Физика 8 класс. СИЛА ТОКА
Направленное движение заряженных частиц называется электрическим током.
Условия существования
электрического тока в проводнике:
1. наличие свободных заряженных
частиц (в металлическом проводнике - свободных электронов),
2. наличие электрического поля
в проводнике
(электрическое поле в проводнике
создается источниками тока.).
Электрический ток имеет направление.
За направление тока принимают направление движения положительно
заряженных частиц.
Сила тока (I) - скалярная величина, равная отношению заряда q , прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени t , в течение которого шел ток.
Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.
Единица измерения
силы тока в системе СИ:
[I] = 1 A (ампер)
В 1948 г. было предложено в основу определения единицы силы тока положить явление взаимодействия двух поводников с током:
........................
При прохождении тока по двум параллельным проводникам в одном направлении проводники притягиваются, а при прохождении тока по этим же проводникам в противоположных направлениях отталкиваются.
За единицу силы тока 1 А принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной 1м, расположенные на растоянии 1м друг от друга, взаимодействуют с силой 0,0000002 Н.
АНДРЕ-МАРИ АМПЕР
(1775 - 1836)
- французский физик и математик
Ввел такие термины
, как электростатика, электродинамика,
соленоид, ЭДС, напряжение, гальванометр, электрический ток и т.
д.;
- предположил, что, вероятно, возникнет новая наука об общих
закономерностях процессов управления и предложил назвать ее "кибернетикой";
- открыл явление механического взаимодействия
проводников
с током и правило определения направления тока;
- имеет труды
во многих областях наук: ботанике, зоологии,
химии, математике, кибернетике;
Его именем названа единица измерения силы тока - 1 Ампер.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТОКИ В ПРИРОДЕ.
Мы живем в океане электрических разрядов, создаваемых машинами, станками и людьми. Эти разряды - кратковременные электрические токи не так мощны, и мы их часто не замечаем. Но они все-таки существуют и могут принести немало вреда!
Что такое молния?
В результате движения и трения друг о друга воздушные слои в атмосфере
электризуются. В облаках с течением времени скапливаются большие заряды
. Они-то и являются причиной молний.
В момент, когда заряд облака станет большим, между его частями,
имеющими противоположные по знаку заряды, проскакивает мощная электрическая искра – молния.
Молния может образовываться между
двумя соседними облаками и между облаком и поверхностью Земли.
В этом случае под действием электрического поля отрицательного
заряда нижней части облака поверхность Земли под облаком электризуется
положительно. В результате молния ударяет в землю.
Природа молнии стала проясняться после исследований, проведенных
в XVIII столетии русскими учеными М.В.Ломоносовым
и Г.Рихманом
и американским ученым Б.Франклином.
Обычно молнию рисуют бьющей сверху вниз
. Между тем в действительности свечение
начинается снизу и только затем распространяется по вертикальному каналу.
Молния – точнее ее видимая фаза, оказывается, бьет снизу вверх!
ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ!
А ЕСТЬ ЛИ ГРОМООТВОД У ТЕБЯ НА ДАЧЕ?
Одним из первых в мире громоотводов (молниеотводов)
водрузил над крестом
своего храма сельский священник из Моравии по имени Прокоп Дивиш, крестьянский
сын, ученый и изобретатель.
Это было в июне 1754 года.
___
Первый в России
молниеотвод появился в 1756 г. над Петропавловским собором в Петербурге.
Он был сооружен после того, как молния дважды ударила в шпиль собора и подожгла его.
Времена, когда ток обнаруживался с помощью личных ощущений ученых, пропускавших его через себя, давно миновали. Теперь для этого применяют специальные приборы, называемые амперметрами .
Это прибор, служащий для измерения силы тока. Что понимают под силой тока?
Обратимся к рисунку 21, б. На нем выделено поперечное сечение проводника, через которое проходят заряженные частицы при наличии в проводнике электрического тока. В металлическом проводнике этими частицами являются свободные электроны. В процессе своего движения вдоль проводника электроны переносят некоторый заряд. Чем больше электронов и чем быстрее они движутся, тем больший заряд будет ими перенесен за одно и то же время.
Силой тока называется физическая величина, показывающая, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за 1 с.
Пусть, например, за время t = 2 с через поперечное сечение проводника носители тока переносят заряд q = 4 Кл. Заряд, переносимый ими за 1 с, будет в 2 раза меньше. Разделив 4 Кл на 2 с, получим 2 Кл/с. Это и есть сила тока. Обозначается она буквой I:
I - сила тока.
Итак, чтобы найти силу тока I, надо электрический заряд q, прошедший через поперечное сечение проводника за время t, разделить на это время:
I = q/t (10.1)
Единица силы тока называется ампером (А) в честь французского ученого А. М. Ампера (1775-1836). В основу определения этой единицы положено магнитное действие тока, и мы на нем останавливаться не будем.
Если сила тока I известна, то можно найти заряд q, проходящий через сечение проводника за время t. Для этого надо силу тока умножить на время:
Полученное выражение позволяет определить единицу электрического заряда - кулон (Кл):
1 Кл = 1 А · 1 с = 1 А·с.
1 Кл - это заряд, который проходит за 1 с через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.
Помимо ампера на практике часто применяются и другие (кратные и дольные) единицы силы тока, например миллиампер (мА) и микроампер (мкА):
1 мА = 0,001 А, 1 мкА = 0,000001 А.
Как уже говорилось, измеряют силу тока с помощью амперметров (а также милли- и микроамперметров). Демонстрационный гальванометр, о котором упоминалось выше, представляет собой обычный микроамперметр.
Существуют разные конструкции амперметров. Амперметр, предназначенный для демонстрационных опытов в школе, изображен на рисунке 28. На этом же рисунке приведено его условное обозначение (кружок с латинской буквой «А» внутри).
При включении в цепь амперметр, как и всякий другой измерительный прибор, не должен оказывать заметного влияния на измеряемую величину. Поэтому амперметр устроен так, что при его включении сила тока в цепи почти не изменяется.
В зависимости от назначения в технике используют амперметры с разной ценой деления. По шкале амперметра видно, на какую наибольшую силу тока он рассчитан. Включать его в цепь с большей силой тока нельзя, так как прибор может испортиться.
Для включения амперметра в цепь ее размыкают и свободные концы проводов присоединяют к клеммам (зажимам) прибора. При этом необходимо соблюдать следующие правила:
1) амперметр включают последовательно с тем элементом цепи, в котором измеряют силу тока;
2) клемму амперметра со знаком «+» следует соединять с тем проводом, который идет от положительного полюса источника тока, а клемму со знаком «–» - с тем проводом, который идет от отрицательного полюса источника тока.
При включении амперметра в цепь не имеет значения, с какой стороны (слева или справа) от исследуемого элемента его подключать. В этом можно убедиться на опыте (рис. 29). Как видим, при измерении силы тока, проходящего через лампу, оба амперметра (и тот, что слева, и тот, что справа) показывают одно и то же значение.
1. Что такое сила тока? Какой буквой она обозначается? 2. По какой формуле находится сила тока? 3. Как называется единица силы тока? Как она обозначается? 4. Как называется прибор для измерения силы тока? Как он обозначается на схемах? 5. Какими правилами следует руководствоваться при включении амперметра в цепь? 6. По какой формуле находится электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника, если известны сила тока и время его прохождения?
Для измерения силы тока применяется измерительный прибор, который называется . Силу тока приходится измерять гораздо реже, чем напряжение или сопротивление , но, тем не менее, если нужно определить потребляемую мощность электроприбором, то без зная величины потребляемого ним тока, мощность не определить.
Ток, как и напряжение, бывает постоянным и переменным и для измерения их величины требуются разные измерительные приборы. Обозначается ток буквой I , а к числу, чтобы было ясно, что это величина тока, приписывается буква А . Например, I=5 A обозначает, что сила тока в измеренной цепи составляет 5 Ампер.
На измерительных приборах для измерения переменного тока перед буквой А ставится знак "~ ", а предназначенных для измерения постоянного тока ставится "– ". Например, –А означает, что прибор предназначен для измеренная силы постоянного тока.
О том, что такое ток и законы его протекания в популярной форме Вы можете прочитать в статье сайта «Закон силы тока» . Перед проведением измерений настоятельно рекомендую ознакомиться с этой небольшой статьей. На фотографии Амперметр, рассчитанный на измерение силы постоянного ток величиной до 3 Ампер.
Схема измерения силы тока Амперметром
Согласно закону, ток по проводам течет в любой точке замкнутой цепи одинаковой величины. Следовательно, чтобы измерять величину тока, нужно прибор подключить, разорвав цепь в любом удобном месте. Надо отметить, что при измерении величины тока не имеет значение, какое напряжение приложено к электрической цепи. Источником тока может быть и батарейка на 1,5 В, автомобильный аккумулятор на 12 В или бытовая электросеть 220 В или 380 В.
На схеме измерения также видно, как обозначается амперметр на электрических схемах. Это прописная буква А обведенная окружностью.
Приступая к измерению силы тока в цепи необходимо, как и при любых других измерениях, подготовить прибор, то есть установить переключатели в положение измерения тока с учетом рода его, постоянного или переменного. Если не известна ожидаемая величина тока, то переключатель устанавливается в положение измерения тока максимальной величины.
Как измерять потребляемый ток электроприбором
Для удобства и безопасности работ по измерению потребляемого тока электроприборами необходимо сделать специальный удлинитель с двумя розетками. По внешнему виду самодельный удлинитель ничем не отличается от обыкновенного удлинителя.
Но если снять крышки с розеток, то не трудно заметить, что их выводы соединены не параллельно, как во всех удлинителях, а последовательно.
Как видно на фотографии сетевое напряжение подается на нижние клеммы розеток, а верхние выводы соединены между собой перемычкой из провода с желтой изоляцией.
Все подготовлено для измерения. Вставляете в любую из розеток вилку электроприбора, а в другую розетку, щупы амперметра. Перед измерениями, необходимо переключатели прибора установить в соответствии с видом тока (переменный или постоянный) и на максимальный предел измерения.
Как видно по показаниям амперметра, потребляемый ток прибора составил 0,25 А. Если шкала прибора не позволяет снимать прямой отсчет, как в моем случае, то необходимо выполнить расчет результатов, что очень неудобно. Так как выбран предел измерения амперметра 0,5 А, то чтобы узнать цену деления, нужно 0,5 А разделить на число делений на шкале. Для данного амперметра получается 0,5/100=0,005 А. Стрелка отклонилась на 50 делений. Значит нужно теперь 0,005×50=0,25 А.
Как видите, со стрелочных приборов снимать показания величины тока неудобно и можно легко допустить ошибку. Гораздо удобнее пользоваться цифровыми приборами, например мультиметром M890G.
На фотографии представлен универсальный мультиметр, включенный в режим измерения переменного тока на предел 10 А. Измеренный ток, потребляемый электроприбором составил 5,1 А при напряжении питания 220 В. Следовательно прибор потребляет мощность 1122 Вт.
У мультиметра предусмотрено два сектора для измерения тока, обозначенные буквами А– для постоянного тока и А~ для измерения переменного. Поэтому перед началом измерений нужно определить вид тока, оценить его величину и установить указатель переключателя в соответствующее положение.
Розетка мультиметра с надписью COM является общей для всех видов измерений. Розетки, обозначенные mA и 10А предназначены только для подключения щупа при измерении силы тока. При измеряемом токе менее 200 мA штекер щупа вставляется в розетку mA, а при токе величиной до 10 А в розетку 10А.
Внимание, если производить измерение тока, многократно превышающего 200 мА при нахождении вилки щупа в розетке mA, то мультиметр можно вывести из строя.
Если величина измеряемого тока не известна, то измерения нужно начинать, установив предел измерения 10 А. Если ток будет менее 200 мА, то тогда уже переключить прибор в соответствующее положение. Переключение режимов измерения мультиметра допустимо делать только обесточив измеряемую цепь .
Рассчет мощности электроприбора по потребляемому току
Зная величину тока, можно определить потребляемую мощность любого потребителя электрической энергии, будь то лампочка в автомобиле или кондиционер в квартире. Достаточно воспользоваться простым законом физики, который установили одновременно два ученых физика, независимо друг от друга. В 1841 году Джеймс Джоуль, а в 1842 году Эмиль Ленц. Этот закон и назвали в их честь – Закон Джоуля – Ленца .
Сила тока – это движение заряженных частиц в одном направлении. Найти силу тока можно на практике с использованием специальных приборов для измерения, а можно рассчитать с помощью уже выведенных готовых формул, если есть исходные данные.
Физическая величина, которая показывает заряд, что проходит за какую-то единицу времени через проводник, называется силой тока. Основная формула, согласно которой можно рассчитать эту силу: I = q/t. То есть отношение прошедшего через поперечное сечение заряда к интервалу времени, в течение которого шло электричество, равно искомой величине I.Расшифровка обозначений:
- I – обозначение силы электричества, измеряется в Амперах (А) или 1 Кулон/секунду;
- q – заряд, идущий по проводнику, единица измерения Кулоны (Кл);
- t – интервал прохождения заряда, измеряется в секундах (с).
- Е – электродвижущая сила, ЭДС, Вольт;
- R – внешнее сопротивление, Ом;
- r – внутреннее сопротивление, Ом.
Законы Ома применимы для вычисления постоянного тока, если же требуется узнать величину силы переменного электричества, то добытые значения следует поделить на корень из двух.
Основные способы определения силы тока с помощью систем приборов на практике:- Магнитоэлектрический метод измерения, преимуществом которого является чувствительность и точность показаний, а также незначительное потребление энергии. Этот способ можно применять только для определения величины силы постоянного тока.
- Электромагнитный – это нахождение силы переменного и постоянного токов методом трансформации из электромагнитного поля в сигнал магнитомодульного датчика.
- Косвенный, с помощью вольтметра находится напряжение на определенном сопротивлении.
Определение силы потребляемого тока не так часто востребовано, как измерение сопротивления или напряжения, но без нахождения физической величины силы тока невозможен расчет потребляемой мощности.
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?
