Сила тока равна – Сила тока. Единицы силы тока. Амперметр (Гребенюк Ю.В.). Видеоурок. Физика 8 Класс

Содержание

Сила тока. Единицы силы тока. Амперметр (Гребенюк Ю.В.). Видеоурок. Физика 8 Класс

На данном уроке, тема которого «Сила тока. Единицы силы тока. Амперметр», мы познакомимся с такой характеристикой тока, как сила, поговорим о единицах её измерения, а также о приборе, с помощью которого можно измерять силу тока в цепи, – об амперметре.

На предыдущих уроках мы говорили о токе в металле, также обсудили электрическую цепь и её составные части, говорили о направлении тока. Однако мы не касались такого вопроса, как характеристики, с помощью которых можно описать электрический ток. Наверное, все вы слышали о выражении «скачок напряжения» и наблюдали мигание лампочки. То есть мы понимаем, что электрические токи бывают разными, а как же можно сравнивать электрические токи? Какие характеристики тока позволяют оценивать его величину и другие его параметры? Сегодня мы начнем изучать величины, которые характеризуют электрический ток, и начнем мы с такой характеристики, как сила тока.

Вы уже знаете, что в металлическом стержне достаточно большое количество носителей электрического заряда – электронов. Понятно, когда по стержню не течет электрический ток, эти электроны движутся хаотически, то есть можно считать, что количество электронов, которое проходит через сечение стержня слева направо, приблизительно равно количеству электронов, которое проходит через то самое сечение стрежня справа налево за одно и то же время. Если мы пропускаем по стержню электрический ток, то движение электронов становится упорядоченным и количество электронов, которое проходит через сечение стержня за промежуток времени, существенно возрастает (имеется в виду то количество электронов, которое проходит в одном направлении).

Сила тока – это физическая величина, характеризующая электрический ток и численно равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Силу тока обозначают символом  и определяют по формуле:

, где  – заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время .

Чтобы лучше понять суть введенной величины, давайте обратимся к механической модели электрической цепи. Если рассмотреть водопроводную систему вашей квартиры, то она может оказаться поразительно похожей на электрическую цепь. Действительно, аналогом источника тока выступает насос, который создает давление и поставляет воду в квартиры (см. рис .1).

Водопроводная система

Рис. 1. Водопроводная система

Как только он перестанет работать, исчезнет вода в кранах. Краны выступают в роли ключей электрической цепи: когда кран открыт – вода течет, когда закрыт – нет. В роли заряженных частиц выступают молекулы воды (см. рис. 2).

Движение молекул воды в системе

Рис. 2. Движение молекул воды в системе

Если мы теперь введем величину, аналогичную только что введенной силе тока, то есть количеству молекул воды через сечение трубы за единицу времени, то фактически получим количество воды, проходящей через поперечное сечение трубки за одну секунду – то, что в быту часто называют напором. Соответственно, чем больше напор, тем больше воды вытекает из крана, аналогично: чем больше сила тока, тем сильнее ток и его действие.

Единицей силы тока является ампер: Движение молекул воды в системе. Эта величина названа в честь французского ученого Андре-Мари Ампера. Ампер – одна из единиц интернациональной системы. Зная единицы силы тока, легко получить определение единицы электрического заряда в СИ. Поскольку , то Движение молекул воды в системе.

Следовательно, Движение молекул воды в системе

. То есть 1 Кл – это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока в проводнике 1 А. Кроме ампера, также применяют такие величины, как миллиампер (Движение молекул воды в системе), микроампер (Движение молекул воды в системе), килоампер (Движение молекул воды в системе). Чтобы представлять себе, что такое малая, а что такое большая сила тока, приведем такие данные: для человека считается безопасной сила тока, меньше 1 мА, а сила тока, больше 100 мА, может привести к существенным проблемам со здоровьем.

Некоторые значения силы тока

Чтобы понимать величину такой силы тока, как 1А, давайте рассмотрим следующую таблицу.

Рентгеновский медицинский аппарат (см. рис. 3) – 0,1 А

Рентгеновский медицинский аппарат

Рис. 3. Рентгеновский медицинский аппарат

Лампочка карманного фонаря – 0,1–0,3 А

Переносной магнитофон – 0,3 А

Лампочка в классе – 0,5 А

Мобильный телефон в режиме работы – 0,53 А

Телевизор – 1 А

Стиральная машина – 2 А

Электрический утюг – 3 А

Электродоильная установка – 10 А

Двигатель троллейбуса – 160–220 А

Молния – более 1000 А

Кроме того, рассмотрим эффекты действия тока, которые он оказывает на организм человека, в зависимости от силы тока (в таблице приведена сила тока при частоте 50 Гц и эффект действия тока на человеческий организм).

0–0,5 мА        Отсутствует

0,5–2 мА        Потеря чувствительности

2–10 мА         Боль, мышечные сокращения

10–20 мА       Растущее воздействие на мышцы, некоторые повреждения

16 мА             Ток, выше которого человек уже не может освободиться от электродов

20–100 мА     Дыхательный паралич

100 мА – 3 А Смертельные желудочковые фибрилляции (необходима срочная реанимация)

Более 3 А       Остановка сердца, тяжелые ожоги (если шок был кратким, то сердце можно реанимировать)

Вместе с тем большинство приборов рассчитано на значительно большее значение силы тока, поэтому при работе с ними очень важно соблюдать некоторые правила. Остановимся на главных моментах, которые нужно помнить всем, кто имеет дело с электричеством.

Нельзя:

1) Прикасаться к обнаженному проводу, особенно стоя на земле, сыром полу и т.п.

2) Пользоваться неисправными электротехническими устройствами.

Собирать, исправлять, разбирать электротехнические устройства, не отсоединив их от источника тока.

Для измерения силы тока используется прибор – амперметр. Он обозначается буквой А в кружочке при схематическом изображении в электрической цепи. Как и любой прибор, амперметр не должен влиять на значение измеряемой величины, поэтому он сконструирован таким образом, чтобы практически не менять значение силы тока в цепи.

Правила, которые необходимо соблюдать при измерении силы тока амперметром

1) Амперметр включают в цепь последовательно с тем проводником, в котором необходимо измерять силу тока (см. рис. 4).

2) Клемму амперметра, возле которой стоит знак +, нужно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока; клемму со знаком минус – с проводом, идущим от отрицательного  полюса источника тока (см. рис. 5).

3) Нельзя подключать амперметр к цепи, где отсутствует потребитель тока (см. рис. 6).

Последовательное соединение амперметра

Рис. 4. Последовательное соединение амперметра

Правильно соединена клемма +

Рис. 5. Правильно соединена клемма +

Неверно подключенный амперметр

Рис. 6. Неверно подключенный амперметр

Давайте посмотрим на работу амперметра вживую. Перед нами электрическая цепь, которая состоит из источника тока, амперметра, который соединен последовательно, и лампочки, которая также соединена последовательно (см. рис. 7).

Электрическая цепь

Рис. 7. Электрическая цепь

Если сейчас включим источник тока, то сможем пронаблюдать, какая сила в цепи с помощью амперметра. Вначале он указывает 0 (то есть тока в цепи нет), а теперь видим, что сила тока стала почти 0,2 А (см. рис. 8).

Протекание тока в цепи

Рис. 8. Протекание тока в цепи

Если мы изменим ток в цепи, увидим, что сила тока увеличится (станет примерно 0,26 А), и при этом лампочка загорится ярче (см. рис .9), то есть, чем больше сила тока в цепи, тем ярче лампочка горит.

Сила тока в цепи больше – лампочка горит ярче

Рис. 9. Сила тока в цепи больше – лампочка горит ярче

Виды амперметров

Распространение получили амперметры электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, тепловые и индукционные.

В электромагнитных амперметрах (см. рис. 10) измеряемый ток, проходя по катушке, втягивает внутрь ее сердечник из мягкого железа с силой, возрастающей с увеличением силы тока; при этом насаженная на одной оси с сердечником стрелка поворачивается и по градуированной шкале указывает силу тока в амперах.

Электромагнитный амперметр

Рис. 10. Электромагнитный амперметр

В тепловых амперметрах (см. рис. 11) измеряемый ток пропускается по натянутой металлической нити, которая вследствие нагревания током удлиняется и провисает, поворачивая при этом стрелку, указывающую на шкале силу тока.

Тепловой амперметр

Рис. 11. Тепловой амперметр

В магнитоэлектрическом амперметре (см. рис. 12) под влиянием взаимодействия измеряемого тока, пропускаемого по проволоке, намотанной на легкую алюминиевую рамку, и магнитного поля постоянного подковообразного магнита рамка вместе с указательной стрелкой поворачивается на больший или меньший угол в зависимости от величины силы тока.

Магнитоэлектрический амперметр

Рис. 12. Магнитоэлектрический амперметр

В электродинамических амперметрах (без железа) (см. рис. 13) измеряемый ток пропускается последовательно по обмотке неподвижной и подвижной катушек; последняя благодаря взаимодействию проходящего по ней тока с током в неподвижной катушке поворачивается вместе со стрелкой, указывающей силу тока.

Электродинамический амперметр

Рис. 13. Электродинамический амперметр

В индукционных приборах (см. рис. 14) подвижный металлический диск или цилиндр подвергается воздействию бегущего или вращающегося поля, создаваемого неподвижными катушками, соединенными магнитной системой.

Индукционный амперметр

Рис. 14. Индукционный амперметр

Тепловые и электродинамические амперметры пригодны для измерения как постоянного, так и переменного токов, электромагнитные – для постоянного тока и индукционные – для переменного

Решение задач

Рассмотрим решение нескольких типовых задач по данной теме.

Задача 1

Сколько электронов каждую секунду проходит через поперечное сечение проводника, если по нему течёт ток 0,32 А?

Решение

Мы знаем не только силу тока I = 0,32 A, время t = 1 c, но и заряд одного электрона: Индукционный амперметр.

Воспользуемся определением силы тока: Индукционный амперметр, а заряд, который проходит за единицу времени по модулю, равен сумме модулей зарядов электронов, которые проходят через сечение за 1 с. Получаем Индукционный амперметр. Откуда Индукционный амперметр.

Проверяем единицы искомой величины: Индукционный амперметр.

Индукционный амперметр

Ответ: Индукционный амперметр.

Задача 2

Почему амперметр, который показывает силу тока, идущего через провод, которым аккумулятор автомобиля соединяется с бортовой электрической сетью, имеет на шкале и положительные, и отрицательные значения?

Решение

Дело в том, что в автомобильном аккумуляторе происходят два процесса: иногда он заряжается (см. рис. 15), то есть получает заряд (заряды движутся в одну сторону), а иногда – питает бортовую сеть, то есть отдаёт заряд (соответственно, заряды движутся в другую сторону) (см. рис. 16). В этих двух случаях сила тока будет отличаться знаком.

Индукционный амперметр

Рис. 15. Зарядка аккумулятора

Разрядка аккумулятора

Рис. 16. Разрядка аккумулятора

Задача 3

В проводнике в каждом кубическом сантиметре содержится Разрядка аккумулятора свободных электронов. С какой средней скоростью электроны упорядоченно двигаются по проводнику, если сила тока в нём 8 А? Площадь поперечного сечения проводника составляет 1 мм2.

Решение

Мы знаем силу тока I = 8 A, площадь сечения Разрядка аккумулятора, заряд одного электрона Индукционный амперметр, объём Разрядка аккумулятора и количество электронов в этом объёме Разрядка аккумулятора. Найти необходимо скорость Разрядка аккумулятора.

Рассмотрим кубический сантиметр проводника. В нём содержится известное количество свободных электронов. Что такое средняя скорость их движения? Разрядка аккумулятора. Как определить расстояние?

Для начала воспользуемся определением силы тока: Индукционный амперметр, а заряд, который проходит за единицу времени, по модулю равен сумме модулей зарядов электронов, которые проходят через сечение за время. Получаем Разрядка аккумулятора. Откуда Разрядка аккумулятора– количество электронов, которые прошли через сечение проводника за единицу времени. Из несложной пропорции определяем объём, который занимают эти электроны: Разрядка аккумулятора, откуда Разрядка аккумулятора.

Теперь найти расстояние, пройденное электронами, несложно: если весь этот объём прошёл через сечение, то длина пути каждого электрона равна: Разрядка аккумулятора.

Получаем итоговую формулу: Разрядка аккумулятора.

Проверяем единицы измерения: Разрядка аккумулятора.

Разрядка аккумулятора

Ответ: Разрядка аккумулятора

На следующем уроке мы поговорим о еще одной характеристике тока – напряжении. На этом наш урок окончен, спасибо за внимание!

 

Домашнее задание

  1. Что такое сила тока? В чем она измеряется в СИ?
  2. Как в цепь подключают амперметр?
  3. Какие виды амперметров вы знаете? Опишите принцип их работы.

 

Список рекомендованной литературы

  1. Соколович Ю.А., Богданова Г.С Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
  2. Перышкин А.В. Физика:  Учебник 8 класс. — Издательство: М.: 2013. – 240 с.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Интернет-портал Class-fizika.narod.ru (Источник).
  2. Интернет-портал Yaklass.ru (Источник).

interneturok.ru

Сила тока — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Сила тока — физическая величина I{\displaystyle I}, равная отношению количества заряда ΔQ{\displaystyle \Delta Q}, прошедшего через некоторую поверхность за время Δt{\displaystyle \Delta t}, к величине этого промежутка времени[1]:

I=ΔQΔt.{\displaystyle I={\frac {\Delta Q}{\Delta t}}.}

В качестве рассматриваемой поверхности часто используется поперечное сечение проводника.

Обычно обозначается символом I{\displaystyle I}, от фр. intensité du courant.

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (русское обозначение: А; международное: A), ампер является одной из семи основных единиц СИ. 1 А = 1 Кл/с.

По закону Ома сила тока I{\displaystyle I} для участка цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению U{\displaystyle U} к участку цепи и обратно пропорциональна сопротивлению R{\displaystyle R} проводника этого участка цепи:

I=UR.{\displaystyle I={\frac {U}{R}}.}

По закону Ома для полной цепи

I=εR+r{\displaystyle I={\frac {\varepsilon }{R+r}}}

Носителями заряда, движение которых приводит к возникновению тока, являются заряженные частицы, в роли которых обычно выступают электроны, ионы или дырки. Сила тока зависит от заряда q{\displaystyle q} этих частиц, их концентрации n{\displaystyle n}, средней скорости упорядоченного движения частиц vcp→{\displaystyle {\vec {v_{cp}}}}, а также площади S{\displaystyle S} и формы поверхности, через которую течёт ток.

Если n{\displaystyle n} и vcp→{\displaystyle {\vec {v_{cp}}}} постоянны по объёму проводника, а интересующая поверхность плоская, то выражение для силы тока можно представить в виде

I=qnvcpcos⁡αS,{\displaystyle I=qnv_{cp}\cos \alpha S,}

где α{\displaystyle \alpha } — угол между скоростью частиц и вектором нормали к поверхности.

В более общем случае, когда сформулированные выше ограничения не выполняются, аналогичное выражение можно записать только для силы тока dI{\displaystyle dI}, протекающего через малый элемент поверхности площадью dS{\displaystyle dS}:

dI=qnvcpcos⁡αdS.{\displaystyle dI=qnv_{cp}\cos \alpha dS.}

Тогда выражение для силы тока, протекающего через всю поверхность, записывается в виде интеграла по поверхности

I=∫Sqnvcpcos⁡αdS.{\displaystyle I=\int \limits _{S}qnv_{cp}\cos \alpha dS.}

В металлах заряд переносят электроны, соответственно в этом случае выражение для силы тока имеет вид

I=∫Senvcpcos⁡αdS.{\displaystyle I=\int \limits _{S}env_{cp}\cos \alpha dS.}

где e{\displaystyle e} — элементарный электрический заряд.

Вектор qnvcp→{\displaystyle qn{\vec {v_{cp}}}} называют плотностью электрического тока. Как следует из сказанного выше, его величина равна силе тока, протекающей через малый элемент поверхности единичной площади, расположенный перпендикулярно скорости vcp→{\displaystyle {\vec {v_{cp}}}}, а направление совпадает с направлением упорядоченного движения заряженных частиц[2].

Для измерения силы тока используют специальный прибор — амперметр (для приборов, предназначенных для измерения малых токов, также используются названия миллиамперметр, микроамперметр, гальванометр). Его включают в разрыв цепи в том месте, где нужно измерить силу тока. Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении).

В случае переменного тока различают мгновенную силу тока, амплитудную (пиковую) силу тока и эффективную силу тока (равную силе постоянного тока, который выделяет такую же мощность).

Примечания

Литература

wikipedia.green

Сила тока — это… Что такое Сила тока?

Основная статья: Сила тока

Силой тока называется физическая величина , равная отношению количества заряда , прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени.

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах.

По закону Ома сила тока для участка цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению к участку цепи и обратно пропорциональна сопротивлению проводника этого участка цепи :


 — где e — заряд электрона, n — концентрация частиц, S — площадь поперечного сечения проводника,  — средняя скорость упорядоченного движения электронов.


Единица измерения в СИ — 1 Ампер (А) = 1 Кулон / секунду.

Для измерения силы тока используют специальный прибор — амперметр (для приборов, предназначенных для измерения малых токов, также используются названия миллиамперметр, микроамперметр, гальванометр). Его включают в разрыв цепи в том месте, где нужно измерить силу тока. Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении).

В случае переменного тока различают мгновенную силу тока, амплитудную (пиковую) силу тока и эффективную силу тока (равную силе постоянного тока, который выделяет такую же мощность).

Литература

  • Б. М. Ярославский, Справочник по физике — М.,»Наука»

См. также

dic.academic.ru

Сила тока | Практическая электроника

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, для того чтобы совершать полезную или бесполезную работу. Главное, чтобы что-то делать.  Наше тело тоже обладает силой. У кого-то сила такая, что может одним ударом разбить кирпич в пух и в прах, другой не сможет поднять даже и ложку. Так вот, дорогие мои читатели,  электрический ток тоже обладает силой.

Представьте себе шланг, с которым вы поливаете свой огород.

дети поливают огород

Пусть шланг  – это провод, а вода в нем – электрический ток. Мы чуть-чуть приоткрыли краник и вода 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.

А теперь представьте, что вы наполняете ведро. Напором воды из краника или шланга вы его быстрее наполните? Диаметр шланга и краника при этом одинаковы

Сила токаСила тока

Разумеется, напором из желтого шланга! Но почему так происходит? Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из краника и желтого шланга выйдет тоже разный. Или иными словами, из шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из краника за одно и то же время.

Что такое сила тока

С проводами точно такая же история). То есть за равный промежуток времени количество электронов, бегущих по проводу может быть абсолютно разное. Отсюда можно вывести определение силы тока.

Итак, сила тока – это количество электронов, проходящих через  площадь поперечного сечения проводника за единицу времени, ну скажем, за секунду. Ниже на рисунке заштрихована зелеными линиями та самая площадь поперечного сечения провода, через который бежит электрический ток.

площадь поперечного сечения проводника

И чем бОльшее количество электронов “пробежит” по проводу через поперечное сечение проводника за какое-то время, тем больше будет сила тока в проводнике.

Или иначе формулой для чайника:

формула сила тока

где

I – собственно сила тока

N – количество электронов

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

Сила тока измеряется в так называемых Амперах, в честь французского ученого Андре-Мари Ампера.

Имейте также ввиду, что каждый отдельно взятый шланг выдерживает только определенный максимальный поток воды, иначе он или где-то продырявиться от такого напора, либо его просто разнесет по кускам. Так же и с проводами. Мы должны знать, какой максимальный ток мы можем прогонять через этот провод. Например, для медного провода сечением в 1ммнормальное значение составляет 10 Ампер. Если мы будем подавать больше, то провод либо начнет греться, либо плавиться. На этом принципе завязаны плавкие предохранители. 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.

Также про силу тока можете прочитать в более информативной статье.

www.ruselectronic.com

16. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока

Электрический ток — направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля.

Сила тока (I) — скалярная величина, равная отношению заряда (q), прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени (t), в течение которого шёл ток.

I=q/t, где I— сила тока, q — заряд, t — время.

Единица измерения силы тока в системе СИ: [I]=1A (ампер)

17. Источники тока. Эдс источника

Источник тока — это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

ЭДС — энергетическая характеристика источника. Это физическая величина, равная отношению работы, совершенной сторонни­ми силами при перемещении электрического заряда по замкнутой цепи, к этому заряду:

Измеряется в вольтах (В).

Источник ЭДС — двухполюсник, напряжение на зажимах которого не зависит от тока, протекающего через источник и равно его ЭДС. ЭДС источника может быть задана либо постоянным, либо как функция времени, либо как функция от внешнего управляющего воздействия.

18. Закон Ома: сила тока, текущего по однородному участку проводника, прямо пропорциональна падению напряжения на проводнике:

-закон Ома в интегральной форме R – электрическое сопротивление проводника

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью. Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью: Единица, обратная Ом, называется Сименсом [См].

закон Ома в дифференциальной форме.

19. Обобщенный закон Ома

Обобщенный закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участке цепи постоянного тока, содержащем резистор и идеальный источник ЭДС (рис.1.2):

;

Формула справедлива для указанных на рис.1.2 положительных направлений падения напряжения на участке цепи (Uab), идеального источника ЭДС (Е) и положительного направления тока (I).

Закон Джоуля-Ленца

Выражение закона Джоуля — Ленца

Интегральная форма закона

Словесное определение закона Джоуля — Ленца

Если принять, что сила тока и сопротивление проводника не меняется в течение времени, то закон Джоуля — Ленца можно записать в упрощенном виде:

Применив закон Ома и алгебраические преобразования, получаем приведенные ниже эквивалентные формулы:

Эквивалентные выражения теплоты согласно закона Ома

Словесное определение закона Джоуля — Ленца

Если принять, что сила тока и сопротивление проводника не меняется в течение времени, то закон Джоуля — Ленца можно записать в упрощенном виде:

20.Магни́тное по́ле— силовое поле, действующее на движущиесяэлектрические заряды и на тела, обладающиемагнитным моментом, независимо от состояния ихдвижения; магнитная составляющаяэлектромагнитного поля

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/илимагнитными моментамиэлектроноватомах (и магнитными моментами другихчастиц, что обычно проявляется в существенно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно возникает в результате изменения во времени электрического поля.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции(вектор индукции магнитного поля). С математической точки зрения— векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).

Ещё одной фундаментальной характеристикой магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал.

Вместе, магнитное и электрическоеполя образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности свети все другие электромагнитные волны.

Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам)

Графическое изображение магнитных полей

img48_4

Для графического изображения магнитных полей используются линии магнитной индукции. Линия магнитной индукции –это линия, в каждой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.

studfile.net

физические формулы, использующие мощность и напряжение

Как рассчитать мощность, силу тока и напряжениеПри выборе какого-либо электрического оборудования одним из важных параметров, на который обращается внимание, является мощность изделия. Этот параметр неразрывно связан с силой тока и напряжением. Чтобы рассчитать силу тока, напряжение или мощность в электрической цепи, используются несложные формулы. Но чтобы осмысленно проводить такие вычисления, желательно понимать физическую природу возникновения этих величин.

Физическое понятие величин

Параметры электрической цепиЛюбая электрическая цепь характеризуется рядом параметров. Наиболее важными из них являются сила тока, напряжение, мощность и сопротивление. Эти характеристики связаны между собой и зависят друг от друга. Явление, объединяющее их, называется электричеством.

Это понятие было введено ещё в 1600 году английским физиком Уильямом Гилбертом, изучающим магнитные и электрические явления. Исследуя магнетизм в природе, учёный установил, что некоторые тела при трении начинают обладать силой притяжения по отношению к другим предметам, в частности, к янтарю. Поэтому он и назвал открытое явление ēlectricus, что в переводе с латинского обозначает «янтарный».

Продолжая его исследования, немецкий физик Отто фон Герике в 1663 году изобрёл электрическую машину, которая представляла собой металлический стержень с одетым на него серным шаром. В результате он выяснил, что материалы могут не только притягивать вещества, но и отталкивать. Но только через восемьдесят лет американец Бенджамин Франклин создал теорию электричества, введя такие термины, как отрицательный и положительный заряд.

Дальнейшее развитие электричество получило после опытов Шарля Кулона и открытия им закона взаимодействия зарядов. Заключался он в следующем: сила влияния двух точечных зарядов друг на друга в вакууме прямо пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна расстоянию между ними в квадрате. После этого благодаря экспериментам таких учёных, как Джоуль, Ленц, Ом, Ампер, Фарадей, Максвелл были введены понятия ток, напряжение и электромагнетизм.

Так, в 1897 году англичанин Джозеф Томсон установил, что носителями зарядов являются электроны. Ранее, в 1880 году, электротехник из России Дмитрий Лачинов сформулировал необходимые условия для передачи электричества на расстояния.

Определения электричестваПосле этих открытий были выработаны фундаментальные определения электричества. Сегодня под ним понимаются свойства материалов образовывать вокруг себя электрическое поле, оказывающее воздействие на располагающиеся рядом другие заряженные частицы. Заряды условно принято разделять на положительные и отрицательные. При их перемещении возникает магнитное поле, при этом одинакового знака заряды притягиваются, а разного — отталкиваются.

Сила тока

Ток — это упорядоченное движение носителей заряда, происходящее под влиянием электрического поля. В качестве положительно заряженных частиц выступают электроны, а отрицательных — дырки. Математически это явление описывается с помощью формулы I = Q*T, где I — ток проводимости (А), Q — заряд частицы (Кл), T — время ©.

Сила токаТо есть электрическим током называется количество зарядов, прошедших через поперечное сечение вещества. Но эта формулировка верна только для тока постоянной величины, в то время как для изменяемого во времени она будет выглядеть I (T) = dQ/dT.

Плотность движения носителей заряда в материале, то есть количество электричества, проходящего за условно принятое время, называется силой тока. Согласно Международной системе (СИ) его единицей измерения является ампер. Один ампер равен перемещению электрического заряда, равного одному кулону, через поперечное сечение за одну секунду.

Носители заряда могут двигаться как упорядоченно, так и хаотично. При их движении возникает электрическое поле, обозначаемое латинской буквой E. Значение, определяющееся отношением тока к поперечному сечению проводника, называется плотностью тока. За единицу её измерения принимается А/мм2.

По своему виду ток различают на следующие типы:

  1. Переноса. Характеризуется движением зарядов, осуществляемым в свободном пространстве. Этот тип характерен для газоразрядных приборов.
  2. Смещения. Возникает в диэлектриках и определяется упорядоченным перемещением связанных заряженных частиц.
  3. Полный. Определяется суммарным значением тока: проводимости, переноса и смещения.
  4. Постоянный. Это такой вид, который может изменять величину, но не изменяет направление движения, то есть свой знак.
  5. Переменный. Такого вида ток может изменяться как по величине, так и по направлению (знаку).

Переменный вид разделяется по форме и может быть синусоидальным и несинусоидальным. Для расчёта силы тока синусоидальной формы используется формула Is = Ia*sin ωt, где Ia — максимальное значение тока (A), ω — угловая скорость, равная 2πf (Гц).

Физические тела, в которых возможно протекание тока, называют проводниками, а в тех, где возникают препятствия его прохождению — диэлектриками. Промежуточное состояние между ними занимают полупроводники.

Разность потенциалов

Напряжением принято называть физическую величину, характеризующую электрическое поле. Она показывает, какую работу понадобится совершить полю для того, чтобы переместить единичный заряд из одной точки в другую. При этом принимается, что этот перенос не влияет на распределение зарядов в источнике поля. Согласно Международной системе единиц напряжение измеряется в вольтах.

Разность потенциаловРабота по переносу складывается из двух величин — электрических и сторонних. Если сторонние силы не действуют, то напряжение на участке цепи равно разности потенциалов и вычисляется по формуле U = φ1-φ2. При этом потенциал определяется отношением напряжённости электрического поля к заряду. Для его расчёта используют формулу φ = W/q.

Другими словами, это характеристика поля в определённой точке, не зависящей от величины заряда, находящегося в нём. То есть напряжение в общем случае определяется работой электростатического поля, возникающего при движении заряда вдоль его силовых линий. Математически его можно рассчитать по формуле U = A/q, где А — совершаемая работа по перемещению (Дж), q — энергия заряда (Кл).

Применительно к сети переменного тока для напряжения используются следующие понятия:

  1. Мгновенное. Это значение физической величины, измеренное в конкретный момент времени: U = U (t). Для синусоидального сигнала мгновенное напряжение находится с помощью выражения U (t) = Ua sin (ὤt + φ).
  2. Амплитудное. Характеризуется наибольшей величиной мгновенного значения без учёта знака: Ua = max (U (t)).
  3. Среднее. Определяется за полный период сигнала по формуле Us = 1/T ʃ U (t)*dt. Для синусоидальной формы это значение равно нулю.

Проводя расчёт напряжения, редко используется понятие электрического потенциала. Связано это с тем, что условно принято за одну из точек потенциала принимать землю.

Это значение берётся равным нулю, а все остальные потенциалы считаются относительно неё. Говоря, что напряжение в определённой точке составляет 300 вольт, имеется в виду разность потенциалов между этой точкой и землёй, равная этому значению.

Электрическая мощность

Характеристики электрического поляЭлектрическая мощность характеризует скорость передачи электрической энергии или её преобразование. Единицей её измерения является ватт. Для того чтобы посчитать мощность на определённом участке цепи, необходимо перемножить значение напряжения и силы тока на этом участке. Исходя из определения электрического напряжения, можно сказать, что заряд при движении совершает работу, численно равную ей на участке цепи. Если же умножить работу на количество зарядов, то можно найти общее значение работы, которую совершили заряды на этом участке.

Исходя из физического определения, что мощность — это работа за единицу времени, получается выражение P = A/Δt, где A — работа, совершаемая зарядом при перемещении от начальной точки к конечной (Дж), Δt — время, затраченное на полное перемещение заряда ©.

Для всех зарядов в цепи мощность можно найти благодаря формуле P = (U/ Δt) * Q, где Q — общее число зарядов.

Так как ток представляет собой заряд, протекающий в единицу времени (I = Q/ Δt), то получается, что мощность равна произведению тока на напряжение, то есть P = U*I (Вт).

В цепи с постоянным током его сила и напряжение всегда имеют постоянное значение в определённой точке, поэтому для любого момента времени мощность можно вычислить по формуле P = I*U = I2*R = U2/R, где R — сопротивление прохождению тока в электрической цепи (Ом). Если же в этой сети находится источник электродвижущей силы, то мощность находится как P = I*E+ I2*r, где Е — электродвижущая сила или ЭДС (В), r — внутреннее сопротивление источника ЭДС (Ом).

Для цепи, в которой её параметры изменяются по какому-то циклу, мощность в определённой точке интегрируется по времени. При этом существуют следующие виды мощности:

  1. Электрическая мощностьАктивная. Для её нахождения используется расчёт, учитывающий угол сдвига фаз φ. Находится согласно формуле P = U*I*cos φ.
  2. Реактивная. Характеризуется нагрузками, создаваемыми электрическими устройствами в виде колебаний энергии электромагнитного поля. Её вычисление осуществляется по формуле P = U*I*sin φ.
  3. Полная. Определяется произведением действующих значений тока и напряжения, связана с другими видами мощности выражением S= √(P 2 +Q 2).

Закон Ома для цепи

Проводя расчёты мощности по напряжению и току на практике, часто используют закон Ома. Он устанавливает связь между током, сопротивлением и напряжением. Этот закон был открыт путём проведения Симоном Омом ряда экспериментов и сформулирован им в 1826 году. Он выяснил, что величина тока на участке цепи прямо пропорциональна разности потенциалов и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

Закон Ома можно записать в следующем виде: I = U/R, где I — значение силы тока (А), U — разность потенциалов (В), R — сопротивление цепи прохождению тока (Ом).

Для полной же цепи эту формулу можно записать так: I = E/(R+ r0), где E — ЭДС источника питания (В), r0 — внутреннее сопротивление источника напряжения (Ом).

Таким образом, для участка цепи будет справедливо выражение P = U2/R = I2R, а для полной цепи — P = (E/(R+ R0))2*R. Именно эти две формулы и используются чаще всего для расчётов электрических сетей или мощности необходимого оборудования.

Различные компоненты электрической сети в определённый момент времени потребляют разную величину тока. Поэтому очень важно правильно рассчитать, какое количество энергии подводится в тот или иной момент в определённое место цепи, чтобы не допустить перегрузок на линии и возникновения аварийных ситуаций.

Этим и занимаются разработчики схем, упрощая их до состояния, когда можно рассчитать необходимую мощность, используя закон Ома.

Практический расчёт

Закон Ома для электрической цепиНапример, пусть понадобится узнать, на какой ток необходимо приобрести устанавливаемый на участок цепи автоматический выключатель. При этом известно, что в линию, на которой он будет установлен, одновременно будут включаться холодильник с максимальной мощностью потребления энергии один киловатт, бойлер (два киловатта) и люстра, потребляющая 90 ватт. В месте установки используется однофазная сеть, рассчитанная на рабочее напряжение 220 вольт.

На первом этапе расчёта понадобится суммировать всю мощность подключаемых к линии электроприборов. Так, P общ. = 1000 + 2000 + 90 +220 = 3310 Вт. Используя формулу P = I*U, находится необходимое значение тока: I = P/U = 3310/220 = 15,04 А.

Из стандартного ряда выключателей наиболее близкое значение имеет автомат на 16 А. Поскольку необходимо покупать устройство защиты с небольшим запасом, то для рассматриваемого примера подойдёт выключатель, рассчитанный на 20 ампер.

Благодаря таким вычислениям можно рассчитать любой параметр электрической цепи, но это при учёте достаточного количества вводных данных.

220v.guru

Формула силы тока в физике

Определение и формула силы тока

Определение

Электрическим током называют упорядоченное движение носителей зарядов. В металлах таковыми являются электроны, отрицательно заряженные частицы с зарядом, равным элементарному заряду. Направлением тока считают направление движения положительно заряженных частиц.

Силой тока (током) через некоторую поверхность S называют скалярную физическую величину, которую обозначают I, равную:

где q – заряд, проходящий сквозь поверхность S, t – время прохождения заряда. Выражение (1) определяет величину силы тока в момент времени t (мгновенное значение величины силы тока).

Некоторые виды силы тока

Ток носит название постоянного, если его сила и направление с течением времени не изменяются, тогда:

Формула (2) показывает, что сила постоянного тока равна заряду, который проходит сквозь поверхность S в единицу времени.

Если ток является переменным, то выделяют мгновенную силу тока (1), амплитудную силу тока и эффективную силу тока. Эффективной величиной силы переменного тока (Ieff) называют такую силу постоянного тока, которая выполнит работу равную работе переменного тока в течение одного периода (T):

Если переменный ток можно представить как синусоидальный:

то Im – амплитуда силы тока ( – частота силы переменного тока).

Плотность тока

Распределение электрического тока по сечению проводника характеризуют при помощи вектора плотности тока (). При этом:

где – угол между векторами и ( – нормаль к элементу поверхности dS), jn – проекция вектора плотности тока на направление нормали ().

Сила тока в проводнике определяется при помощи формулы:

где интегрирование в выражении (6) проводится по всему поперечному сечению проводника S

Для постоянного тока имеем:

Если рассматривать два проводника с сечениями S1 и S2 и постоянными токами, то выполняется соотношение:

Сила тока в соединениях проводников

При последовательном соединении проводников сила тока в каждо

www.webmath.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о