Пример №1. Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи 0,2 А. Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 2 минуты?

2 минуты = 120 секунд

q = I t = 0 , 2 · 120 = 24 ( К л )

Заряд, проходящий за время ∆t при равномерном изменении силы тока от I1 до I2:

Δ q = I 1 + I 2 2 . . Δ t

Сила тока и скорость движения электронов:

n — (м –3 ) — концентрация, S (м 2 ) — площадь сечения проводника, v — скорость электронов.

Внимание!

Электроны движутся по проводам со скоростью, равной долям мм/с. Но электрическое поле распространяется со скоростью света: c = 3∙10 8 м/с.

Сопротивление

Сопротивление металлов характеризует тормозящее действие положительных ионов кристаллической решетки на движение свободных электронов:

ρ — удельное сопротивление, показывающее, какое сопротивление имеет проводник длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 , изготовленный из определенного материала. l — длина проводника (м), S — площадь его поперечного сечения.

Пример №2. Медная проволока имеет электрическое сопротивление 6 Ом. Какое электрическое сопротивление имеет медная проволока, у которой в 2 раза больше длина и в 3 раза больше площадь поперечного сечения?

Сопротивление первого и второго проводника соответственно:

Поделим электрическое сопротивление второго проводника на сопротивление первого:

R 2 R 1 . . = ρ 2 l 3 S . . ÷ ρ l S . . = ρ 2 l 3 S . . · S ρ l . . = 2 3 . .

Отсюда сопротивление второго проводника равно:

Напряжение

Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению положительного заряда:

Пример №3. Перемещая заряд в первом проводнике, электрическое поле совершает работу 20 Дж. Во втором проводнике при перемещении такого же заряда электрическое поле совершает работу 40 Дж. Определить отношение U1/U2 напряжений на концах первого и второго проводников.

U 1 U 2 . . = A 1 q . . ÷ A 2 q . . = A 1 q . . · q A 2 . . = A 1 A 2 . . = 20 40 . . = 1 2 . .

Закон Ома для участка цепи

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению:

Иллюстрация закона Ома.

Сила тока направлена в сторону движения заряженных частиц (электронов). Силе тока противостоит сопротивление: чем оно больше, тем меньше сила тока (тем меньше проходит электронов через проводник в единицу времени). Но росту силы тока способствует напряжение, которое словно толкает заряженные частицы, заставляя их упорядоченно перемещаться.

Закон Ома для участка цепи с учетом формулы для расчета сопротивления:

Для сравнения и расчета сопротивления часто используют вольтамперную характеристику. Так называют графическое представление зависимости силы тока от напряжения. Пример вольтамперной характеристики:

Чем круче график, тем меньше сопротивление проводника. При расчете сопротивления важно учитывать единицы измерения величин, указанных на осях.

Пример №4. На рисунке изображен график зависимости силы тока от напряжения на одной секции телевизора. Каково сопротивление этой секции:

Точке графика, соответствующей 5 кВ, соответствует сила тока, равна 20 мА.

Сначала переведем единицы измерения величин в СИ:

R = U I . . = 5000 0 , 02 . . = 250000 ( О м ) = 250 ( к О м )

При определении сопротивления резистора ученик измерил напряжение на нём: U = (4,6 ± 0,2) В. Сила тока через резистор измерялась настолько точно, что погрешностью можно пренебречь: I = 0,500 А. По результатам этих измерений можно сделать вывод, что сопротивление резистора, скорее всего,

Читайте также:  Нарисуйте картину линий магнитной индукции при протекании тока через катушку намотанную

Источник

Учебники

Разделы физики

Журнал «Квант»

Лауреаты премий по физике

Общие

SA. Электрический ток

Содержание

Электрический ток

Электрический ток в проводниках представляет собой:

в металлах — направленное движение электронов (проводники первого рода);

в электролитах — направленное движение положительных и отрицательных ионов (проводники второго рода);

в плазме — направленное движение электронов и ионов обоих знаков (проводники третьего рода).

За направление электрического тока условились считать направление движения положительно заряженных частиц.

Движение заряженных частиц внутри проводника нельзя наблюдать, но судить о наличии электрического тока можно по его действиям:

  1. тепловому — проводник с током нагревается;
  2. магнитному — вокруг проводника с током возникает магнитное поле;
  3. световому — проводник с током может светиться;
  4. химическому — в проводнике с током изменяется химический состав (такие проводники называются проводниками второго класса).

Для продолжительного существования электрического тока в замкнутой цепи необходимо выполнение следующих условий:

  1. наличие свободных заряженных частиц (носителей тока);
  2. наличие электрического поля, силы которого, действуя на заряженные частицы, заставляют их двигаться упорядоченно;
  3. наличие источника тока, внутри которого сторонние силы перемещают свободные заряды против электростатических (кулоновских) сил.

Количественными характеристиками электрического тока являются сила тока I и плотность тока j.

  • Сила тока — скалярная физическая величина, равная отношением заряда Δq, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторый промежуток времени Δt, к этому промежутку:

Единицей силы тока в СИ является ампер (А).

Если сила тока и его направление со временем не изменяются, то ток называется постоянным.

  • Плотность тока j — это векторная физическая величина, модуль которой равен отношению силы тока I в проводнике к площади S поперечного сечения проводника:

$$

В СИ единицей плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м 2 ).

*Зависимость силы тока от скорости зарядов

Рассмотрим, как зависит сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов.

Выделим участок проводника площадью сечения S и длиной Δl (рис. 1). Заряд каждой частицы q. В объеме проводника, ограниченном сечениями 1 и 2, содержится n∙S∙Δl частиц, где n — концентрация частиц. Их общий заряд \(

\Delta q = q_0 \cdot n \cdot S \cdot \Delta l\).

Если средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов \(

\left\langle \upsilon \right\rangle\), то за промежуток времени \(

\Delta t = \dfrac<\Delta l><\left\langle \upsilon \right\rangle>\) все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, пройдут через сечение 2. Поэтому сила тока:

Таким образом, сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Заметим, что в металлах модуль вектора средней скорости упорядоченного движения электронов \(

\left\langle \upsilon \right\rangle\) при максимально допустимых значениях силы тока

10 -4 м/с, в то время как средняя скорость их теплового движения

Как следует из формулы (1), плотность тока \(

\vec j = q_0 \cdot n \cdot \left\langle \vec \upsilon \right\rangle\).

    Направление вектора плотности тока \(

\vec j\) совпадает с направлением вектора скорости упорядоченного движения \(

\left\langle \vec \upsilon \right\rangle\) положительно заряженных частиц. Плотность постоянного тока постоянна по всему поперечному сечению проводника.

Источник тока

Для поддержания в цепи электрического тока необходимо, чтобы на концах ее (рис. 2) существовала постоянная разность потенциалов φ1 – φ2. Пусть в начальный момент времени φ1 > φ2, тогда перенос положительного заряда q от клеммы источника «+» к клемме «–» приведет к уменьшению разности потенциалов между ними . Для сохранения постоянной разности потенциалов необходимо перенести точно такой же заряд от клеммы «–» к клемме «+». Если в направлении от «+» к «–» положительные заряды движутся под действием сил кулоновских сил Fk, то в направлении от «–» к «+» перемещение зарядов происходит против направления действия кулоновских сил, т.е. под действием другой силы Fст, которая называется сторонней силой.

  • Сторонние силы — это любые силы, действующие на электрически заряженные частицы, за исключением электростатических (кулоновских) сил.

Сторонние силы возникают в источнике тока.

  • Источник тока — это устройство, способное поддерживать разность потенциалов между концами электрической цепи и обеспечивать упорядоченное движение электрических зарядов во внешней цепи.

Источники электрического тока могут быть различны по своей конструкции, но в любом из них совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Разделение зарядов происходит под действием сторонних сил. Перечислим наиболее распространенные источники тока:

  1. гальванические элементы (батарейки) (рис. 3, а) и аккумуляторы — сторонние силы используют энергию химических реакций;
  2. генераторы (динамо-машины) — сторонние силы используют механическую энергию падающей воды, ветра, пара и т.п.;
  3. фотоэлементы (солнечные батареи) (рис. 3, б) — сторонние силы используют энергию электромагнитных излучений (света).

    Источник электрического тока имеет два полюса (две клеммы), к которым присоединяются концы проводов.

    Проводник, соединяющий клеммы источника снаружи, называют внешним участком цепи. Сопротивление этого источника обозначают R и называют внешним сопротивлением.

    Внутри самого источника заряды движутся по внутреннему участку цепи. Сопротивление источника обозначают r и называют внутренним сопротивлением.

    Сумма внешнего и внутреннего соспротивлений (R + r) называют полным сопротивлением цепи.

    На электрических схемах источник тока обозначается так, как показано на рис. 4. Положительный полюс (клемма) источника условно изображается более длинной чертой, чем отрицательный.

    Любой источник тока характеризуют электродвижущей силой — ЭДС.

    • ЭДС (Электродвижущей силой) ε источника тока называют физическую скалярную величину, численно равную работе сторонних сил Ast по перемещению единичного положительного заряда внутри источника тока:

    \(

    Единицей электродвижущей силы в СИ является вольт (В).

    ЭДС является энергетической характеристикой источника тока.

    • Термин «электродвигающая сила» был введен Ампером в 1822 г. Аббревиатуру ЭДС принято читать без расшифровки.

    См. также

    Закон Ома для замкнутой цепи

    Рассмотрим простейшую полную электрическую цепь, содержащую источник ЭДС ε с внутренним сопротивлением r подключенный к ним резистор сопротивлением R (рис. 5).

    I = \dfrac<\varepsilon>. \qquad (2)\)

    • Данная формула представляет собой закон Ома для полной цепи: Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

    Заметим, что максимально возможный ток в цепи с данным источником тока возникает в том случае, если сопротивление внешней цепи стремится к нулю.

    Подключение к полюсам источника тока проводника с ничтожно малым сопротивлением называется коротким замыканием, а максимальную для данного источника силу тока называют током короткого замыкания:

    У источников с малым значением r (например, у свинцовых аккумуляторов r = 0,1 — 0,01 Ом) сила тока короткого замыкания очень велика. Особенно опасно короткое замыкание в осветительных сетях, питаемых от подстанций (ε > 100 В), Ikz может достигнуть тысячи ампер. Чтобы избежать пожаров, в такие цепи включают предохранители.

    *Вывод закона Ома

    Рассмотрим простейшую полную электрическую цепь, содержащую источник ЭДС ε с внутренним сопротивлением r подключенный к ним резистор сопротивлением R (см. рис. 5).

    Из определений силы тока и ЭДС источника тока следует, что совершаемая источником работа

    \(A_ =\varepsilon \cdot \Delta q=\varepsilon \cdot I\cdot \Delta t.\)

    При прохождении тока проводники нагреваются, при этом выделяется энергия как во внешней цепи Q1, так и во внутренней цепи Q2. Тогда количество теплоты Q, выделившаяся во всей полной цепи, равна сумме этих энергий. По закону Джоуля-Ленца

    \(Q=Q_ <1>+Q_ <2>=I^ <2>\cdot R\cdot \Delta t+I^ <2>\cdot r\cdot \Delta t=I^ <2>\cdot \left(R+r\right)\cdot \Delta t.\)

    Из закона сохранения энергии получаем, что в такой цепи работа сторонних сил за промежуток времени Δt равна выделившемуся в цепи количеству теплоты:

    КПД источника тока

    Для замкнутой цепи, мощность Pp, выделяемая на внешнем участке цепи, называется полезной мощностью. Она равна

    С учетом закона Ома для участка цепи \(

    I = \dfrac\) полезную мощность можно найти, если известны любые две величины из трех: I, U, R.

    Для замкнутой цепи, мощность Pt, выделяемая на внутреннем сопротивлении источника, называется теряемой мощностью. Она равна

    Полная мощность P источника тока равна

    P = P_p + P_t = I^2 \cdot R + I^2 \cdot r = I^2 \cdot \left( R + r \right). \)

    Источник

    Сила тока

    Сила тока с точки зрения гидравлики

    Думаю, вы не раз слышали такое словосочетание, как “сила тока“. А для чего нужна сила? Ну как для чего? Чтобы совершать полезную или бесполезную работу. Главное, чтобы что-то делать. Каждый из нас обладает какой-либо силой. У кого-то сила такая, что он может одним ударом разбить кирпич в пух и в прах, а другой не сможет поднять даже соломинку. Так вот, дорогие мои читатели, электрический ток тоже обладает силой.

    Представьте себе шланг, с помощью которого вы поливаете свой огород

    дети поливают огород

    Давайте теперь проведем аналогию. Пусть шланг – это провод, а вода в нем – электрический ток. Мы чуть-чуть приоткрыли краник и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала. Сила струи очень слабая.

    А давайте теперь откроем краник на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что можно даже полить соседский огород.

    В обоих случаях диаметр шланга одинаков.

    А теперь представьте, что вы наполняете ведро. Напором воды из какого шланга вы его быстрее наполните? Разумеется из зеленого, где напор воды очень сильный. Но почему так происходит? Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из желтого и зеленого шланга выйдет тоже разный. Или иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.

    Разберем еще один интересный пример. Давайте допустим, что у нас есть большая труба, и к ней заварены две другие, но одна в два раза меньше диаметром, чем другая.

    Из какой трубы объем воды будет выходить больше за секунду времени? Разумеется с той, которая толще в диаметре, потому что площадь поперечного сечения S2 большой трубы больше, чем площадь поперечного сечения S1 малой трубы. Следовательно, сила потока через большую трубу будет больше, чем через малую, так как объем воды, который протекает через поперечное сечение трубы S2, будет в два раза больше, чем через тонкую трубу.

    Что такое сила тока?

    Итак, теперь давайте все что мы тут пописали про водичку применим к электронике. Провод – это шланг. Тонкий провод – это тонкий в диаметре шланг, толстый провод – это толстый в диаметре шланг, можно сказать – труба. Молекулы воды – это электроны. Следовательно, толстый провод при одинаковом напряжении можно протащить больше электронов, чем тонкий. И вот здесь мы подходим вплотную к самой терминологии силы тока.

    Все это выглядит примерно вот так. Здесь я нарисовал круглый проводок, “разрезал” его и получил ту самую площадь поперечного сечения. Именно через нее и бегут электроны.

    За период времени берут 1 секунду.

    Формула силы тока

    Формула для чайников будет выглядеть вот так:

    I – собственно сила тока, Амперы

    N – количество электронов

    t – период времени, за которое эти электроны пробегут через поперечное сечение проводника, секунды

    Более правильная (официальная) формула выглядит вот так:

    сила тока формула

    Δq – это заряд за какой-то определенный промежуток времени, Кулон

    Δt – тот самый промежуток времени, секунды

    I – сила тока, Амперы

    В чем прикол этих двух формул? Дело все в том, что электрон обладает зарядом приблизительно 1,6 · 10 -19 Кулон. Поэтому, чтобы сила тока была в проводе (проводнике) была 1 Ампер, нам надо, чтобы через поперечное сечение прошел заряд в 1 Кулон = 6,24151⋅10 18 электронов. 1 Кулон = 1 Ампер · 1 секунду.

    Итак, теперь можно официально сказать, что если через поперечное сечение проводника за 1 секунду пролетят 6,24151⋅10 18 электронов, то сила тока в таком проводнике будет равна 1 Ампер! Все! Ничего не надо больше придумывать! Так и скажите своему преподавателю по физике).

    Если преподу не понравится ваш ответ, то скажите типа что-то этого:

    Сила тока – это физическая величина, равная отношению количества заряда прошедшего через поверхность (читаем как через площадь поперечного сечения) за какое-то время. Измеряется как Кулон/секунда. Чтобы сэкономить время и по другим морально-эстетическим нормам, Кулон/секунду договорились называть Ампером, в честь французского ученого-физика.

    Сила тока и сопротивление

    Давайте еще раз глянем на шланг с водой и зададим себе вопросы. От чего зависит поток воды? Первое, что приходит в голову – это давление. Почему молекулы воды движутся в рисунке ниже слева-направо? Потому, что давление слева, больше чем справа. Чем больше давление, тем быстрее побежит водичка по шлангу – это элементарно.

    Теперь такой вопрос: как можно увеличить количество электронов через площадь поперечного сечения?

    Первое, что приходит на ум – это увеличить давление. В этом случае скорость потока воды увеличится, но ее много не увеличишь, так как шланг порвется как грелка в пасти Тузика.

    Второе – это поставить шланг бОльшим диаметром. В этом случае у нас количество молекул воды через поперечное сечение будет проходить больше, чем в тонком шланге:

    Все те же самые умозаключения можно применить и к обыкновенному проводу. Чем он больше в диаметре, тем больше он сможет “протащить” через себя силу тока. Чем меньше в диаметре, то желательно меньше его нагружать, иначе его “порвет”, то есть он тупо сгорит. Именно этот принцип заложен в плавких предохранителях. Внутри такого предохранителя тонкий проводок. Его толщина зависит от того, на какую силу тока он рассчитан.

    Как только сила тока через тонкий проводок предохранителя превысит силу тока, на которую рассчитан предохранитель, то плавкий проводок перегорает и размыкает цепь. Через перегоревший предохранитель ток уже течь не может, так как проводок в предохранителе в обрыве.

    сгоревший плавкий предохранитель

    Поэтому, силовые кабели, через которые “бегут” сотни и тысячи ампер, берут большого диаметра и стараются делать из меди, так как ее удельное сопротивление очень мало.

    Сила тока в проводнике

    Очень часто можно увидеть задачки по физике с вопросом: какая сила тока в проводнике? Проводник, он же провод, может иметь различные параметры: диаметр, он же площадь поперечного сечения; материал, из которого сделан провод; длина, которая играет также важную роль.

    Да и вообще, сопротивление проводника рассчитывается по формуле:

    сопротивление проводника

    формула сопротивления проводника

    Таблица с удельным сопротивлением из разных материалов выглядит вот так.

    удельное сопротивление материалов

    таблица с удельным сопротивлением веществ

    Для того, чтобы найти силу тока в проводнике, мы должны воспользоваться законом Ома для участка цепи. Выглядит он вот так:

    формула закона Омазакон Ома

    Задача

    У нас есть медный провод длиной в 1 метр и его площадь поперечного сечения составляет 1 мм 2 . Какая сила тока будет течь в этом проводнике (проводе), если на его концы подать напряжение в 1 Вольт?

    сила тока в проводнике

    задача на силу тока в проводнике

    решение задачи сила тока в проводнике

    Как измерить силу тока?

    Для того, чтобы измерить значение силы тока, мы должны использовать специальные приборы – амперметры. В настоящее время силу тока можно измерить с помощью цифрового мультиметра, который может измерять и силу тока, и напряжение и сопротивление и еще много чего. Для того, чтобы измерить силу тока, мы должны вставить наш прибор в разрыв цепи вот таким образом.

    как измерить силу тока

    Более подробно как это сделать, можете прочитать в этой статье.

    Также советую посмотреть обучающее видео, где очень умный преподаватель объясняет простым языком, что такое “сила тока”.

    Источник

    

    Электрический ток. Все о силе тока в физике

    Прежде чем выяснять, что такое сила тока и от чего она зависит, нужно дать определение электрическому току как движению заряженных частиц.

    Что такое электрический ток

    Слово “ток” обозначает течение, а электрический ток – это течение заряда. Какие же частицы обладают зарядом?

    В металлах имеются свободные электроны, а в растворах солей, кислот или щелочей – положительно и отрицательно заряженные ионы. Все эти частицы могут участвовать в создании электрического тока. Но сами по себе заряженные частицы не создают электрический ток.

    Чтобы в проводнике возник электрический ток, движение заряженных частиц должно быть упорядоченным. В соединительном проводнике свободные электроны перемещаются под действием электрического поля.

    Итак, электрический ток – это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля.

    Источники электрического тока

    Чтобы получить электрический ток в проводнике, необходимо привести заряженные частицы в направленное движение. Но как получить ток, который существовал бы длительное время?

    Возьмем два заряженных тела А и В, заряды которых равны по модулю, но противоположны по знаку, и соединим их проводником.

    На отрицательно заряженном теле находится избыток электронов, на положительно заряженном теле – недостаток электронов. В проводнике на короткое время возникнет электрический ток. Он будет существовать до тех пор, пока не исчезнет электрическое поле.

    Процесс разделения зарядов осуществляют источники электрического тока.

    В источнике тока благодаря химическим или иным процессам (в зависимости от принципа его действия) происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц.

    Эти разделенные частицы накапливаются на так называемых полюсах источника тока.

    Примерами источников тока являются аккумуляторы. Они могут быть свинцовыми(кислотными), а также широкое применение получили железно-никелевые(щелочные).

    В последние десятилетия наряду с традиционными источниками тока стали широко применяться источники, изготовленные на основе химического элемента лития.

    Впечатляет также разнообразие габаритов источников электричества: от миниатюрныхбатареек для питания ручных часов и до мощных аккумуляторных батарей, устанавливаемых на подводных лодках.

    Что такое сила тока

    Подобно автомобилям разных конструкций и оснащения, заряженные частицы перемещаются в прямом или обратном направлении, быстрее или медленнее. Их скорость и концентрация создают «движение», только не на шоссе, а в проводнике.

    Для количественной характеристики электрического тока в цепи вводится понятие силы тока. Силу тока обочначают буквой І.

    Сила тока

    Сила тока – физическая величина, равная отношению количества заряда к величине этого промежутка времени.

    Это физическая величина, равная количеству заряда, проходящего за единицу времени через поперечное сечение проводящего материала-проводника. Его носители могут быть как отрицательно, так и положительно заряженные.

    В первом случае, это электроны или отрицательные ионы-анионы, во втором – положительные ионы-катионы или «дырки» (пустоты в кристаллической решетке полупроводника, которые ведут себя как положительно заряженные частицы).

    Электрическое напряжение

    Нетрудно представить, что электрический ток подобен потоку воды в шланге. Если удерживать оба конца шланга на одном уровне, то никакого течения воды не будет.

    Если же один из концов опустить вниз, то вода потечет с более высокого уровня на низкий. Разность уровней воды аналогична напряжению источника тока.

    Чем выше напряжение (чем больше разница в уровнях воды), тем больше сила тока в цепи (тем быстрее движется вода в шланге).
    Работу электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока Аэл.

    Работа тока зависит от напряжения.
    Напряжение показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного электрического заряда из одной точки в другую и обозначают буквой U.

    Единица электрического напряжения называют вольтом.

    Прибор, с помощью которого измеряют напряжение на полюсах источника тока или на каком-нибудь участке цепи, называют вольтметром. По внешнему виду и устройству вольтметр очень похож на амперметр.

    На электрических схемах вольтметр изображают в виде кружка с буквой V.

    Электрическое сопротивление

    Если включать в цепь различные проводники, то сила тока будет различной.

    Посмотрим на зависимость силы тока от вида проводника, включенного в цепь. Соберем цепь, состоящую из источника тока, ключа, лампочки и амперметра. Будем последовательно подсоединять проводники одинакового размера, но сделанные из разного материала: железа, меди, никеля.

    Свечение лампочки и сила тока больше при подключении железного проводника, чем при включении никелевого, но меньше, чем при включении медного.

    Разные проводники обладают различным сопротивлением электрическому току из-за особенностей в строении их кристаллической решетки.

    Такая зависимость остается справедливой не только для металлов, но и для проводников другой природы, например электролитов.
    Электрическое сопротивление – это физическая величина характеризующая способность проводника препятствовать протеканию электрического тока в этом проводнике.

    Сопротивление обозначают буквой R.

    Единицу сопротивления называют Ом (1 Ом). 1 Ом – это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на концах 1В сила тока равна 1А:

    Как возникает сила тока

    Сила тока возникает из-за разности значений напряжения (или потенциалов) в начале и на конце проводника. Для поддержания разности потенциалов нужен источник энергии.

    В зависимости от устойчивости показателя и направления протекания, ток бывает постоянным или переменным. Постоянный может существовать только в замкнутом контуре, в котором есть непрерывное круговое движение заряженных частиц. Например, в гальванических элементах – батарейках и аккумуляторах. В этих устройствах энергия вырабатывается благодаря химическим процессами.

    Возникновение силы тока

    Для возникновения постоянного электрического тока в веществе необходимо наличие свободных заряженных частиц.

    Постоянный ток получают не только от батареек и аккумуляторов, но и путем выпрямления переменного, в частности, производимого генераторами.

    Работа электронной аппаратуры от сети переменного источника в квартирах осуществляется посредством дополнительных приборов: блоков питания с выпрямителями сигналов, стабилизаторов напряжения.

    В чем она измеряется и как посчитать

    Сила тока измеряется в амперах – обозначение 1 А. Ампер – одна из семи основных единиц.

    1А = 1Кл/c, где Кл (или С) – это кулон, единица измерения количества электрического заряда.

    Сила тока обозначается символом I (согласно первой букве французского Intensite´ du courant).

    Величина ее определяется по формуле I=qn Vср S cos a, где:

    • q – сумма зарядов;
    • n – концентрация частиц;
    • Vср – средняя скорость их упорядоченного движения;
    • S – площадь проводника;
    • a – угол между вектором направления движения и вектором нормали (перпендикуляра) к поверхности проводника.

    Ампер

    Ампер – единица измерения силы электрического тока.

    Закон Ома

    Экспериментально доказано, что во сколько раз увеличивается напряжение на участке цепи, во столько же раз увеличивается и сила тока на этом участке. То есть сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника.

    График зависимости силы тока от напряжения будет представлять собой прямую линию, проходящую через начало координат . Его называют вольт-амперной характеристикой цепи.

    Зависимость силы тока от сопротивления показывает, что чем больше сопротивление проводника, тем меньше сила тока при одном и том же напряжении между концами проводника. Поэтому сила тока в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника

    Для участка цепи величина I рассчитывается по формуле немецкого физика Георга Ома, открывшего в 1926 г. закон взаимосвязи между силой тока, напряжением и сопротивлением проводника:

    • U – напряжение (или падение напряжения, или разность потенциалов), измеряется в вольтах – обозначение В или V;
    • R – сопротивление проводника, измеряется в омах – обозначение Ом или W.

    Или по формуле I=UG, где обозначение G – это проводимость или электропроводность (величина, обратная сопротивлению, измеряется в сименсах, обозначение – См или S).

    Расчет для полной цепи происходит по формуле I=e/R+r, где:

    • e – ЭДС или электро-движущая сила в цепи, измеряется в вольтах;
    • R – суммарное сопротивление всех приборов, включенных в цепь;
    • r – внутреннее сопротивление источника напряжения.

    Сила тока зависит от электрического напряжения (или разности потенциалов, или ЭДС). В случаях, когда r<>R, можно считать, что она обратно пропорциональна либо сопротивлению цепи, либо сопротивлению источника.

    Закон Ома

    Закон Ома для полной цепи.

    Значение I связано с показателем скорости преобразования электрической энергии – мощностью P (единицы измерения ватты -обозначение Вт или W). Для линейной цепи, в которой соблюдается закон Ома, расчет P производится по формуле:

    P=IU или P=I2R=U2/R.

    Значение I прямо пропорционально мощности: I=P/U. В приборах большей мощности возникает ток большей силы.

    Как измерить силу тока

    Эту характеристику можно измерить с помощью амперметра. Прибор последовательно подключается к электрической сети (плюс к плюсу, минус к минусу). Чем ниже сопротивление амперметра, тем меньше его влияние на измерения, и тем они точнее. Если сопротивление амперметра стремится к нулю, он нейтрален и не влияет на показатели сети.

    Работа амперметра основана на магнитном действии тока. Чем больше сила тока, проходящего по катушки, тем сильнее она взаимодействует с магнитом и тем больше угол поворота стрелки амперметра.

    При измерении силы тока амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить.

    У каждой клеммы прибора стоит свой знак: “+” или “-“.

    Клемму со знаком “+” нужно соединить с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, а клемму со знаком “-” – с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока.

    На электрических схемах амперметр изображают в виде кружка с буквой А.

    Виды амперметров

    По конструкции амперметры бывают:

    • аналоговые (со стрелочной измерительной головкой);
    • цифровые (с индикатором).

    Амперметр

    Амперметр – прибор для измерения силы тока в амперах.

    По способу измерения:

    1. Магнитоэлектрические, в которых отклонение чувствительной стрелки и показатели зависят от силы взаимодействия полей постоянного магнита и поля электрического тока в алюминиевой рамке, и угла поворота последней.
    2. Электромагнитные, показатели которых меняются с подвижками железного сердечника под влиянием электромагнитного поля катушки.
    3. Электродинамические, в которых отклонение стрелки связано с притяжением или отклонением подвижной катушки относительно неподвижной, соединенных последовательно или параллельно.
    4. Тепловые, в которых при нагреве электрическим током происходит изменение длины металлической нити и положения связанной с нитью измерительной стрелки.
    5. Индукционные, в которых связанный со стрелкой металлический диск отклоняется под воздействием электромагнитного поля неподвижных катушек.
    6. Детекторные, в которых магнитоэлектрический прибор соединен с выпрямителем-детектором.
    7. Термоэлектрические, которые состоят из нагревателя и магнитоэлектрического измерительного механизма.
    8. Фотоэлектрические, в которых фотоэлектрический элемент преобразует световой поток в электрический.

    Магнитоэлектрические приборы определяют только силу постоянного тока, индукционные и детекторные – переменного. Фотоэлектрические высокоточные приборы работают с постоянным током и током низкой и высокой частоты.

    Остальные из перечисленных подходят для разных токов.

    Приборы бывают многофункциональными, т.е. действующими в разных режимах. Например, мультиметр работает и как вольтметр, и как омметр, и как мегомметр (для высоких сопротивлений).

    В всех современных измерительных приборах есть переключатель диапазона чувствительности.

    Правила измерения

    1. Амперметр включается в электросеть последовательно, «в разрыв цепи».
    2. При включении прибора в сеть, необходимо соблюдать полярность, присоединяя «+» прибора к «+» источника тока, а «-» к «-».
    3. Тестируемая линия при подключении должна быть обесточена. Иначе прикасание щупами прибора к проводам или контактам может вызвать короткое замыкание.
    4. При высоких напряжениях в цепь переменного тока помимо амперметра включается трансформатор или шунт, в цепь постоянного – магнитный усилитель или шунт.
    5. Тип амперметра для измерений выбирают в соответствии с типом электрического прибора или линии. Также учитывают требуемую точность показателей.

    Перед подключением необходимо подробно изучить инструкцию к амперметру.

    Источник