Site Loader
Posted on 13.12.1986

Содержание

Сила тока. Единицы силы тока. Амперметр 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение

 

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.

 

 

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).

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).

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.

 

Единицы силы тока

 

 

Единицей силы тока является ампер: . 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 .

 

Следовательно, . 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 (), микроампер (), килоампер (). 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

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.

 

Амперметр

 

 

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).

Рис. 4. Последовательное соединение амперметра

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).

Рис. 5. Правильно соединена клемма +

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

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).

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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: .

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

Проверяем единицы искомой величины: .

Ответ: .

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.

Рис. 15. Зарядка аккумулятора Рис. 16. Разрядка аккумулятора

Задача 3

В проводнике в каждом кубическом сантиметре содержится  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 , заряд одного электрона , объём  и количество электронов в этом объёме . Найти необходимо скорость .

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

Для начала воспользуемся определением силы тока: , а заряд, который проходит за единицу времени, по модулю равен сумме модулей зарядов электронов, которые проходят через сечение за время.

Получаем . Откуда – количество электронов, которые прошли через сечение проводника за единицу времени. Из несложной пропорции определяем объём, который занимают эти электроны: , откуда .

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

Получаем итоговую формулу: .

Проверяем единицы измерения: .

Ответ: .

 

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

 

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)

 

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.

 

Сила тока. Единицы силы тока | 8 класс | Физика

Содержание

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

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

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

    Перемещение заряда по проводнику

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

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

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

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

    {"questions":[{"content":"Чем больше заряд, переносимый частицами в проводнике, тем [[fill_choice-1]] действие электрического тока.","widgets":{"fill_choice-1":{"type":"fill_choice","options":["сильнее","слабее"],"answer":0}}}]}

    Сила тока

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

    Рисунок 1. Заряд, проходящий через поперечное сечение проводника

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

    {"questions":[{"content":"Формула для силы тока: $I = \\frac{q}{t}$, где[[matcher-4]]","widgets":{"matcher-4":{"type":"matcher","labels":["$I$","$q$","$t$"],"items":["Сила тока","Суммарный электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника","Время прохождения заряда через поперечное сечение проводника"]}}}]}

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

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

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

    Рисунок 2. Взаимодействие проводников с током

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

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

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

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

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

    {"questions":[{"content":"Если расположить параллельно друг другу два гибких проводника и пропустить через них электрический ток, то они [[choice-7]]","widgets":{"choice-7":{"type":"choice","options":["будут притягиваться друг к другу","будут отталкиваться друг от друга","не будут никак взаимодействовать","будут притягиваться или отталкиваться друг от друга в зависимости от направления тока в них"],"answer":[3]}}}]}

    Единица измерения силы тока

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

    За единицу силы тока принимаю такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной $1 \space м$ взаимодействуют с силой $2 \cdot 10^{-7} \space Н$ ($0. 0000002 \space Н$).

    Рисунок 3. Определение единицы измерения силы тока

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

    Рисунок 4. Ампер Андре Мари (1775 — 1836) — французский физик, математик и естествоиспытатель. Ввел в физику понятие электрического тока, за что в научном кругу его прозвали “Ньютоном электричества”
    {"questions":[{"content":"Единицей измерения силы тока является[[choice-9]]","widgets":{"choice-9":{"type":"choice","options":["ампер","паскаль","ньютон","кулон"],"explanations":["","Это единица измерения давления.","Это единица измерения силы.","Это единица измерения электрического заряда."],"answer":[0]}}}]}

    Дольные и кратные единицы силы тока

    На практике вы часто можете увидеть следующие единицы: миллиампер ($мА$), микроампер ($мкА$), килоампер ($кА$).

    $1 \space мА = 0.001 \space А = 1 \cdot 10^{-3} \space А$;
    $1 \space мкА = 0. {-3} \\space А = 0.005 \\space А$.»,»»,»»,»»],»answer»:[0]}}}]}

    Сила тока некоторых электроприборов

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

    УстройствоЗначение силы тока $I$, А
    Лампочка карманного фонаря0,1
    Обычная лампа накаливания0,3 — 0,5
    Холодильник0,8 — 1
    Телевизор1,2 — 2
    Электрический утюг3
    Пылесос4 — 9
    Стиральная машина6 — 10
    Двигатель троллейбуса160 — 220
    Молнияболее 400 000
    Таблица 1. Значения силы тока в различных потребителях электроэнергии
    {"questions":[{"content":"Сила тока для электрического утюга составляет [[input-1]] А.","widgets":{"input-1":{"type":"input","inline":1,"answer":"3"}}}]}

    Связь единицы измерения заряда и единицы измерения силы тока

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

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

    $q = It$.

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

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

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

    {"questions":[{"content":"Один кулон равен[[choice-4]]","widgets":{"choice-4":{"type":"choice","options":["произведению одного ампера на одну секунду","отношению одного ампера к одной секунде","произведению одного ампера на один метр"],"answer":[0]}}}]}

    Электрический заряд и его зависимость от силы тока и времени

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

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

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

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

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

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

    $q — ?$

    Показать решение и ответ

    Скрыть

    Решение:

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

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

    Ответ: $q = 24 \space Кл$.

    {"questions":[{"content":"Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника, зависит от[[choice-9]]","widgets":{"choice-9":{"type":"choice","options":["силы тока","времени его прохождения","площади поперечного сечения","длины проводника"],"answer":[0,1]}}}]}

    Упражнения

    Упражнение №1

    Выразите в амперах силу тока, равную $2000 \space мА$; $100 \space мА$; $55 \space мА$; $3 \space кА$. {19}$.

    Физика | Методические указания

    Физика | Методические указания
    ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

    Электрическим током называется всякое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов. Упорядоченное движение свободных электрических зарядов, возникающее в проводнике под действием электрического поля, называется током проводимости. За направление электрического тока условно принимается направление движения положительных зарядов.

    Количественной мерой электрического тока является сила тока I – скалярная физическая величина, равная электрическому заряду, проходящему через поперечное сечение проводника в единицу времени:

    I =  dq dt
    		 .
    (1)

    Ток называется постоянным, если сила тока и его направление не изменяются со временем, I=q/t.

    Физическая величина, определяемая силой тока, проходящего через единицу площади поперечного сечения проводника, перпендикулярного направлению тока, называется плотностью тока:

    j =  dI dS
    		 .
    (2)

    Сила тока в проводнике равна

    I =
    у
    х
    S 
    		 jd

    ®

    S

     

    		 =
    у
    х
    S 
    		 jndS ,

    где jn – проекция вектора плотности тока на нормаль.

    Для постоянного тока I=jS. (3)

    Кулоновские силы электростатического взаимодействия между зарядами приводят к перераспределению их в проводнике, поле в проводнике исчезает, потенциалы во всех точках выравниваются. По этому для поддержания тока необходимы неэлектростатические, сторонние электрические силы, способные поддерживать разность потенциалов. Такие силы создаются источником тока (аккумулятор, генератор и т.д.).

    Для любой точки внутри проводника, по которому течет ток

    ®

    E

     

    		 =

    ®

    E

     
    0 
    		 +

    ®

    E

     

    		 ў
    ,

    где

    – напряженность поля в данной точке;

    ®

    E

     
    0 
    – напряженность кулоновского поля; – напряженность поля сторонних сил.

    Произведение тока на сопротивление данного участка 1–2 цепи численно равно сумме разности потенциалов и ЭДС, действующей на этом участке цепи:

    IR = 2
    у
    х
    1 
    		 ж
    и

    ®

    E

     
    0 
    		 d

    ®

    l

     

    		 ц
    ш     		+ 2
    у
    х
    1 
    		 ж
    и

    ®

    E

     

    		 ўd

    ®

    l

     

    		 ц
    ш     		,
    (4)

    где I – сила тока, R – сопротивление участка цепи,

    d

    ®

    l

     
    – вектор, численно равный элементу dl длины проводника и направленный по касательной к проводнику в ту же сторону, что и вектор .

    ЭДС на участке 1–2

    e12 = 2
    у
    х
    1 
    		 ж
    и

    ®

    E

     

    		 ўd

    ®

    l

     

    		 ц
    ш     		.
    (5)

    ЭДС равна работе, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.

    Разность потенциалов

    j1— j2 = 2
    у
    х
    1 
    		 ж
    и

    ®

    E

     
    0 
    		 d

    ®

    l

     

    		 ц
    ш     		.
    (6)

    Напряжением U12 (падением напряжения) на участке цепи 1–2 называется физическая величина, численно равная работе, совершаемой суммарным полем кулоновских и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда

    U12 = 2
    у
    х
    1 
    		 ж
    и

    ®

    E

     
    0 
    		 +

    ®

    E

     

    		 ў ц
    ш     		dl = j1— j2 + e12 .

    Сопротивление участка цепи R=ρl/S, (7)

    где ρ – удельное сопротивление проводника, l – длина проводника, S – сечение его.

    Закон Ома для участка цепи U=IR. (8)

    Для замкнутой цепи φ1=φ2, ε=IR. (9)

    R – суммарное сопротивление всей цепи.

    Найдем связь между плотностью тока j и полем E. Из (8) следует I=U/R, представим ток I=jS (3), напряжение U=El и сопротивление R=ρl/S, подставив эти величины, получим

    jS =  E ·l ·S r·l
    		 .

    Тогда в векторном виде

    j =  1 r

    ®

    E

     

    		 = s

    ®

    E

     
    , (10)

    где σ – удельная электрическая проводимость. Выражение (10) представляет собой закон Ома в дифференциальной форме.

    Закон Джоуля–Ленца можно записать как:

    Q = IUt = I2 t =  U2R
    		 t.
    (11)

    Удельной тепловой мощностью w называется количество энергии, выделяющейся за единицу времени в единице объема проводника

    w =  Q V ·t
    .

    Используя соотношение j=ρE, можно записать закон Джоуля–Ленца в дифференциальной форме

    w =  I ·U ·t S ·l ·t
    		 = jE = sE2 .
    (12)

    Зависимость удельного сопротивления от температуры:

    ρ=ρ0(1+αt) (13)

    где ρ0 – удельное сопротивление при 00С

    α – температурный коэффициент сопротивления.

    Электронная теория проводимости. Согласно теории Друде–Лоренца носители тока в металлах – электроны проводимости. Они свободно движутся, образуя электронный газ, между узлами кристаллической решетки, где располагаются ионы металла. Электроны при движении сталкиваются с ионами решетки, в результате чего устанавливается термодинамическое равновесие между электронным газом и решеткой. Электроны обладают такой же энергией теплового движения, как молекулы идеального газа и можно найти среднюю скорость теплового движения электронов <u>

    á u ñ =
    Ц

     

    8kT

    		/ 8kT pmepme

     

    		 ,

    где k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура, me – масса электрона.

    При T = 3000 K, <u> ≈ 105 м/с

    Наложение внешнего электрического поля упорядочивает движение электронов, т. е. возникает электрический ток. Плотность тока в проводнике

    J=ne<v>, (14)

    где n – концентрация молекул, <v> – средняя скорость упорядоченного движения.

    Выбрав j = 107 А/н2, n = 102 м–3, получим величину <v>  ≈ 10–3 м/с, т.е. <v> << <u>. Поэтому при вычислении результирующей скорости <v>+<u> можно заменить на <u>.

    При соударении электрона с ионами решетки энергия полностью передается иону, а в постоянном поле E электрон приобретает ускорение a=eE/me. Время пробега между двумя столкновениями τ, длина свободного пробега l и в конце пробега скорость упорядоченного движения равна

    vmax = at =  eEt me
    		 =  eE me
    		 ·  l < u >
    		.
    (15)

    Среднее значение скорости <v> = ½vmax=eEl/2me<u>, тогда плотность тока равна

    j = ne < v > =  ne2 l 2me < u >
    		E
    . (16)

    Сравнив (10) с (16), запишем для проводимости

    s =  ne2 l 2me < u >
    		.
    (17)

    Классическая теория объяснила законы Ома и Джоуля–Ленца, вместе с тем встретилась со значительными затруднениями. Из (17) следует, что сопротивление металлов ρ должно возрастать пропорционально

    , т.к. n и l от температуры не зависят, а <u>   . Это противоречит опытным данным, согласно которым ρ~T.

    Второе затруднение классической электронной теории связано со значением молярной теплоемкости твердых тел. Согласно закону Дюлонга–Пти теплоемкость кристаллической решетки равна Cv=3R=25 Дж/моль·К. С учетом теплоемкости электронного газа 3/2R, атомная теплоемкость металла должна быть 4,5R = 37,4 Дж/моль·К, что отличается от молекулярной теплоемкости диэлектриков (Cv=3R). Хотя эксперимент показывает, что теплоемкости металлов и диэлектриков практически одинаковы.

    Классическая электронная теория так же не объясняет явление сверхпроводимости у металлов.

    Эти затруднения можно объяснить только квантовой теорией металлов. Однако классическая теория не утратила своего значения и во многих случаях дает правильные результаты.


    Сила тока. Единица силы тока. Амперметр

    Физика. 8 класс. Барьяхтар

    Вам уже известно, что для количественного описания физических явлений, свойств тел и веществ физики используют физические величины. А с помощью каких физических величин можно количественно описать процесс прохождения электрического тока в проводнике? Об одной из них вы узнаете из этого параграфа.

    1. Выясняем, что называют силой тока

    Вы уже знаете, что в металлическом стержне (проводнике) имеется большое количество свободных носителей электрического заряда — электронов.

    Когда в стержне не течет ток, движение электронов в нем хаотично. Поэтому можно считать, что число электронов, проходящих за одну секунду через поперечное сечение стержня (рис. 27.1) слева направо, равно числу электронов, проходящих через него справа налево.

    Рис. 27.1. Мысленно разрезав стержень, получаем его поперечное сечение

    Если присоединить стержень к источнику тока, электроны начнут двигаться направленно и число электронов, проходящих через поперечное сечение в одном направлении, существенно увеличится. Значит, в этом направлении через поперечное сечение стержня будет перенесен некоторый заряд.

    Сила тока — это физическая величина, которая характеризует электрический ток и численно равна заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени.

    Силу тока обозначают символом I и определяют по формуле:

    где q — заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время t.

    Чтобы лучше понять суть введенной физической величины, снова обратимся к механической модели электрической цепи (см. рис. 26.4). Механическим аналогом силы тока является масса воды, которая проходит через поперечное сечение трубки за 1 с.

    2. Знакомимся с единицей силы тока

    Единица силы тока в СИ — ампер:

    [I] = 1 А.

    Данная единица названа в честь французского ученого А. Ампера (рис. 27.2). Ампер — одна из основных единиц СИ (рис. 27.3).

    Рис. 27.2. Андре Мари Ампер (1775-1836) — французский физик, математик и химик, один из основателей учения об электромагнитных явлениях. Ампер первым ввел в физику понятие электрического тока

    Рис. 27.3. Основные единицы физических величин Международной системы единиц (СИ)

    Кроме ампера на практике часто применяют кратные и дольные единицы силы тока. Так, для измерения малой силы тока используют миллиамперы (мА) и микроамперы (мкА), большой силы тока — килоамперы (кА).

    Чтобы представить, что значит большая или малая сила тока, рассмотрим несколько примеров. Сила тока в канале молнии достигает 500 кА, сила тока в аксоне во время передачи нервного импульса всего лишь 0,004 мкА, а средняя сила тока при лечении электрофорезом — 0,8 мА.

    • Вспомните, каким множителям соответствуют префиксы кило-, микро-, милли- и представьте приведенные значения силы тока в амперах.

    Значения силы тока в некоторых электротехнических устройствах приведены на рис. 27.4.

    Рис. 27.4. Значения силы тока в некоторых электротехнических устройствах

    Сила тока, проходящего через тело человека, считается безопасной, если ее значение не превышает 1 мА; сила тока 100 мА может привести к серьезным последствиям. Поэтому, чтобы не подвергать себя смертельной опасности во время работы с электротехническими приборами и устройствами, необходимо строго соблюдать правила безопасности. Общая инструкция по безопасности приведена на форзаце учебника. Мы же остановимся на главных моментах, которые следует помнить всем, кто имеет дело с электричеством.

    НЕЛЬЗЯ:

    • прикасаться к обнаженному проводу, особенно стоя на земле, влажном полу и т. п.;
    • пользоваться неисправными электротехническими устройствами;
    • собирать, разбирать, ремонтировать электротехнические устройства, не отсоединив их от источника тока.

    3. Даём определение единицы электрического заряда

    1 Кл = 1 А • с.

    1 Кл — это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока в проводнике 1 А.

    4. Измеряем силу тока

    Для измерения силы тока используют прибор, который называется амперметр (рис. 27.5).

    Рис. 27.5. Некоторые виды амперметров: а — демонстрационный; б — лабораторный с зеркальной шкалой; в — школьный лабораторный; г — электронный

    Как и любой измерительный прибор, амперметр не должен влиять на значение измеряемой величины. Поэтому амперметр сконструирован таким образом, что при подключении его к электрической цепи значение силы тока в цепи практически не изменяется.

    Правила измерения силы тока амперметром

    1. Амперметр включают в цепь последовательно с тем потребителем, в котором необходимо измерить силу тока (рис. 27.6).

    Рис. 27.6. Измерение амперметром силы тока, проходящего через нить накала лампы: а — общий вид электрической цепи; б — схема

    2. Клемму амперметра, возле которой стоит знак «+», следует соединить с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, клемму со знаком «-» — с проводом, идущим от отрицательного полюса.

    3. Нельзя присоединять амперметр к цепи, в которой отсутствует потребитель тока, — это может привести к порче оборудования или пожару.

    5. Учимся решать задачи

    Задача. Сколько электронов пройдет через поперечное сечение нити накала лампы за 2 с, если сила тока в нити равна 0,32 А?

    Анализ физической проблемы. Чтобы определить число Ν электронов, необходимо знать общий заряд q, перенесенный за 2 с, и заряд е одного электрона. Общий заряд найдем из определения силы тока; заряд одного электрона равен -1,6 • 10-19 Кл.

    Подводим итоги

    Единица силы тока в СИ — ампер (А). Ампер — это одна из основных единиц СИ. 1 Кл — это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока в проводнике 1 А.

    Силу тока измеряют амперметром — прибор присоединяют к электрической цепи последовательно с потребителем, в котором измеряют силу тока.

    Контрольные вопросы

    1. Что называют силой тока? 2. По какой формуле определяют силу тока? 3. Какова единица силы тока? В честь кого она названа? 4. Какое значение силы тока безопасно для человека? 5. Какие основные правила безопасности следует соблюдать при работе с электротехническими устройствами? 6. Дайте определение кулона. 7. Каким прибором измеряют силу тока? 8. Какие правила следует выполнять, измеряя силу тока?

    Упражнение № 27

    1. Перенесите схему электрической цепи (рис. 1) в тетрадь. Покажите на схеме, где можно присоединить амперметр, чтобы измерить силу тока в лампах. Знаками «+» и «-» обозначьте полярность клемм амперметра.

    Рис. 1

    2. Сила тока в проводнике 200 мА. За какое время через поперечное сечение проводника проходит заряд 24 Кл?

    3. Начертите схему электрической цепи (рис. 2), обозначьте на ней полярность клемм амперметра. Как, по вашему мнению, изменится показание амперметра, если одна из ламп перегорит?

    Рис. 2

    4. На рис. 3 показано измерение силы тока в электрической цепи. Начертите схему электрической цепи, обозначьте полярность клемм амперметра. Определите заряд, проходящий через поперечное сечение нити накала лампы за 10 мин.

    Рис. 3

    5. Чему равна сила тока в проводнике, если за 10 с через его поперечное сечение проходит 2 • 1020 електронов?

    Попередня

    Сторінка

    Наступна

    Сторінка