Билет № 11
2015-05-20
3949
Сила тока. Единицы тока. Амперметр и его включение в цепь. Шунтирование.
Сила тока – это физическая величина, показывающая, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.
*Сила тока измеряется амперметром.
*Под действием электрического поля, которое создаётся источником электрического тока, свободные электроны движутся по металлическому проводнику, и совершается работа.
*Чем больше заряд, проходящий по проводнику, тем больше сила тока.
*В качестве энергетической характеристики электрического тока, вводится величина – потенциал(физическая величина, равная отношению потенциальной энергии к величине заряда).
Потенциал измеряется в ФИ.
*Электрический ток будет проходить только в том случае, если потенциалы не равны. Заряд потечёт от тока с большим потенциалом к меньшему.
Когда свободная заряженная частица – электрон в металле или ион в растворе кислот, солей или щелочей – движется по электрической цепи, то вместе с ней происходит и перемещение заряда. Чем больше частиц переместится от одного полюса источника тока к другому или просто от одного конца участка цепи к другому, тем больше общий заряд q. перенесенный частицами.
Электрический заряд, проходимый через поперечное сечение проводника в 1 с, определяет силу тока в цепи.
Значит, сила тока равна отношению электрического заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения t, т.е. I = q/t, где I – сила тока.
За единицу силы тока принимают силу тока, при которой отрезки таких параллельных проводников длиной 1 м взаимодействуют с силой 2 × 10 -7 Н (0,0000002 Н)
Эту единицу силы тока называют ампером (А). Так она названа в честь французского ученого Андре Ампера.
Применяют также дольные и кратные единицы силы тока: миллиампер (мА), микроампер (мкА), килоампер (кА).
1 мА = 0,001 А; 1 мкА = 0,000001 А; 1 кА = 1000 А.
Чтобы представить себе, что такое ампер, приведем примеры: сила тока в спирали лампы карманного фонаря 0,25 А = 250 мА. В осветительных лампах, используемых в наших квартирах, сила тока составляет от 7 до 400 мА (в зависимости от мощности лампы).
Через единицу силы тока – 1 А определяется единица электрического заряда – 1 Кл.
Так как I = q/t, то q = It.
Полагая I = 1 А, t = 1с, получим единицу электрического заряда – 1 Кл.
1 кулон = 1 ампер ´ 1 секунду
1 Кл = 1 А × 1 с = 1 А × с.
Силу тока в цепи измеряют прибором, называемым амперметров. Амперметр – это тот же гальванометр, только приспособленный для измерения силы тока, его шкала проградуирована в амперах. На шкале амперметра обычно ставят букву (А). На схемах его изображают кружком с буквой А.
При измерении силы тока амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором измеряют.
*Чтобы амперметр не изменял силу тока в цепи, он должен обладать очень маленьким сопротивлением. У идеального амперметра сопротивление равно 0.
*Для изменения показания амперметра, параллельно прибору соединяют шунт – резистор малого сопротивления.
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
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:
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:
формула сопротивления проводника
Таблица с удельным сопротивлением из разных материалов выглядит вот так.
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:
закон 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?
задача на силу 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.
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
Сила тока: определение, как найти, расчет в проводнике
- Природа происхождения
- Модель электрической цепи
- Единица измерения
- В чем измеряется
- В честь кого названа единица измерения
- Как найти силу тока
- В проводнике
- В цепи
- Формулы
- Как можно измерить силу тока
- Описание прибора
- Примеры нахождения силы тока в задачах
Сила тока — физическая величина, которая позволяет дать количественную характеристику току. Она обозначается буквой I и численно равна заряду, который за единицу времени протекает через поперечное сечение проводника.
Природа происхождения
Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц под воздействием электрического поля.
В качестве частиц выступают:
- в металлических проводниках — электроны;
- в полупроводниках — дырки или электроны;
- в вакууме — электроны (при определенных условиях);
- в газах — электроны и ионы;
- в растворах и расплавах электролитов — ионы.
Пока по проводнику не течет электрический ток частицы движутся хаотично. И их количество перетекших в одном направлении примерно соответствует и количеству частиц, перетекших в противоположном направлении.
Но ситуация меняется после того, как по проводнику пускают ток. В этом случае количество движущихся в одном направлении частиц значительно возрастает. И чем больше их проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше и сила тока.
Модель электрической цепи
Лучше понять физический смысл рассматриваемой величины можно на примере механической модели электрической цепи. В качестве ее возьмем водопроводную сеть частного дома.
Для того, чтобы вода начала поступать в водопровод из скважины или колодца необходим насос. Поэтому его можно рассматривать в качестве аналога батареи или иного источника тока. Он создает в системе давление, которое и приводит воду в движение. Соответственно трубы выступают роли проводников, молекулы воды — электронов, а краны — электрических переключателей.
Чем сильнее напор в водопроводной системе, тем большее количество воды, а вернее ее молекул, протекает через поперечное сечение трубы за каждую секунду. Отсюда можно сделать вывод, что чем больше сила тока, тем сильнее и его действие.
Воздействие тока силой до 0,5 мА (частота 50 Гц) человек не ощущает. При силе от 2 до 10 мА возникают болезненные сокращения мышц. А удар током силой свыше 100 мА грозит развитием фибрилляции желудочков и остановкой сердечной деятельности.
Единица измерения
Так как сила тока — это количественная величина, то в физике есть и единица ее измерения. Она позволяет проводить сравнительный анализ различных токов и их действий.
В чем измеряется
Формула силы тока записывается так:
где \(\triangle t\) — это единица времени, а \(\triangle q\) — количества электрического заряда, протекшего за указанный промежуток времени через поперечное сечение проводника.
В Интернациональной системе (СИ) заряд измеряется в Кулонах, а время — в секундах. В соответствии с этим единица измерения силы тока — Кулон/секунду. По международному соглашению ее стали называть Ампером.
В 1948 году было предложено определять силу тока по взаимодействию двух проводников, расположенных в вакууме на расстоянии одного метра друг от друга и длиной в один метр.
За силу тока в 1 A принимают такой ток, при котором два проводника притягиваются друг к другу (ток течет в одном направлении) или отталкиваются (ток течет в разных направлениях) с силой 0,0000002 H.
На практике очень часто применяются кратные единицы силы тока:
1 кА = 103 А, 1 мкА = 10-6 А, 1 мА = 10-3 А
В честь кого названа единица измерения
Единица измерения силы тока была названа в честь французского ученого Андрэ-Мари Ампер. Его называют «отцом» учения о электромагнетизме. Именно он ввел в науку такие термины как электрический ток, электростатика и электродинамика, гальванометр, напряжение, электродвижущая сила, соленоид. Амперу удалось найти доказательство теоремы «О циркуляции магнитного поля» и описать математически силу взаимодействия между токами.
Как найти силу тока
С проблемой определения силы тока сталкиваются и при решении задач, и в повседневной жизни. Вычислить этот параметр для проводника или электрической цепи можно не только путем проведения измерений, но и при помощи формул.
В проводнике
Основными величинами, характеризующими электрический ток, являются сила, напряжение и сопротивление. Взаимосвязь между ними была установлена экспериментальным путем в 1826 году Георгом Омом. В последствии она была сформулирована в виде закона, который и был назван в честь ученого.
Закон Ома: сила тока в участке цепи или проводнике обратно пропорциональна сопротивлению и прямо пропорциональна напряжению.
Рассчитать силу тока в проводнике также можно, если разделить мощность на напряжение.
При протекании тока происходит нагревание проводника. И по количеству выделившегося тепла на основании закона Джоуля-Ленца возможно провести вычисление силы тока.
В цепи
Реальный источник тока всегда обладает своим внутренним сопротивлением.
Закон Ома для полной цепи формулируется так: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна сумме внутреннего и внешнего сопротивления.
Формулы
Закон Ома для участка цепи:
где R — сопротивление проводника, а U — напряжение.
Закон Ома для полной цепи:
где ε — электродвижущая сила источника тока, R + r — сумма сопротивлений источника и внешней нагрузки.
Формула, для определения силы тока по мощности и напряжению:
где P — мощность, а U — напряжение.
Закон Джоуля-Ленца: при протекании по проводнику тока происходит выделение тепла (Q), которое равно произведению квадрата силы тока (I) на время (t), которое он протекал и на сопротивление проводника (R).
Математически формула выглядит так:
Исходя из нее можно вывести еще одну формулу для расчета силы тока:
Как можно измерить силу тока
Для измерения силы тока используется прибор, называемый амперметром. На электрических схемах он обозначается буквой А, заключенной в окружность.
В любом проводнике замкнутой цепи, собранной последовательно, протекает электрический ток одинаковой величины. Поэтому для его измерения достаточно просто разомкнуть эту цепь в любом месте и подключить амперметр. Нельзя подключать его к источнику тока при отсутствии устройства потребления.
Ток бывает переменный и постоянный. И для его измерения необходимы разные устройства. На шкале амперметров для постоянного тока имеется одно из следующих обозначений — «-», «DC» или указание на полярность подключения. Амперметры, предназначенные для измерения силы переменного тока обозначаются « \(\sim\) » или «АС».
Амперметр для постоянного тока необходимо включать в цепь с соблюдением полярности, то есть к клемме прибора, имеющей обозначение «+», присоединяют провод, идущий от положительного электрода.
Если на источнике тока отсутствует указание полярности, то узнать ее можно по электрической схеме. Короткая линия всегда соответствует «минусу», а длинная — «плюсу».
Амперметр для переменного тока не имеет полярности и подключается без ее учета.
Описание прибора
Амперметр — это один из электроизмерительных приборов. Он обладает очень низким сопротивлением, чтобы не оказывать влияния на величину измеряемой силы тока. Ведь закон Ома гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Это означает, что чем больше сопротивление проводников, тем меньше сила тока.
Шкала прибора может быть градуирована не только в А, но и в других кратных единицах — мкА, мА, кА.
- аналоговые (стрелочные);
- цифровые (электронные).
Измерители стрелочного типа не нуждаются в источнике питания, так как потребляют электрический ток непосредственно из измеряемой цепи. Но они показывают величину силы тока с некоторой задержкой, а не мгновенно.
Электронные амперметры практически полностью лишены такого недостатка как инерционность. Современные процессоры, используемые в этих моделях, обеспечивают частоту обновления показателей до 1000 в минуту. Их недостатком является высокая цена и необходимость отдельного источника питания для функционирования.
Примеры нахождения силы тока в задачах
Задача №1
Определите силу тока проводнике, имеющем сопротивление 55 Ом при напряжении в сети 220В.
Решение
Вычисление
Ответ: сила тока в проводнике 4,4 А.
Задача №2
Сила тока в резисторе при напряжении 100В (U1) составляет 4 А (I1). Если напряжение увеличить на 20В (Δ U), как изменится сила тока (I2), протекающего через этот резистор?
Решение
По условию задачи сопротивление резистора не изменяется. Тогда:
Вычисление
Ответ: сила тока станет 4,8 А.
Задача №3
Определите силу тока в цепи с внешним сопротивлением 10 Ом и источником постоянного тока, ЭДС которого составляет 15В, а внутреннее сопротивление – 1 Ом.
Решение
Вычисление
Задача №4
При какой силе тока (I) проволока с сопротивлением (R) 20 Ом за 300 секунд (t) выделит 6 кДж теплоты (Q)?
Источник
Сила тока называют физическую величину которая определяется электрическим зарядом проходящим через
Характеристикой тока в цепи служит величина, называемая силой тока ( I ). Сила тока – физическая величина, характеризующая скорость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда q, прошедшeгo через пoперeчное сечение проводника за промежуток времени t, к этому промежутку времени: I = q/t . Единица измерения силы тока – 1 ампер (1 А).
Определение единицы силы тока основано на магнитном действии тока, в частности на взаимодействии параллельных проводников, по которым идёт электрический ток. Такие проводники притягиваются, если ток по ним идёт в одном направлении, и отталкиваются, если направление тока в них противоположное.
За единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной 1 м, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 2*10 -7 Н. Эта единица и называется ампером (1 А).
Зная формулу силы тока, можно получить единицу электрического заряда: 1 Кл = 1А * 1с.
Амперметр
Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называется амперметром. Его работа основана на магнитном действии тока. Основные части амперметра магнит и катушка. При прохождении по катушке электрического тока она в результате взаимодействия с магнитом, поворачивается и поворачивает соединённую с ней стрелку. Чем больше сила тока, проходящего через катушку, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки. Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить, и потому он имеет малое внутреннее сопротивление, которое практически не влияет на сопротивление цепи и на силу тока в цепи.
У клемм амперметра стоят знаки «+» и «—», при включении амперметра в цепь клемма со знаком «+» присоединяется к положительному пoлюсу источника тока, а клемма со знаком «—» к отрицательному пoлюсу истoчникa тока.
Напряжение
Источник тока создаёт электрическое поле, которое приводит в движение электрические заряды. Характеристикой источника тока служит величина, называемая напряжением. Чем оно больше, тем сильнее созданное им поле. Напряжение характеризует работу, которую совершает электрическое поле по перемещению электрического заряда.
Напряжение ( U ) — это физическая величина, равную отношению работы (А) электрического поля по перемещению электрического заряда к заряду (q): U = A/q .
Возможно другое определение понятия напряжения. Если числитель и знаменатель в формуле напряжения умножить на время движения заряда (t), то получим: U = At/qt. В числителе этой дроби стоит мощность тока (Р), а в знаменателе — сила тока (I). Получается формула: U = Р/I , т.е. напряжение — это физическая величина, равная отношению мощности электрического тока к силе тока в цепи.
Единица напряжения: [U] = 1 Дж/1 Кл = 1 В (один вольт).
Вольтметр
Напряжение измеряют вольтметром. Он имеет такое же устройство, что и амперметр и такой же принцип действия, но он подключается параллельно тому участку цепи, напряжение на котором хотят. Внутреннее сопротивление вольтметра достаточно большое, соответственно проходящий через него ток мал по сравнению с током в цепи.
У клемм вольтметра стоят знаки «+» и «—», при включении вольтметра в цепь клeмма со знаком «+» присоединяется к положительному полюсу источника тока, а клеммa со знаком «—» к отрицательному полюсу источника тока.
Формулы и определения.
1. Все проводники, используемые в электрических цепях, имеют условные обозначения для изображения на схемах и могут образовывать последовательные, параллельные и смешанные соединения.
2. Мощность тока – физическая величинa, хаpактеpизующая скорость превращения электрической энергии в другие её виды. Единица для измерения – 1 ватт (1 Вт). Измерительный прибор – ваттметр.
3. Сила тока – физическaя вeличина, характеpизующaя скоpость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда, пpoшедшего через попеpeчное сечение проводника, ко времени перемещения. Единица – 1 ампер (1 А). Измерительный прибор – амперметр (подключают последовательно).
4. Электрическое напряжение – физическaя вeличина, характеризующая электрическое поле, создающее ток, и равная отношению мощности тока к его силе. Единица – 1 вольт (1 В). Измерительный прибор – вольтметр (подключают параллельно)
5. Работа тока – физичeская величинa, хаpактеpизующая количество электроэнергии, превратившейся в другие виды энергии. Единица – 1 джоуль (1 Дж). Измерительный прибор – электрический счётчик, использующий единицу 1 киловатт-час (1 кВт·ч).
Конспект урока «Сила тока. Напряжение».
Источник
Сила тока
Силой тока называется физическая величина 
, равная отношению количества заряда 
, прошедшего за некоторое время 
через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.
