Ослепительная вспышка молнии, раскатистые удары грома. Давно человечество наблюдало за этими грозными явлениями природы и не понимая их испытывало перед ними страх. И всего чуть более ста лет назад, люди научили электрические силы природы служить себе.
Экспресс-физика
В природе существуют мельчайшие заряжённые частицы. Есть частицы, которые заряжены и имеют заряд со знаком плюс, а есть частицы имеющий отрицательный заряд со знаком минус. Частицы, имеющие отрицательный заряд называют электроны. Они могут бегать по металлическим проводникам. И вот этот поток заряжённых частиц учёные назвали электрическим током.
Какими же характеристиками обладает ток? Во-первых, это сила тока и его плотность, а во-вторых это мощность тока. Плотность и мощность тока мы рассмотрим в другой статье, сейчас обратим внимание на силу тока. Рассмотрим что это такое, какие определение и значение в физике выполняет эта величина. Какие обозначения применяются для силы тока? Как найти силу тока? Узнаем интересные и познавательные факты о силе тока.
Языком формул
Сила тока - это физическая величина, определяющая не разнообразие частиц, которые прошли через поперечное сечение проводника, а суммарный заряд, который переносится через проводник за единицу времени. Выглядит это так:
- I=q/t
Где I – это и есть наша сила тока измеряемая в Амперах (А), q – это заряд, который проходит через проводник, единицы его измерения Кулон (Кл), а t – это время наблюдения измеряемое в секундах(с).
А по закону Ома, определить силу тока можно следующим образом, и для этого нам нужно будет знать напряжение участка цепи U измеряется в вольтах (В), и его сопротивление R измеряемое в Омах (Ом):
- I=U/R
А как определить силу тока, если мы не знаем заряд, проходящий через проводник? Как найти силу тока, если это не школьная задача? Для этого существует специальный прибор - амперметр. Для определения силы тока мы должны подключить наш прибор последовательно с тем участком цепи, в которой мы измеряем силу тока. Уметь определять силу тока очень важно и просто необходимо в повседневной жизни. Сила тока в 0,01 Ампер не ощущается или ощущается, но очень слабо. А вот сила тока в 0,1 Ампер приводит к большим нарушениям в организме человека. И ток силой более 0,2 Ампера имеет смертельный характер, результатом является сильные ожоги и остановка дыхания. Будьте предельно осторожны и аккуратны с силой тока!
Сила тока
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)
Содержание:
Движение заряженных частиц в проводнике в электротехнике называется электрическим током. Электроток не характеризуется только прошедшим через проводник значением количества электрической энергии, так как за 60 минут через него может пройти электричество равное 1 Кулону, но и такое же количество электричества можно пропустить через проводник за одну секунду.
Что такое сила тока
Когда рассматривается количество электричества, протекающее через проводник за разные интервалы времени, понятно, что за меньший промежуток времени ток течет интенсивней, поэтому в характеристику электротока вводится еще одно определение - это сила тока, которая характеризуется протекающим в проводнике током за секунду времени. Единицей измерения величины силы проходящего тока в электротехнике принят ампер.
Иными словами, сила электрического тока в проводнике - это количество электричества, которое прошло через его сечение за секунду времени, маркировка литерой I. Силу тока измеряют в амперах - это единица измерения, которая равняется силе неизменяющегося тока, проходящего по бесконечным параллельным проводам с наименьшим круговым сечением, удаленным друг от друга на 100 см и расположенным в вакууме, который вызывает взаимодействие на метре длины проводника силой = 2*10 минус 7 степени Ньютона на каждые 100 см длины.
Специалисты часто определяют величину проходящего тока, на Украине (сила струму) она равна 1 амперу, когда через сечение проводника проходит каждую секунду 1 кулон электричества.
В электротехнике можно увидеть частое применение других величин в определении значения силы проходящего тока: 1 миллиампер, который равен единица/ Ампер, 10 в минус третьей степени Ампер, один микроампер - это десять в минус шестой степени Ампер.
Зная количество электричества, прошедшее через проводник за определенный промежуток времени, можно вычислить силу тока (как говорят на Украине - силу струму) по формуле:
Когда электрическая цепь замкнута и не имеет ответвлений, тогда в каждом месте ее поперечного сечения протекает за секунду одинаковое количество электричества. Теоретически это объясняется невозможностью накапливания электрических зарядов в каком либо месте цепи, по этой причине сила тока везде одинакова.
Данное правило справедливо и в сложных цепях, когда есть ответвления, но относится к некоторым участкам сложной цепи, которые можно рассматривать в виде простой электроцепи.
Как измеряется сила тока
Величину силы тока измеряют прибором, который называется амперметр, а также для небольших значений - миллиамперметр и микроамперметр, который можно увидеть на фото внизу:
Среди людей бытует мнение, что когда измеряется сила тока в проводнике до нагрузки (потребителя), то значение будет выше, чем после нее. Это ошибочное мнение, основанное на том, что якобы какое-то значение силы будет расходоваться на то, чтобы привести потребитель в действие. Электроток в проводнике - это процесс электромагнитный, в котором участвуют заряженные электроны, они направленно двигаются, но энергию передают не электроны, а электромагнитное поле, которое окружает проводник.
Количество электронов, вышедших из начала цепи, будет равно количеству электронов и после потребителя в конце цепи, они не могут быть израсходованы.
Какие проводники бывают? Специалисты дают определение понятию «проводник» - это материал, в котором частицы, имеющие заряд, могут перемещаться свободно. Такие свойства на практике имеют почти все металлы, кислота и солевой раствор. А материал или вещество, в котором движение заряженных частиц затруднено или вообще невозможно, называются изоляторами (диэлектриками). Часто встречающиеся материалы-диэлектрики - это кварц или эбонит, искусственный изолятор.
Вывод
На практике современное оборудование работает с большими величинами тока, до сотни, а то и тысячи ампер, а также и с малыми значениями. Примером в повседневной жизни величины тока в разных приборах может быть электрическая плита, где она достигает значения в 5 А, а простая лампа накаливания может иметь величину 0,4 А, в фотоэлементе величина проходящего тока измеряется в микроамперах. В линиях городского общественного транспорта (троллейбус, трамвай) значение проходящего тока достигает 1000 А.
Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц в определённом направлении по проводнику.
Ток в проводнике
Для того чтобы ток возник в проводнике, необходимо, чтобы в какой-то среде были свободные электрические заряды. Двигаться эти заряды заставляет некая сила F, равная величине заряда q, умноженной на напряжённость поля Е.
Направление движения положительных зарядов принимают за направление тока.
Электрическое поле существует, если разность потенциалов между любыми двумя точками проводника, находящегося в этом поле, не равна нулю.
Однако, в таком поле направленное движение электрических зарядов приведёт к тому, что потенциалы на концах проводника станут одинаковыми. Движение зарядов прекратится. Следовательно, исчезнет и электрическое поле. Чтобы поддержать существование электрического поля, необходимо устройство, которое называют источником тока. Источником тока могут быть батареи, аккумуляторы, электрогенераторы, солнечные батареи.
Постоянный и переменный ток
Постоянный ток
Постоянным называют ток, направление и величина которого не меняются с течением времени. График постоянного тока относительно оси времени представляет собой прямую линию.
Электрическое поле, с помощью которого создаётся постоянный ток в проводнике, называют стационарным.
Простейший источник постоянного тока – химический элемент (аккумулятор или гальванический элемент). Направление тока в таком источнике самопроизвольно меняться не может.
Переменный ток
Переменным называется ток, величина и направление которого, в отличие от постоянного тока, с течением времени меняются по определённой закономерности. Причём, эти изменения повторяются через определённые периоды времени.
Если построить график переменного тока, то мы увидим, что он имеет форму синусоиды.
Временной промежуток, в течение которого происходит полный цикл изменения тока, называется периодом . А число полных периодов в 1 секунду, называют частотой переменного тока . Максимальное значение тока во время полного периода называется амплитудным значением тока . Значение тока в любой выбранный момент времени называют мгновенным значением тока .
Источниками переменного тока являются генераторы переменного тока.
Для освещения и промышленных целей переменный ток вырабатывают мощными генераторами, которые приводятся в движение двигателями внутреннего сгорания, паровыми или водяными турбинами.
Сила тока
Силой тока называют величину, равную заряду, который протекает через поперечное сечение проводника в единицу времени.
В международной системе единиц (СИ) сила тока измеряется в амперах.
Для участка цепи сила тока по закону Ампера прямо пропорциональна напряжению U, приложенному к участку цепи, и обратно пропорциональна сопротивлению проводника этого участка R.
Эта формула справедлива для постоянного тока.
Силу тока измеряют с помощью специального прибора – амперметра.
Напряжение в сети переменного тока изменяется по гармоническому закону
U = U m cos ωt
Переменный электрический ток в проводнике возникает под действием переменного электрического поля. Частота и фаза колебаний переменного тока совпадают с частотой и фазой колебаний напряжения.
Мгновенное значение силы переменного тока выражается формулой
i = I m cos ωt
где i – мгновенное значение силы тока
I m - амплитудное значение силы тока
ω – угловая частота
ω = 2πf
f – частота переменного тока
Амплитудное значение силы тока равно I m = U m /R
Действующим значением силы переменного тока называется такое его значение, при котором средняя мощность в проводнике в цепи переменного тока равна мощности в этом же проводнике в цепи постоянного тока.
I Д = 1,44 I m
Практически всё электрооборудование промышленных предприятий, бытовые приборы питаются от сетей переменного тока.
Если изолированный проводник поместить в электрическое поле \(\overrightarrow{E} \), то на свободные заряды \(q\) в проводнике будет действовать сила \(\overrightarrow{F} = q\overrightarrow{E}\) В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю.
Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда.
Направленное движение заряженных частиц называется электрическим током.
За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока \(I\) - скалярная физическая величина, равная отношению заряда \(\Delta q\), переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени \(\Delta t\), к этому интервалу времени:
$$I = \frac{\Delta q}{\Delta t} $$
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным .
В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в Амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током.
Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи , в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения . Такие устройства называются источниками постоянного тока . Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами .
Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.
Физическая величина, равная отношению работы \(A_{ст}\) сторонних сил при перемещении заряда \(q\) от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):
$$ЭДС=\varepsilon=\frac{A_{ст}}{q}. $$
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в Вольтах (В).
При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.
Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными . Участки, включающие источники тока, называются неоднородными .
При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов \(\Delta \phi_{12} = \phi_{1} - \phi_{2}\) между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе \(\mathcal{E}\), действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна
$$U_{12} = \phi_{1} - \phi_{2} + \mathcal{E}$$
Величину U 12 принято называть напряжением на участке цепи 1-2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:
$$U_{12} = \phi_{1} - \phi_{2}$$
Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока \(I\), текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению \(U\) на концах проводника:
$$I = \frac{1}{R} U; \: U = IR$$
где \(R\) = const.
Величину R принято называть электрическим сопротивлением . Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором . Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит Ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными . Графическая зависимость силы тока \(I\) от напряжения \(U\) (такие графики называются вольт-амперными характеристиками , сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.
Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:
$$IR = U_{12} = \phi_{1} - \phi_{2} + \mathcal{E} = \Delta \phi_{12} + \mathcal{E}$$
$$\color{blue}{I = \frac{U}{R}}$$
Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи .
На рис. 1.8.2 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd ) является однородным.
|
|
|
Рисунок 1.8.2. Цепь постоянного тока |
По закону Ома
$$IR = \Delta\phi_{cd}$$
Участок (ab ) содержит источник тока с ЭДС, равной \(\mathcal{E}\).
По закону Ома для неоднородного участка,
$$Ir = \Delta \phi_{ab} + \mathcal{E}$$
Сложив оба равенства, получим:
$$I(R+r) = \Delta\phi_{cd} + \Delta \phi_{ab} + \mathcal{E}$$
Но \(\Delta\phi_{cd} = \Delta \phi_{ba} = -\Delta \phi_{ab}\).
$$\color{blue}{I=\frac{\mathcal{E}}{R + r}}$$
Эта формула выражает закон Ома для полной цепи : сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи (внутреннего сопротивления источника).
Сопротивление r неоднородного участка на рис. 1.8.2 можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока . В этом случае участок (ab ) на рис. 1.8.2 является внутренним участком источника. Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (\(R\ \ll r\)), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания
$$I_{кз}=\frac{\mathcal{E}}{r}$$
Сила тока короткого замыкания - максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой \(\mathcal{E}\) и внутренним сопротивлением \(r\). У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.
В ряде случаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания к источнику последовательно подсоединяется некоторое внешнее сопротивление. Тогда сопротивление r равно сумме внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока не окажется чрезмерно большой.
Если внешняя цепь разомкнута, то \(\Delta \phi_{ba} = -\Delta \phi_{ab} = \mathcal{E}\), т. е. разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС.
Если внешнее нагрузочное сопротивление R включено и через батарею протекает ток I , разность потенциалов на ее полюсах становится равной
$$\Delta \phi_{ba} = \mathcal{E} - Ir$$
На рис. 1.8.3 дано схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС равной \(\mathcal{E}\) и внутренним сопротивлением r в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку и режим короткого замыкания (к. з.). Указаны напряженность \(\overrightarrow{E}\) электрического поля внутри батареи и силы, действующие на положительные заряды:\(\overrightarrow{F}_{э}\) - электрическая сила и \(\overrightarrow{F}_{ст}\) - сторонняя сила. В режиме короткого замыкания электрическое поле внутри батареи исчезает.
Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы - вольтметры и амперметры .
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением \(R_{В}\). Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1.8.4, это условие записывается в виде:
$$R_{В} \gg R_{1}$$
Это условие означает, что ток \(I_{В} = \Delta \phi_{cd} / R_{В}\), протекающий через вольтметр, много меньше тока \(I = \Delta \phi_{cd} / R_{1}\), который протекает по тестируемому участку цепи.
Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.
Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением \(R_{А}\). В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию
$$R_{А} \ll (r + R_{1} + R{2})$$
чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся.
Измерительные приборы - вольтметры и амперметры - бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.