Как пишется сила тока в физике

Электрический ток

По проводам течет электрический ток. Причем он именно «течет», практически как вода. Представим, что вы — счастливый фермер, который решил полить свой огород из шланга. Вы чуть-чуть приоткрыли кран, и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала.

Сила струи очень слабая. Потом вы решили, что напор нужен побольше и открыли кран на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что ни один помидор не останется без внимания, хотя в обоих случаях диаметр шланга одинаков.

А теперь представьте, что вы наполняете два ведра из двух шлангов. У зеленого напор сильнее, у желтого — слабее. Быстрее наполнится то ведро, в которое льется вода из шланга с сильным напором. Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из двух разных шлангов тоже разный. Иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.

Если мы возьмем проводник с током, то будет происходить то же самое: заряженные частицы будут двигаться по проводнику, как и молекулы воды. Если больше заряженных частиц будет двигаться по проводнику, то «напор» тоже увеличится.

• Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Сила тока

Сразу возникает потребность в величине, которой мы будем «напор» электрического тока измерять. Такая, чтобы она зависела от количества частиц, которые протекают по проводнику.

Сила тока — это физическая величина, которая показывает, какой заряд прошел через проводник за единицу времени.

Сила тока измеряется в амперах. Единица измерения выбрана не просто так.

Во-первых, она названа в честь физика Андре-Мари Ампера, который занимался изучением электрических явлений. А во-вторых, единица этой величины выбрана на основе явления взаимодействия двух проводников.

Здесь аналогии с водопроводом провести, увы, не получится. Шланги с водой не притягиваются и не отталкиваются вблизи друг друга (а жаль, было бы забавно).

Когда ток проходит по двум параллельным проводникам в одном направлении, проводники притягиваются. А когда в противоположном направлении (по этим же проводникам) — отталкиваются.

За единицу силы тока 1 А принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной 1 м, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой 0,0000002 Н.

Задача

Найти силу тока в цепи, если за 2 секунды в ней проходит заряд, равный 300 мКл.

Решение:

Возьмем формулу силы тока

I = q/t

Подставим значения

I = 300 мКл / 2 с = 150 мА

Ответ: сила тока в цепи равна 150 мА

Чтобы хорошо запомнить теорию, нужно много практики. Классический курс по физике для 10 класса в онлайн-школе Skysmart — отличная возможность попрактиковаться в решении задач.

Проводники и диэлектрики

Некоторые делят мир на черное и белое, а мы — на проводники и диэлектрики.

• Проводники — это материалы, которые проводят электрический ток. Самыми лучшими проводниками являются металлы.
• Диэлектрики — материалы, которые не проводят электрический ток. Изи!

То, что диэлектрик не проводит электрический ток, не значит, что он не может накапливать заряд. Накопление заряда не зависит от возможности его передавать.

Направление тока

Раньше в учебниках по физике писали так: когда-то давно решили, что ток направлен от плюса к минуса, а потом узнали, что по проводам текут электроны. Но электроны эти — отрицательные, а значит к минусу идти не могут. Но раз уже условились о направлении, поэтому оставим, как есть. Вопрос тогда возникал у всех: почему нельзя поменять направление тока? Но ответ так никто и не получил.

Сейчас пишут немного иначе: положительные частицы текут по проводнику от плюса к минусу, туда и направлен ток. Здесь вопросов ни у кого не возникает.

Источник тока

Вода в шланге берется из водопровода, ключа с водой в земле — в общем, не из ниоткуда. Электрический ток тоже имеет свой источник.

В качестве источника может выступить, например, гальванический элемент (привычная батарейка). Батарейка работает на основе химических реакций внутри нее. Эти реакции выделяют энергию, которая потом передается электрической цепи.

У любого источника обязательно есть полюса — «плюс» и «минус». Полюса — это его крайние положения. По сути клеммы, к которым присоединяется электрическая цепь. Собственно, ток как раз течет от «+» к «-».

Амперметр

Мы знаем, куда ток направлен, в чем измеряется сила тока, как ее вычислить, зная заряд и время, за которое этот заряд прошел. Осталось только измерить.

Прибор для измерения силы тока называется амперметр. Его включают в электрическую цепь последовательно с тем проводником, в котором ток измеряют.

Амперметры бывают очень разными по принципу действия: электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, тепловые и индукционные — и это только самые распространенные.

Мы рассмотрим только принцип действия теплового амперметра, потому что для понимания принципа действия других устройств необходимо знать, что такое магнитное поле и катушки.

Тепловой амперметр основан на свойстве тока нагревать провода. Устроен так: к двум неподвижным зажимам присоединена тонкая проволока. Эта тонкая проволока оттянута вниз шелковой нитью, связанной с пружиной. По пути эта нить петлей охватывает неподвижную ось, на которой закреплена стрелка. Измеряемый ток подводится к неподвижным зажимам и проходит через проволоку (на рисунке стрелками показан путь тока).

Под действием тока проволока немного нагреется, из-за чего удлинится, вследствие этого шелковая нить, прикрепленная к проволоке, оттянется пружиной. Движение нити повернет ось, а значит и стрелку. Стрелка покажет величину измерения.

Начинающие электротехники пренебрегают ей, и делают основной акцент на напряжении. Это часто приводит к дополнительным финансовым затратам, направленным на закупку радиодеталей, вышедших из строя.

Общие сведения

Новички очень часто путают электрический ток и его силу. Первым является движение заряженных частиц или носителей заряда, на которые действует электромагнитное поле в некотором направлении. Сразу следует отметить, что ток является векторной величиной, поскольку имеет направление. Заряженные частицы могут быть различные, а не только электроны.

В генерации электромагнитного поля принимают «участие» протоны и нейтроны. В полупроводниках носителями зарядов являются дырки. В электролитах (растворов, проводящих электроток) и газах — ионы.

Определение силы тока: количество электричества Q, протекающее через поперечное сечение S проводника любого типа (проводник или полупроводник) за определенную единицу времени t (берется величина, равная 1 секунде). Q — величина, характеризующая количество одиночных носителей заряда, протекающих через проводник за некоторое время.

Физики сокращенно называют величину током.

Единица измерения

Обозначение силы тока зависит от его типа. Он бывает постоянным и переменным, которые отличаются направлением и частотой. В первом случае записывается прописной буквой I. Он имеет только одно направление. Во втором — i. Кроме того, он постоянно меняет направление с частотой, которая определяется по некоторому закону. Например, в жилых помещениях она составляет 50 Гц.

Единица силы тока равна одному амперу (А). Физический смысл 1 А следующий: неизменяющийся ток, проходящий по двум проводникам, длина которых стремится к бесконечности и площади поперечного сечения, стремящейся к 0, расположенных в безвоздушном пространстве (вакууме) на расстоянии 1 м и вызывающий силу взаимодействия между ними, равную 20 мкН. Приставка «мк» означает, что число 20 следует умножить на 10^(-6).

Начинающему радиотехнику следует ознакомиться с кратными величинами, поскольку не всегда используется А. В электронике, радиотехнике и промышленности применяются его производные величины (в технических справочниках есть специальные таблицы):

1. Тераампер (ТА): 1 ТА = 10 ¹² А.
2. Гигаампер (ГА): 1 ГА = 10 ⁹ А.
3. Мегаампер (МА): 1 МА = 10 ⁶ А.
4. Килоампер кА (1 кА = 10 ³ А) используется в различной промышленности. Например, распределительные станции для шахтного оборудования.
5. Миллиампер мА: 1 мА = 10^(-3) А = 0,001 А.
6. Микроампер мкА: 1 мкА = 10^(-6) А.

Первые три применяются в атомной и силовой энергетике. Электростанции являются очень мощными источниками электричества, и генерируют огромные значения тока. Вторую приставку используют для расчетов в некоторых отраслях металлообрабатывающей и угледобывающей промышленностях. Например, для расчета распределительных станций, которые питают мощное шахтное оборудование.

С последними двумя приставками можно столкнуться при проектировании и расчете маломощных устройств (например, материнская плата для ноутбука или планшетного ПК). Однако приставки кратности применяются только для записи конечных результатов.

Подключение амперметра

Значение тока можно получить двумя методами. Первый из них является практическим. Измерение значения выполняется при помощи прибора, который называется амперметром. Он подключается в цепь последовательно с нагрузкой (рис. 1).

Рисунок 1. Схема подключения амперметра в простейшем блоке питания

На рис. 1 амперметр подключается последовательно к нагрузке «Н». Если включить блок питания в сеть без нее, то показание стрелки прибора будет незначительным, поскольку диодный мост потребляет малое количество электроэнергии, и является вторичным источником питания. Конденсаторы сглаживают пульсации тока, т. е. делают из него постоянный ток без колебаний и паразитарных частот.

Амперметры отличаются между собой по классу точности. Начинающему радиолюбителю очень важно знать порядок перевода одной единицы в другую. Для выполнения этой операции применяется определенный алгоритм.

Алгоритм перевода

Во время вычислений следует переводить значения некоторых величин в систему, которая является удобной. Однако сделать это без ошибок иногда не получается, поскольку новички не придерживаются некоторых правил. Специалисты предлагают специальный алгоритм, позволяющий правильно осуществлять эту операцию:

1. Записать исходную величину.
2. Умножить на значение приставки, представленное в экспоненциальной форме (например, 1 мкА = 1 * 10^(-6)).
3. Записать результат.

Далее следует разобрать алгоритм перевода на практическом примере. Пусть нужно перевести 1200 мкА в амперы. Если воспользоваться вышеописанным алгоритмом, то получится такой результат:

1. 1200 мкА (1 мк = 10^(-6)).
2. Умножение: 1200 * 10^(-6) = 12 * 10^2 * 10^(-6) = 12 * 10^(2 — 6) = 12 * 10^(-4).
3. Результат: 12 * 10^(-4).

Следует отметить, что представление приставки в экспоненциальной форме является удобной записью, поскольку экономит время (проще набрать на калькуляторе 12, а не 0,0012). Кроме того, перевод может сыграть важную роль при расчетах. Необходимо всегда соблюдать размерность величин.

Формулы и соотношения

Для расчетов следует знать основные законы и следствия из них.

Они указывают на зависимость искомой физической величины от других.

Используя основные соотношения, можно выполнить расчет других параметров (мощности, падения напряжения на одном из потребителей и т. д.).

К основным законам следует отнести следующие:

1. Правила Ома.
2. Закон теплового действия тока.
3. Законы Кирхгофа (I и II).

Первый связывает ток с электросопротивлением, ЭДС и напряжением. Для переменного он сильно отличается, поскольку вводится понятие активной и реактивной нагрузок. Второй применяется для расчета количества теплоты, выделяемого проводником при прохождении через него электротока.

Законы Кирхгофа применяются в электронике для расчета токов. Примером такого прибора является УЗО (устройство защитного отключения). Его принцип действия основан на I законе Кирхгофа.

Закон Ома

Закон Ома радиолюбители применяют для расчета не только участка электроцепи, но и всей схемы. Он представлен в двух формулировках: для участка цепи и полной. В первом случае берется какой-либо участок без учета источника питания. Во втором — появляется ЭДС и внутреннее сопротивления гальванического элемента (источника питания).

Формулировка в первом случае следующая: ток, протекающий через заданный участок цепи, прямо пропорционально зависит от значения напряжения (U), и обратно пропорционален электрическому сопротивлению этого участка (R). Формула силы тока имеет такой вид: I = U / R. Если рассматривать полную цепь, состоящую из резистора, источника питания и амперметра, то появляются параметры ЭДС и внутреннее сопротивление элемента питания (Rип).

Формулировка имеет следующий вид: сила тока (i или I) прямо пропорционально зависит от ЭДС (e) в полной цепи и обратно пропорционально от алгебраической суммы сопротивлений резистора (R) и гальванического элемента (Rип). Запись закона в математической форме следующая: i = e / (R + Rип).

На основании формул можно вывести некоторые соотношения. Они связывают одну физическую величину с другой. Это позволяет без особых проблем находить неизвестные параметры. Формулы называют еще следствием из законов. Вот некоторые из них:

1. Нахождение сопротивлений резистора и источника питания: R = U / I, R = (e / i) — Rип и Rип = (e / i) — R.
2. Напряжение и ЭДС: U = I * R и e = i * (R + Rип).

Кроме того, нужно знать еще одну формулу, с помощью которой находится мощность: P = U * I = U^2 / R = R * I^2.

Формула теплого действия

Электроток, протекающий через проводник, оказывает на последний тепловое воздействие. При этом происходит преобразование электроэнергии в тепловую. Объясняется этот феномен взаимодействием свободных носителей заряда с узлами кристаллической решетки, т. е. приводит к выделению некоторого количества теплоты Q.

Два ученых открыли (независимо друг от друга) закон вычисления тепловой энергии, которая выделяется при протекании электричества за некоторое время (t). Он получил название «закон Джоуля- Ленца». Его формулировка следующая: количество теплоты, которое выделяет проводник в результате прохождения через него электричества, прямо пропорционально зависит от I, U и t. Математическая форма следующая: Q = UIt = RtI^2 = (tU^2) / R = Pt.

Физики рекомендуют воспользоваться формулами-следствиями из него:

1. Ток: I = Q / (Ut) = [(Q / (Rt)]^(1/2).
2. Напряжение: U = Q / (It) = [QRt]^(1/2).
3. Время протекания тока: t = Q / (UI) = Q / (RI^2) = Q / (U^2 / R) = Q / P.

Когда ток не совершает какую-либо механическую работу и не действует на какой-либо элемент цепи, тогда выполняется преобразование всей электроэнергии в тепловую, т. е. Q = A.

Правила Кирхгофа

В физике всего два закона Кирхгофа. Формулировка первого имеет следующий вид: ток, входящий в узел цепи, равен исходящему току. Для примера следует рассмотреть схему 1. Она состоит из потребителей, которые являются резисторами.

Схема 1. Первый закон Кирхгофа

Ток I1 входит в узел А. После него распределяется на I2 и I3. Следовательно, I1 = I2 + I3. С узла D выходит ток I1, который состоит из I2 и I6.

Однако для расчета электрических цепей недостаточно одного закона Кирхгофа. Рекомендуется использовать также и второй (схема 2). Его формулировка следующая: в произвольном замкнутом контуре всегда выполняется равенство алгебраической суммы всех ЭДС и падений U на каждом элементе резистивного типа. Необходимо отметить, что е и U являются векторными величинами. Их направление указывается с помощью знаков «+» и «-», которые определяются по такому алгоритму:

1. Сделать выбор направления, по которому осуществляется обход: по часовой или против часовой стрелки.
2. Осуществить выбор направления протекания токов по цепи.
3. Расставить знаки е: совпадение с направлением — «+», а в другом случае — «-».

Физики рекомендуют рассматривать любой закон на практическом примере. На схеме 2 показаны следующие элементы: резистор R, источники питания с ЭДС Е1 и Е2. Следует отметить, что r1 и r2 — внутренние сопротивления источников питания с Е1 и Е2 соответственно.

Схема 2. Второй закон Кирхгофа

На схеме 2 видно, что Е1 направлена по часовой стрелке, а Е2 — в обратную сторону. Закон запишется таким образом: Е1 — Е2 = I1 * r1 — I2 * r2. Чтобы выразить величину Е2, следует рассмотреть правую ветвь: Е2 = I2 * r2 + I * R. Таким же образом находится и Е1: Е1 = I1 * r1 + I * R. Ток через резистор R будет равен алгебраической сумме I1 и I2.

Пример решения

Для закрепления знаний следует перейти к их практическому применению. Используя данные на схеме 2, следует вычислить ток, который протекает через резистор R. Кроме того, известно, что I1 в 2 раза больше I2. Нужно определить количество теплоты при следующих параметрах: максимальный ток I и время 5 минут. Решение осуществляется следующим образом:

1. Общий ток через R: I = I1 + I2 = 2 * I2 + I2 = 3 * I2.
2. Необходимо рассмотреть левую ветвь: Е1 = I1 * r1 + I * R = 2 * I2 * r1 + 3 * I2 * R.
3. Составить уравнение: 12 = 2 * I2 * 0,1 + 3 * I2 * 2.
4. Упростить его: I2 * (2 * 0,1 + 3 * 2) = I2 * (0,2 + 6) = 6,2 * I2 = 12.
5. Решить равенство: I2 = 12 / 6,2 = 1,94 (A).
6. Вычислить искомое значение тока: I = 3 * I2 = 3 * 1,94 = 5,81 (А).
7. Количество теплоты (t = 5 минут = 5 * 60 = 300 секунд): Q =t * R * I^2 = 300 * 20 * 33,76 = 202536,6 Дж = 0,2 МДж.

Для проверки правильности решения специалисты рекомендуют воспользоваться специальными приложениями для построения и расчета электрических принципиальных схем.

Таким образом, начинающему радиолюбителю необходимо ознакомиться с основными законами физики, а затем приступать к расчетам схем. Не следует упускать из вида силу тока, поскольку от этого параметра зависит правильность работы любого устройства.

«Сила тока. Напряжение»

---

---

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^-7Н. 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».

Следующая тема: «Электрическое сопротивление».

Основное понятие силы тока

Отличие силы тока от напряжения

В технических науках принято различают понятия, как «сила тока» и «напряжение». Между данными определениями существуют определенные отличия. Их рассмотрение играет достаточно важное значение для понятия принципа действия силы тока.

 Под определением «сила тока» подразумевается некоторое количество электроэнергии. Для напряжения характерна мера потенциальной энергии. Однако, можно сделать вывод, что перечисленные два понятия достаточно сильно взаимозависимы.

Главными факторами, которые в значительной степени на них влияют, будут считаться:

• материал, из которого выполнен проводник;
• показатель температуры;
• особенности внешних условий.

Основные различия можно наблюдать и в процессе образования и получения. Если в процессе воздействия на электрические заряды образуется напряжение, то ток будет возникать уже за счет действия напряжения, которое возникает между точками схемы.

Также имеет место различие и при сравнении с таким определением, как потребление электроэнергии. Оно будет заключаться непосредственно в показателях мощности.

Способы определения силы тока

Определение силы тока практически с применением специальных приборов измерения или определенных формул (при условии наличия исходных данных).

Наличие в реальности электричества может быть постоянным показателем (ток, который содержится в батарейке). Следовательно, будет применяться и понятие переменного тока (ток в розетке). Освещение любого помещения и работа всех электроприборов осуществляется именно при воздействия переменного электричества.

Основным различием переменного тока от постоянного является его наиболее сильная склонность к трансформации. Наиболее простым и распространенным примером действия переменного тока может также послужить эффект включения люминесцентных ламп. При включении такой лампы постепенно начинает осуществляться движение заряженных частиц вперед и назад, что и является объяснением действия переменного тока. Следовательно, данный вид электроэнергии считается самым распространенным для применения в быту. 

Основными методами определения силы тока при использовании систем приборов на практике являются:

1. Магнитоэлектрический измерительный метод. Его главными положительными качествами выступают довольно чувствительность и точность всех показателей при минимальном энергопотреблении. Вышеуказанный способ используется исключительно при вычислении величины силы постоянного тока.
2. Электромагнитный способ основан на определении силы тока (постоянный и переменный). Для этого используется процесс преобразовании и перехода из электромагнитного поля в сигнал магнитного датчика модуля.
3. Косвенный метод предназначен для определения напряжения при помощи вольтметра.

Чтобы определить показатели и величины малого тока, чаще всего используют миллиамперметры, микроамперметры, а также гальванометры. Подключение аппаратов осуществляется при использовании двух методов:

•  Последовательное подключение проводников;
•  Параллельное подключение цепи.

Определение силы тока, который является потреблением, принято считать не особо важным показателем.  

Иной случай, это измерение напряжения или сопротивления. Однако, без вычисления физической величины силы тока будет невозможно рассчитать потребляемую мощности.