Понятие о силе тока является основой современной электротехники. Без этих базовых знаний невозможно сделать расчеты к схемам, выполнить действия по электрике, предотвратить, выявить и устранить повреждение в цепи.
Как возникает
Для понимания, что такое сила тока, следует знать условие его возникновения – существование частиц со свободным зарядом. Он перемещается через проводник (его поперечное сечение) от одной точки к другой. Физика силы тока заключается в упорядоченном движении электронов, на которые действует электрическое поле от источника питания. Чем большее количество заряженных частиц переносится, и чем быстрее их передвижение в одном направлении, тем больший заряд дойдет до места назначения.
Помимо источника питания, элементами замкнутой цепи являются соединительные провода, по которым проходит электричество, и потребители энергии (установки, резисторы).
Дополнительная информация. В проводниках из металла в роли передатчика зарядов выступают электроны, газообразных – ионы, жидких – перенесение заряженных частиц выполняется с помощью обоих видов частиц. Нарушение порядка прохождения говорит о хаотичном движении зарядов, цепь при котором станет обесточенной.
Определение
Сила тока в проводнике – это количество электричества, перемещаемое через поперечное сечение за единичный интервал времени. Чтобы увеличить данное значение, нужно изъять из схемы лампу либо повысить магнитное поле, создаваемое батарейкой.
Единицей измерения силы электрического тока по международной системе СИ (Systеme International) считается ампер (А), названный по фамилии выдающегося французского научного деятеля XIX века Андре-Мари Ампера.
Дополнительная информация. Ампер – достаточно внушительная электрическая мера. Для жизни человека представляет смертельную опасность токовая величина до 0,1A. Горящая бытовая лампочка на 100 Вт пропускает электричество примерно в 0,5 А. В комнатном обогревателе это значение доходит до 10 А, портативному калькулятору будет достаточной одна тысячная доля ампера.
В электротехнической практике замеры малых величин могут выражаться в микро,- и миллиамперах.
Силу тока находят измерительным приспособлением (ампер,- или гальванометром), последовательно включая его в нужный участок цепи. Малые величины измеряют микро,- или миллиамперметром. Основными методами нахождения количества электричества при помощи приборов являются:
- Магнитоэлектрический – при неизменной токовой величине. Такой способ отличают повышенная точность и малое потребление энергии;
- Электромагнитный – для стационарных и изменяющихся величин. При использовании этого метода сила тока в цепи находится в результате преобразования магнитного поля в выходной сигнал модуляционного датчика;
- Косвенный – основан на замере напряжения при известном сопротивлении. Далее вычисляют искомую величину по закону Ома, показанному ниже.
Согласно определению, силу тока (I ) можно найти по формуле:
I = q/t, где:
- q – заряд, идущий поперек проводника (Кл);
- t – длительность времени, затраченного на перемещение частиц (с).
Формула силы тока читается следующим образом: необходимая величина I – это отношение прошедшего через проводник заряда к используемому отрезку времени.
Обратите внимание! Сила тока определяется не только через заряд, но и расчетными формулами на основе закона Ома, который гласит: сила электричества прямо пропорциональна напряжению проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению.
Формула закона Ома поможет найти силу тока, которая выглядит отношением:
I = U / R, здесь:
- U – напряжение (В);
- R – сопротивление (Ом).
Эта установленная связь физических величин используется для различных расчетов:
- учитывающих характеристики источника питания;
- для вычислений в цепях токов любого направления;
- для многофазных цепей.
Обратите внимание! Если проводники соединяются последовательным способом, то электричество каждого из них равно. Параллельное соединение предусматривает количество амперов, которое складывается из суммы токовых значений каждого проводника.
Как найти мощность (скорость передачи или преобразования энергии) с помощью токового значения? Для этого нужно воспользоваться формулой:
Р = U*I, где умножаемые значения упоминались выше.
Виды
При постоянном и переменном электричестве его сила бывает разного характера. Для цепи с движением частиц в постоянном направлении все параметры остаются неизменными. Переменный вид способен менять свою величину при одном и том же или меняющемся направлении. Количество электричества при этом бывает:
- мгновенным, зависящим от амплитудной величины и частоты колебаний, связанной с угловой частотой;
- амплитудным – максимальным значением мгновенной силы тока за определенный период;
- эффективным – при превращении энергии количество теплоты от обоих видов тока одинаково.
Электросети бытового назначения пропускают переменный ток, преобразующийся в постоянный при прохождении через блок питания электроприбора (компьютера, телевизора).
Величина силы тока – понятие, тесно связанное с электрической энергией, имеющей огромное значение для сферы быта, народного хозяйства, объектов стратегического назначения. Более того, электроэнергетика является экономической основой государства и определяющим вектором развития внутри страны и на международном уровне.
Видео
В проводниках часть валентных электронов не связана с определенными атомами и может свободно перемещаться по всему его объему. В отсутствие приложенного к проводнику электрического поля такие свободные электроны - электроны проводимости - движутся хаотично, часто сталкиваясь с ионами и атомами, и изменяя при этом энергию и направление своего движения. Через любое сечение проводника в одну сторону проходит столько же электронов, сколько и в противоположную. Поэтому результирующего переноса электронов через такое сечение нет, и электрический ток равен нулю. Если же к концам проводника приложить разность потенциалов, то под действием сил электрического поля свободные заряды в проводнике начнут двигаться из области большего потенциала в область меньшего - возникнет электрический ток. Исторически сложилось так, что за направление тока принимают направление движение положительных зарядов, которое соответствует их переходу от большего потенциала к меньшему.
Электрический ток характеризуется силой тока I (рис. 4.1).
|
Сила тока есть скалярная величина, численно равная заряду переносимому через поперечное сечение проводника в единицу времени |
Рис. 4.1. Сила тока в проводнике
Согласно (4.1), сила тока в проводнике равна отношению заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время к этому времени.
Замечание: В общем случае сила тока через некоторую поверхность равна потоку заряда через эту поверхность.
Если сила тока с течением времени не изменяется, то есть за любые равные промежутки времени через любое сечение проводника проходят одинаковые заряды, то такой ток называется постоянным , и тогда заряд, протекший за время t , может быть найден как (рис. 4.2)
Рис. 4.2. Постоянный ток, протекающий через разные сечения проводника
С учетом определения силы тока плотность тока через данное сечение может быть выражена через силу тока , протекающего через это сечение
При равномерном распределении потока зарядов по всей площади сечения проводника плотность тока равна
|
|
Уравнение (4.1) связывает единицы измерения силы тока и заряда
Это очень малая величина, поэтому на практике обычно имеют дело с более крупными единицами, например
Плотность тока можно выразить через объемную плотность зарядов и скорость их движения v (рис. 4.3).
Рис. 4.3. К связи плотности тока j с объемной плотностью зарядов и дрейфовой скоростью v носителей заряда. За время dt через площадку S пройдут все заряды из объема dV = vdt S
Полный заряд, проходящий за время dt через некоторую поверхность S , перпендикулярную вектору скорости v , равен
|
|
Так как dq /(Sdt ) есть модуль плотности тока j , можно записать
Поскольку скорость v есть векторная величина, то и плотность тока также удобно считать векторной величиной, следовательно
Здесь плотность заряда, скорость направленного движения носителей заряда.
Замечание: Для общности использован индекс , так как носителями заряда, способными участвовать в создании тока проводимости, могут быть не только электроны, но, например, протоны в пучке, полученном из ускорителя или многозарядные ионы в плазме, или так называемые «дырки» в полупроводниках «р » типа, короче, любые заряженные частицы, способные перемещаться под воздействием внешних силовых полей.
Кроме того, удобно выразить плотность заряда через число носителей заряда в единице объема - (концентрацию носителей заряда) . В итоге получаем:
Следует подчеркнуть, что плотность тока, в отличие от силы тока - дифференциальная векторная величина. Зная плотность тока, мы знаем распределение течения заряда по проводнику. Силу тока всегда можно вычислить по его плотности. Соотношение (4.4) может быть «обращено»: если взять бесконечно малый элемент площади , то сила тока через него определится как . Соответственно, силу тока через любую поверхность S можно найти интегрированием
Что же понимать под скоростью заряда v , если таких зарядов - множество, и они заведомо не движутся все одинаково? В отсутствие внешнего электрического поля, скорости теплового движения носителей тока распределены хаотично, подчиняясь общим закономерностям статистической физики. Среднее статистическое значение ввиду изотропии распределения по направлениям теплового движения. При наложении поля возникает некоторая дрейфовая скорость - средняя скорость направленного движения носителей заряда:
которая будет отлична от нуля. Проведем аналогию. Когда вода вырывается из шланга, и мы интересуемся, какое ее количество поступает в единицу времени на клумбу, нам надо знать скорость струи и поперечное сечение шланга. И нас совершенно не волнуют скорости отдельных молекул, хотя они и очень велики, намного больше скорости струи воды, как мы убедились в предыдущей части курса.
Таким образом, скорость в выражении (4.7) - это дрейфовая скорость носителей тока в присутствии внешнего электрического поля или любого другого силового поля, обуславливающего направленное (упорядоченное) движение носители заряда. Если в веществе возможно движение зарядов разного знака, то полная плотность тока определяется векторной суммой плотностей потоков заряда каждого знака.
Как уже указывалось, в отсутствие электрического поля движение носителей заряда хаотично и не создает результирующего тока. Если, приложив электрическое поле, сообщить носителям заряда даже малую (по сравнению с их тепловой скоростью) скорость дрейфа, то, из-за наличия в проводниках огромного количества свободных электронов, возникнет значительный ток.
Поскольку дрейфовая скорость носителей тока создается электрическим полем, логично предположить пропорциональность
так что и плотность тока будет пропорциональна вектору напряженности (рис. 4.4)
Более подробно этот вопрос обсуждается в Дополнении
Входящий в соотношение (4.9)
Проводимость связывает напряженность поля в данной точке с установившейся скоростью «течения» носителей заряда. Поэтому она может зависеть от локальных свойств проводника вблизи этой точки (то есть от строения вещества), но не зависит от формы и размеров проводника в целом. Соотношение (4.9) носит название закона Ома для плотности тока в проводнике (его называют также законом Ома в дифференциальной форме ).
Рис. 4.4. Силовые линии электрического поля совпадают с линиями тока
Чтобы понять порядки величин, оценим дрейфовую скорость носителей заряда в одном из наиболее распространенных материалов - меди. Возьмем для примера силу тока I
= 1 А, и пусть площадь поперечного сечения провода составляет
1 мм 2 = 10 –6 м 2 . Тогда плотность тока равна j
= 10 6 А/м 2 . Теперь воспользуемся соотношением (4.7)
Носителями зарядов в меди являются электроны (е = 1.6·10 -19 Кл), и нам осталось оценить их концентрацию . В таблице Менделеева медь помещается в первой группе элементов, у нее один валентный электрон, который может быть отдан в зону проводимости. Поэтому число свободных электронов примерно совпадает с числом атомов. Берем из справочника плотность меди - r Cu =8,9·10 3 кг/м3. Молярная масса меди указана в таблице Менделеева - M Cu = 63,5·10 –3 кг/моль. Отношение
Это число молей в 1 м 3 . Умножая на число Авогадро Na = 6,02·10 23 моль –1 , получаем число атомов в единице объема, то есть концентрацию электронов
Теперь получаем искомую оценку дрейфовой скорости электронов
Для сравнения: скорости хаотического теплового движения электронов при 20°С в меди по порядку величины составляют 10 6 м/с, то есть на одиннадцать порядков величины больше.
Возьмем произвольную воображаемую замкнутую поверхность S , которую в разных направлениях пересекают движущиеся заряды. Мы видели, что полный ток через поверхность равен
где dq - заряд, пересекающий поверхность за время dt . Обозначим через q " заряд, находящийся внутри поверхности. Его можно выразить через плотность заряда , проинтегрированную по всему объему, ограниченному поверхностью
Из фундаментального закона природы - закона сохранения заряда - следует, что заряд dq , вышедший через поверхность за время dt , уменьшит заряд q " внутри поверхности точно на эту же величину, то есть dq " = –dq или
Подставляя сюда написанные выше выражения для скоростей изменения заряда внутри поверхности , получаем математическое соотношение, выражающее закон сохранения заряда в интегральной форме
|
|
Напомним, что интегрирования ведутся по произвольной поверхности S и ограниченному ею объему V .
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!
В ходе этого урока будет дано определение явлению электрического тока, рассмотрены различные ситуации его протекания и различные его воздействия на тела. Мы также охарактеризуем ток, используя величину силы тока, дадим ее определение, а также рассмотрим ее связь с другими физическими величинами.
С этого урока мы начинаем повторять полученные нами в восьмом классе знания в об электрическом токе, а также углублять эти знания.
Определение. Электрический ток – направленное упорядоченное движение заряженных частиц (рис. 1).
Рис. 1. Движение заряженных частиц
Упомянутые частицы могут быть совершенно разными: электронами, ионами (как положительными, так и отрицательными). Даже обычное макротело (например, шарик), которому придан некоторый заряд и некоторая скорость, своим движением производит ток.
Важно также понимать, что упорядоченное движение не обязано распространяться на все частицы. Каждая частица может двигаться хаотически, однако в целом вся масса этих частиц смещается в определенном направлении, и именно это смещение обуславливает наличие тока (рис. 2).
Рис. 2. Упорядоченное движение
Для простоты мы будем изучать так называемый постоянный ток , то есть тот ток, при котором средняя скорость заряженных частиц не меняет ни своего значения, ни направления.
Главной физической величиной, характеризующей ток, является сила тока.
Ток имеет три основных действия (свойства).
- Тепловое. При пропускании тока через проводник идет активное выделение тепла (рис. 3).
Рис. 3. Тепловое действие тока
- Химическое. Протекание тока может влиять на химическую структуру веществ (рис. 4).
Рис. 4. Химическое действие тока
- Магнитное. Наличие тока инициирует наличие магнитного поля (рис. 5).
Рис. 5. Магнитное действие тока
Сила тока определяется отношением заряда, прошедшего через поперечное сечение за единицу времени (за интервал времени) (рис. 6).
Определение. Сила тока – физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени, за который этот заряд прошел.
Единица измерения: А – ампер (в честь французского физика Андре-Мари Ампера (рис. 7 ).
Рис. 7. Андре-Мари Ампер (1775-1836)
Прибором для измерения силы тока является амперметр (рис. 8, 9). Это электрический прибор, который необходимо подключить в цепь последовательно тому участку, силу тока на котором необходимо измерить (рис. 10).
Рис. 8. Внешний вид амперметра
Рис. 9. Обозначение амперметра на электрической схеме
Рис. 10. Амперметр включается в цепь последовательно
Электрический ток можно сравнить с движением воды по трубе, а амперметр – прибор, который измеряет скорость этого движения.
Рассмотрим случай протекания постоянного тока в цилиндрическом проводнике и выведем формулу, определяющую скорость упорядоченного движения электронов в металлах.
Рис. 11. Схема протекания тока в проводнике
Запишем определение силы тока:
За время поперечное сечение успели пересечь все те электроны, находящиеся в пространстве проводника, ограниченном длиной (расстояние, которое прошли электроны за время ). Поэтому можно посчитать как:
Здесь: - заряд одной частицы; - концентрация электронов в проводнике.
Подставим это равенство в определение силы тока, и с учетом того, что - модуль значения заряда электрона:
Средняя скорость упорядоченного движения зарядов.
Получаем формулу:
То есть сила тока и скорость направленного движения электронов - прямо пропорциональные величины.
Для определения концентрации электронов необходимо применить формулы из курса молекулярной физики. Если сделать предположение, что на каждый атом вещества проводника приходится один электрон, то тогда справедливо:
Зная, что , получаем:
Подставим и , где - молярная масса (масса одного моль вещества); - число Авогадро (количество молекул в одном моле вещества). Получим:
То есть при нашем допущении концентрация свободных электронов зависит только от материала проводника (плотности и молярной массы).
Рис. 12. Все электроны по всему объему проводника начинают двигаться практически одновременно
На следующем уроке мы рассмотрим условия, наличие которых обязательно для существования тока.
Список литературы
- Тихомирова С.А., Яворский Б.М. Физика (базовый уровень) - М.: Мнемозина, 2012.
- Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. - М.: Илекса, 2005.
- Мякишев Г.Я., Синяков А.З., Слободсков Б.А. Физика. Электродинамика. - М.: 2010.
- Интернет-портал «Physics.ru» ().
- Интернет-портал «Mugo.narod.ru» ().
- Интернет-портал «Электрический ток. Сила и плотность тока» ().
Домашнее задание
- Стр. 101: № 775. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А.П. - М.: Дрофа, 2013. ()
- Движутся ли заряженные частицы в проводнике, по которому не течет ток?
- Какие действия тока можно наблюдать, пропуская ток через морскую воду?
- При какой силе тока за 4 с сквозь поперечное сечение проводника проходит 32 Кл?
- *Возможен ли электрический ток в отсутствии электрического поля?
Электрический ток представляет собой направленное движение электрических зарядов. Величина тока определяется количеством электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Одним количеством электричества, проходящим по проводнику, мы еще не можем полностью охарактеризовать электрический ток. Действительно, количество электричества, равное одному кулону, может проходить по проводнику в течение одного часа, и тоже самое количество электричества может быть пропущено по нему в течение одной секунды.
Интенсивность электрического тока ко втором случае будет значительно больше, чем в первом, так как то же самое количество электричества проходит в значительно меньший промежуток времени. Для характеристики интенсивности электрического тока количество электричества, проходящее по проводнику, принято относить к единице времени (секунде). Количество электричества, проходящее по проводнику в одну секунду, называется силой тока. В качестве единицы силы тока в системе принят ампер (а).
Сила тока - количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в одну секунду.
Сила тока обозначается английской буквой I
.
Ампер
- единица силы электрического тока (одна из ),
обозначается А. 1 А равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины
и ничтожно малой площади кругового
сечения, расположенным на расстоянии
1 м один от другого в вакууме, вызвал бы
на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 10 –7 Н на каждый метр длины.
Сила тока в проводнике равна одному амперу, если ежесекундно через поперечное сечение его проходит один кулон электричества.
Ампер - сила электрического тока, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит количество электричества, равное одному кулону: 1 ампер = 1 кулон/1 секунду.
Часто применяют вспомогательные единицы: 1 миллиампер (ма) = 1/1000 ампер = 10 -3 ампер, 1 микроампер (мка) = 1/1000000 ампер = 10 -6 ампер.
Если известно количество электричества, прошедшее через сечение проводника за некоторый промежуток времени, то силу тока можно найти по формуле: I=q/t
Если в замкнутой цепи не имеющей разветвлений, проходит электрический ток, то через любое поперечное сечение (в любом месте цепи) проходит в секунду одно и тоже количество электричества, независимо от толщины проводников. Это объясняется тем, что заряды не могут накапливаться в каком-нибудь месте проводника. Следовательно, сила тока в любом месте электрической цепи одинакова.
В сложных электрических цепях с различными ответвлениями это правило (постоянство тока во всех точках замкнутой цепи) остается, конечно, справедливым, но оно относится только к отдельным участкам общей цепи, которые могут рассматриваться как простые.
Измерение силы тока
Для измерения силы тока служит прибор, который называется амперметром. Для измерения очень малых сил тока применяются миллиамперметры и микроамперметры, или гальванометры. На рис. 1. показано условное графическое изображение амперметра и миллиамперметра на электрических схемах.
Рис. 1. Условные обозначения амперметра и миллиамперметра
Рис. 2. Амперметр
Для того, чтобы измерит силу тока нужно включить амперметр в разрыв цепи (см. рис. 3). Измеряемый ток проходит от источника через амперметр и приемник. Стрелка амперметра показывает силу тока в цепи. Где именно включить амперметр, т. е. до потребителя (считая ) или после него, совершенно безразлично, так как сила тока в простой замкнутой цепи (без разветвлений) будет одинакова во всех точках цепи.
Рис. 3. Включение амперметра
Иногда ошибочно считают, что амперметр, включенный до потребителя, будет показывать большую силу тока, чем включенный после потребителя. В этом случае считают, что «часть тока» тратится в потребителе для приведения его в действие. Это, конечно, неверно, и вот почему.
Электрический ток в металлическом проводнике представляет собой электромагнитный процесс, сопровождаемый упорядоченным движением электронов по проводнику. Однако энергия переносится не электронами, а электромагнитным полем, окружающим проводник.
Через любое поперечное сечение проводников простой электрической цепи проходит в точности одно и то же количество электронов. Какое количество электронов вышло от одного полюса источника электрической энергии, такое же количество их пройдет через потребитель и, конечно, поступит к другому полюсу, источника, ибо электроны как материальные частички израсходоваться при своем движении не могут.
Рис. 4. Измерение силы тока с помощью мультиметра
В технике встречаются очень большие силы тока (тысячи ампер) и очень маленькие (миллионные доли ампера). Например, сила тока электрической плитки примерно 4 - 5 ампер, лампы накаливания - от 0,3 до 4 ампер (и больше). Ток, проходящий через фотоэлементы, составляет всего несколько микроампер. В главных проводах подстанций, дающих электроэнергию для трамвайной сети, сила тока достигает тысяч ампер.
