Сила тока: что это такое, формула, в чем измеряется сила тока

Содержание

При прохождении электрического тока по цепи мы можем наблюдать различные его действия: тепловое, химическое, магнитное, световое.

Возьмем, к примеру, тепловое действие. Вы можете уверенно сказать, что оно точно может проявляться в разной степени. Это подтверждали наши опыты. Натянутая медная проволока просто нагревалась, а вот вольфрамовая спираль в электрической лампе уж точно нагревалась сильнее. Ведь она накалилась настолько, что начинала излучать свет. Значит, мы могли накалить до похожего состояния и медную проволоку. Что же для этого нужно сделать? Как контролировать силу действия тока? Что эта сила вообще из себя представляет?

В данном уроке вы узнаете ответы на все эти вопросы. Мы рассмотрим, как заряд перемещается по проводнику при прохождении тока. С помощью этих знаний мы подойдем к определению новой силы и ее свойств — силы тока.

Направление тока

Раньше в учебниках физики писали так: однажды решили, что ток направлен от плюса к минусу, а потом узнали, что электроны текут по проводам. Но эти электроны отрицательны, а это значит, что они не могут обойтись без них. Но поскольку мы уже согласовали направление, оставим как есть. Тогда у всех возник вопрос: почему нельзя изменить направление тока? Но ответа никто не получил.

Теперь пишут немного иначе: положительные частицы текут по проводнику от плюса к минусу, а ток направляется туда. Здесь ни у кого нет вопросов.

Перемещение заряда по проводнику

Как вы уже знаете, электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Мы говорим, что частицы “заряженные” — это означает, что они имеют какой-то определенный заряд $q$.

Соответственно, при движение таких частиц происходит перенос некоторого заряда. Каждый свободный электрон в металле переносит заряд. Каждый ион в растворе кислот, солей или щелочей тоже переносит заряд.

Логично, что чем больше частиц переместится от одного участка цепи к другому, тем больший общий заряд будет ими перенесен.

От чего же зависит интенсивность действий электрического тока? Опытным путем было доказано, что интенсивность (степень действия) электрического тока зависит как раз от величины этого переносимого заряда.

Какое отличие между переменным и постоянным током

Ток – это движение заряженных электронов в определенном направлении. Это перемещение необходимо для того, чтобы бытовые и профессиональные электроприборы могли работать с установленной номинальной мощностью. В домашней розетке ток появляется из электростанции, где кинетическая энергия электронов преобразуется в электрическую.

Вам это будет интересно Чет отличается RJ-11 от RJ-12

Электроток постоянного характера – электричество, получаемое из аккумулятора телефона или батарейки. Он называется так, потому что направление движения электронов в нем не меняется. На таком принципе основана работа зарядных устройств: они конвертируют переменное электричество сети в постоянное и в таком виде оно накапливается в аккумуляторных батареях.

Переменный ток – электричество в любой домашней электросети. Он называется так из-за того, что направление движения электронов постоянно меняется. Количество изменений направления задается частотой, которая для домашних сетей в СНГ равно 50 Гц. Это значит, что за одну секунду электроток меняет направление движения целых 50 раз. Напряжение же в сети – это максимальный «напор», который заставляет двигаться электроны.

Сила тока

Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в $1 \space с$, будет определять такую величину, как сила тока в цепи (рисунок 1).

Рисунок 1. Заряд, проходящий через поперечное сечение проводника

Сила тока — это физическая величина, равная отношению электрического заряда $q$, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения $t$: $I = \frac{q}{t}$, где $I$ — сила тока.

Формулы для вычисления характеристик тока

Люмен — единица измерения светового потока

Если к проводнику подключить источник постоянного тока, базовые параметры можно вычислить с помощью классической формулы. Ток в амперах равен напряжению в вольтах, деленному на электрическое сопротивление в омах:

I = U/R.

Зависимость от мощности отображается следующим образом:

I = P/U = √P/R.

Простым преобразованием вычисляют другие величины:

• R=U/I=U2/P=P/I2;
• U= √P*R=I*R=P/U;
• P=I2*R=U2/I=U*I.

К сведению. В цепях переменного тока учитывают синусоидальную форму сигнала. Активные нагрузки (конденсаторы, катушки) создают фазовый сдвиг между напряжением и током.

Сила взаимодействия проводников с током как основа для определения единицы силы тока

Для того, чтобы определить единицу измерения силы тока, были проведены опыты, которые мы сейчас и рассмотрим. Опыты эти заключались в явлении взаимодействия двух проводников с током.

Возьмем два гибких прямых проводника. Расположим их параллельно друг другу. Подсоединим их к источнику тока (рисунок 2).

Рисунок 2. Взаимодействие проводников с током

После замыкания цепи по ней пойдет электрический ток. Ток будет идти и по нашим подопытным проводникам.

Что мы увидим? Они начнут взаимодействовать друг с другом. А именно, они будут притягиваться друг к другу (рисунок 2, а) или отталкиваться друг от друга (рисунок 2, б). Это будет зависеть от направления тока в них.

Тут же встает вопрос о том, как же измерить эту силу, с которой взаимодействуют проводники? Опыты показали следующее.

Сила взаимодействия между проводниками с током зависит от: длины проводников; расстояния между ними; среды, в которой находятся проводники; силы тока в проводниках.

Для нас сейчас имеет значение самый последний пункт. Возьмем проводники, для которых все остальные условия будут одинаковы, кроме силы токов. Окажется, что, чем больше сила тока в каждом проводнике, тем с большей силой они взаимодействуют между собой.

Что мы называем источником напряжения?

Источником напряжения или точнее источником с постоянным выходным напряжением называется такой источник электрической энергии, который на своих внешних зажимах имеет постоянное, неизменное напряжение независимо от тока, потребляемого от этого источника.

Каждый источник обладает определенным внутренним сопротивлением и может быть представлен в виде последовательного соединения (рис. 1.12) идеальной ЭДС, выраженной в вольтах, и определенного внутреннего сопротивления Rг, выраженного в омах.

Рис. 1.12.Источник и внешняя цепь

Если к такому источнику подключить внешнюю цепь, то потребляемый ею ток будет идти через внутреннее сопротивление источника. На нем возникает падение напряжения тем большее, чем больше ток, — потребляемый внешней цепью. Напряжение на внешних зажимах источника равно разности ЭДС источника и падения напряжения на внутреннем сопротивлении. Поэтому внешнее напряжение может иметь постоянное значение, несмотря на изменения потребляемого тока, только тогда, когда внутреннее сопротивление источника близко к нулю. Именно такой источник будем называть источником напряжения.

Графическое изображение источника напряжения показано на рис. 1.13. На практике идеальные источники с постоянным напряжением не встречаются. Однако часто источники с внутренним сопротивлением, более чем в 10 раз меньшим сопротивлении нагрузки, можно приближенно считать источниками напряжения.

Рис. 1.13. Графическое изображение источника напряжения

Единица измерения силы тока

А теперь представьте себе очень тонкие и очень длинные проводники. Расположены они параллельно друг другу. Расстояние между ними — $1 \space м$. Сила тока в них одинакова. И все это в вакууме! Вот здесь и появляется единица измерения силы тока (рисунок 3).

За единицу силы тока принимаю такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной $1 \space м$ взаимодействуют с силой $2 \cdot 10^{-7} \space Н$ ($0.0000002 \space Н$).

Рисунок 3. Определение единицы измерения силы тока

Имя этой единицы — ампер ($А$). Она названа в честь французского физика Андре Ампера (рисунок 4).

Рисунок 4. Ампер Андре Мари (1775 — 1836) — французский физик, математик и естествоиспытатель. Ввел в физику понятие электрического тока, за что в научном кругу его прозвали “Ньютоном электричества”

Единицы работы электрического тока, применимые на практике

Все вы знаете, что в конце месяца нужно платить за электроэнергию, которая была использована в вашей квартире. В системе СИ время измеряется в секундах, но каждый раз переводить недели или месяцы в секунды — это неудобно, да и не нужно. Поэтому люди придумали единицу измерения, которой удобнее пользоваться на практике. Энергия, потребляемая из сети, будет зависеть от времени работы и от мощности того или иного прибора. Например, стиральная машина за час работы потребит больше энергии, чем лампочка за весь вечер. Итак, исходя из количества потребляемой энергии, единицей измерения, которую применяют на практике, является киловатт-час.

Так можно переводить любые единицы измерения.

Существует стоимость использования одного киловатт-часа энергии. Эта стоимость умножается на количество киловатт-часов, использованных за месяц, и мы, таким образом, получаем счет за электроэнергию. Например, 1 кВт∙ч стоит 3 рубля. Скажем, за месяц использовали 150 кВт∙ч электроэнергии. Тогда мы умножаем количество киловатт-часов на стоимость одного киловатт-часа и получаем сумму в рублях.

Для примера рассчитаем, сколько энергии израсходует утюг за месяц, если его мощность 1800 Вт и им пользуются по полчаса каждый второй день.

Поскольку в месяце 30 дней, утюг используется 15 раз в месяц по полчаса. Итого получается, что утюг работает 7,5 часов в месяц.

Ещё одна всем известная единица измерения — это лошадиная сила

. Обычно именно в лошадиных силах измеряют мощность многих двигателей. Если речь идет о мощности электрического тока, то лошадиная сила равна 1 л. с. = 746 Вт. Например, мы можем вычислить, какую работу совершает двигатель мощностью 85 л. с. за 2 часа работы. Как правило, двигатель не работает постоянно на полную мощность, поэтому, будем считать, что в среднем за эти 2 часа он работал на 80 % мощности.

Появление таких единиц измерения не означает, что система СИ чем-то плоха. Наоборот, подавляющее большинство вычислений следует производить в системе СИ, а уже потом переводить полученный результат в какие угодно единицы измерения. Просто для некоторых ситуаций единицы измерения системы СИ не подходят.

Скажем, в астрономии расстояния такие большие, что километры использовать неудобно: получаются огромные числа. Например, от Солнца до Земли почти 150 млн км, а до Меркурия — около 60 млн км. Поэтому, ученые решили ввести единицу расстояния, известную, как астрономическая единица (а. е.). За астрономическую единицу как раз таки взято расстояние между Солнцем и Землей. Таким образом, расстояние от Солнца до Меркурия составляет примерно 0,4 а. е. Несмотря на это, в астрономии речь идет и о таких расстояниях, которые значительно больше астрономической единицы. В этих случаях используется световой год (несмотря на слово «год» — это единица измерения расстояния). Световой год — это расстояние, которое проходит свет в вакууме за один год.

Например, расстояние от Земли до центра нашей галактики составляет примерно 26 000 световых лет.

Производя какие-либо вычисления, нужно в первую очередь убедиться, что единицы измерения всех величин соответствуют друг другу. Например, если машина едет со средней скоростью 60 км/ч, то за 2 ч она проедет 120 км. Как мы это узнали? Мы умножили километры в час на часы и получили километры, потому что часы сократились. А вот если нам дано, что скорость машины 20 м/с, то чтобы посчитать, какое расстояние она проедет за 2 ч, нужно часы перевести в секунды, а потом только умножать на скорость. Теперь уже полученное расстояние будет измеряться в метрах, потому что скорость была дана в метрах в секунду.

Сила тока некоторых электроприборов

Для лучшего понимания, сколько же составляет один ампер на практике, в таблице 1 приведены средние значения силы тока для некоторых электроприборов.

Таблица 1. Значения силы тока в различных потребителях электроэнергии

Амперметр

Мы знаем, куда направлен ток, как его измеряют, как его рассчитать, зная заряд и время, в течение которого этот заряд прошел. Осталось только замерить.

Устройство для измерения силы тока называется амперметром. Он включен в электрическую цепь последовательно с проводником, в котором измеряется ток.

Амперметры очень разные по принципу действия: электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, тепловые и индуктивные – и это только самые распространенные.

Мы рассмотрим только принцип работы термоамперметра, потому что для понимания принципа работы других приборов необходимо знать, что такое магнитное поле и катушки.

В основе термоамперметра лежит свойство тока нагревать провода. Устроено это так: тонкий провод подключается к двум неподвижным клеммам. Эта тонкая нить стягивается шелковой нитью, привязанной к пружине. Попутно этот провод наматывается вокруг неподвижной оси, на которой крепится стрелка. Измеряемый ток подается на фиксированные клеммы и пропускается через провод (на рисунке стрелки указывают путь тока).

Под действием тока нить немного нагреется, что приведет к растяжению, в результате чего прикрепленная к нити шелковая нить будет оттягиваться пружиной. Движение проволоки будет вращать ось, а значит, и стрелку. Стрелка покажет значение измерения.

Связь единицы измерения заряда и единицы измерения силы тока

Хоть мы уже и говорили о заряде и единице его измерения (кулон) ранее, в физике принято определять его через ампер.

Выразим из определения силы тока ($I = \frac{q}{t}$) сам заряд и получим следующую формулу.

$q = It$.

Если $I = 1 \space А$, а $t = 1 \space с$, то мы получим единицу электрического заряда — $1 \space Кл$.

$1 \space кулон = 1 \space ампер \cdot 1 \space с$, или $1 \space Кл = 1 \space А \cdot 1 \space с = 1 \space А \cdot с$.

За единицу электрического заряда принимают электрический заряд, проходящий сквозь поперечное сечение проводника при силе тока $1 \space А$ за время $1 \space с$.

Об электрическом токе

Для облегчения понимания темы можно применить аналоги (сравнения) из окружающего мира. Электрические величины иногда объясняют на примере обычного трубопровода:

• ток электронов подобен движению жидкости;
• напряжение (разница потенциалов) – различные уровни давления;
• при уменьшении сечения проводника увеличивается сопротивление току – таким же образом приходится повышать напор для перемещения большего количества воды за единицу времени.

Через прозрачные стенки можно наблюдать движение потока жидкости. Упростит визуальный эксперимент наличие визуальных маркеров – загрязнений. Однако самый зоркий человек не в состоянии увидеть перемещение микроскопически малых электронов.

Тем не менее, именно движение потока заряженных частиц является электрическим током. Почему такое действие даже при продолжительном времени опыта не изменяет массу (размеры) отдельных участков проводника?

Как и в случае с наблюдением, ответ на вопрос объясняется очень малой величиной рассматриваемых параметров. Электроны можно сравнить с муравьями. При переселении в другой «дом» старый муравейник сохраняет размеры (форму). Так и масса проводника не изменится заметно даже при полном удалении из него частиц с электрическими зарядами.

Электрический заряд и его зависимость от силы тока и времени

Мы получили формулу, позволяющую по-новому взглянуть на определение электрического заряда: $q = It$.

Делаем вывод: электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника зависит от силы тока и времени его прохождения.

Эти знания пригодятся в решении задач. Обратите внимание, что электрический заряд иногда называют количеством электричества.

Например, давайте найдем количество электричества, которое проходит сквозь поперечное сечение спирали лампы за $1 \space мин$. Сила тока лампы равна $400 \space мА$.

Дано: $I = 400 \space мА$ $t = 1 \space мин$

СИ: $I = 0.4 \space А$ $t = 60 \space с$

$q — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Решение:

Используем формулу для электрического заряда, полученную из определения силы тока: $q = It$.

Рассчитаем этот заряд: $q = 0.4 \space А \cdot 60 \space с = 24 \space Кл$.

Ответ: $q = 24 \space Кл$.

Источник тока

Вода в трубе берется из водопровода, ключ с водой в земле – в общем, не на пустом месте. Электрический ток тоже имеет свой источник.

Источником может быть, например, гальванический элемент (обычная батарея). Батарея работает на основе химических реакций внутри нее. Эти реакции высвобождают энергию, которая затем передается в электрическую цепь.

Любой источник должен иметь полюса: «плюс» и «минус». Полюсы – это его крайние положения. По сути, клеммы, к которым подключена электрическая цепь. На самом деле ток просто течет от «+» к «-».

Упражнения

Упражнение №1

Выразите в амперах силу тока, равную $2000 \space мА$; $100 \space мА$; $55 \space мА$; $3 \space кА$.
Дано: $I_1 = 2000 \space мА$ $I_2 = 100 \space мА$ $I_3 = 55 \space мА$ $I_4 = 3 \space кА$

Показать решение и ответ

Скрыть

Решение:

$I_1 = 2000 \space мА = 2000 \cdot 10^{-3} \space А = 2 \space А$.

$I_2 = 100 \space мА = 100 \cdot 10^{-3} \space А = 0.1 \space А$.

$I_3 = 55 \space мА = 55 \cdot 10^{-3} \space А = 0.055 \space А$.

$I_4 = 3 \space кА = 3 \cdot 10^3 \space А = 3000 \space А$.

Ответ: $I_1 = 2 \space А$, $I_2 = 0.1 \space А$, $I_3 = 0.55 \space А$, $I_4 = 3000 \space А$.

Упражнение №2

Сила тока в цепи электрической плитки равна $1.4 \space А$. Какой электрический заряд проходит через поперечное сечение ее спирали за $10 \space мин$?
Дано: $t = 10 \space мин$ $I = 1.4 \space А$

СИ: $t = 600 \space с$

$q — ?$

Показать решение и ответ

Скрыть

Решение:

Используем формулу: $q = It$. $q = 1.4 \space А \cdot 600 \space с = 840 \space Кл$.

Ответ: $q = 840 \space Кл$.

Примеры расчётов закона Ома

Давайте, найдём напряжение, если ток равен 0,9 Ампер, а сопротивление 100 Ом, пользуясь треугольником, прикрываем напряжение рукой, смотрим, вертикальная черта, значит умножить. Опять пользуемся той формулой, только подставляем числа, U = 0,9 А * 100 Ом, считаем, получиться 90, значит U = 90 вольт.

Теперь рассчитываем сопротивление, берём те же единицы, только убираем сопротивление, получиться вот такая формула: R = 90 В \ 0,9 А, получим 100 Ом.

Чтобы рассчитать ток, опять же убираем ток, получаем эту формулу I = 90 В \ 100 Ом, получаем 0,9 Ампер. Итак, на этом всё, кстати, закон Ома действует там, где нет катушек индуктивности и конденсаторов, не забивайте голову конденсаторами и катушками индуктивности, просто, запомните, что закон Ома действует, там, где нет катушек индуктивности и конденсаторов. Надеюсь, моя статья была полезной, всем удачи, с вами был Дмитрий Цывцын.

Мощность тока

Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель и т. д.) рассчитан на потребление определенного количества энергии в единицу времени. Поэтому наряду с работой тока очень важное значение имеет понятие мощность тока. Мощность тока Р равна отношению работы тока А за время Δt к этому интервалу времени:

Пользуясь формулой (2.7.1), можно равенству (2.7.4) придать форму:

Формула (2.7.5) является универсальной формулой для вычисления мощности тока. С помощью закона Ома можно получить еще две формулы мощности тока:

Формулы (2.7.6) и (2.7.7), как и (2.7.2) и (2.7.3), пригодны только тогда, когда работа тока полностью идет на увеличение внутренней энергии.

В СИ единицей работы тока является джоуль (Дж), а мощности — ватт (Вт). На практике широко используется внесистемная единица работы тока — киловатт-час (кВт • ч): 1 кВт • ч = 3,6 • 106 Дж.