Каким прибором и в каких единицах в си измеряется сила тока

В процессе своего движения вдоль проводника заряженные частицы (в металлах это электроны) переносят некоторый заряд. Чем больше заряженных частиц, чем быстрее они движутся, тем больший заряд будет ими перенесён за одно и то же время. Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за секунду, определяет силу тока в цепи.

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

В 1948 г. было предложено в основу определения единицы силы тока положить явление взаимодействия двух проводников 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~A) принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной (1) м, расположенные на расстоянии (1) м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой (0,0000002)H (рис. .).

Рис. . Определение единицы силы тока

Единица силы тока называется ампером ((A)) в честь французского учёного А.-М. Ампера (рис. ).

Рис. . Ампер Андре-Мари

А.-М. Ампер ввёл термины: электростатика, электродинамика, соленоид, ЭДС, напряжение, гальванометр, электрический ток.

Ампер — довольно большая сила тока. Например, в электрической сети квартиры через включённую (100) Вт лампочку накаливания проходит ток с силой, приблизительно равной (0,5A). Ток в электрическом обогревателе может достигать (10A), а для работы карманного микрокалькулятора достаточно (0,001A).

Помимо ампера на практике часто применяются и другие (кратные и дольные) единицы силы тока, например, миллиампер (мА) и микроампер (мкА):(1 мA = 0,001 A), (1 мкA = 0,000001 A), (1 кA =1000 A).То есть (1 A = 1000 мA), (1 A = 1000000 мкA), (1 A = 0,001 кA).

Если электроны перемещаются в одном направлении, т.е. — от одного полюса источника тока к другому, то такой ток называют .

называется ток, сила и направление которого периодически изменяются.

В бытовых электросетях используют переменный ток напряжением (220) В и частотой (50) Гц. Это означает, что ток за (1) секунду (50) раз движется в одном направлении и (50) раз — в другом. У многих приборов имеется блок питания, который преобразует переменный ток в постоянный (у телевизора, компьютера и т.д.).

Силу тока измеряют амперметром. В электрической цепи он обозначается так:

Рис. . Схематичное изображение единицы силы тока

Амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить.

Амперметр нельзя подсоединять к источнику тока, если в цепь не подключён потребитель!

Измеряемая сила тока не должна превышать максимально допустимую силу тока для измерения амперметром. Поэтому существуют различные амперметры (рис. ), где измерительная шкала представлена с использованием кратных и дольных единиц 1 А (миллиампер — мА, микроампер — мкА, килоампер — кА).

Рис. . Изображение миллиамперметра

Различают амперметры для измерения силы постоянного тока и силы переменного тока (рис. ).

Обозначения диапазона измерения амперметров:

• «(sim)» означает, что амперметр предназначен для измерения силы тока;
• «(-)» означает, что амперметр предназначен для измерения силы тока.

Можно обратить внимание на клеммы прибора. Если указана полярность («(+)» и «(-)»), то это прибор для измерения постоянного тока.

Иногда используют буквы (AC/DC). В переводе с английского (AC) (alternating current) — переменный ток, а (DC) (direct current) — постоянный ток.

Рис. . Амперметры для измерения силы постоянного и переменного токов

Для измерения силы тока можно использовать и мультиметр (рис. ). Перед измерением необходимо прочитать инструкцию, чтобы правильно подключить прибор.

Рис. . Изображение мультиметра

Включая амперметр в цепь постоянного тока, необходимо соблюдать полярность (рис. ):

• провод, который идёт от положительного полюса источника тока, нужно соединять с клеммой амперметра со знаком «(+)»;
• провод, который идёт от отрицательного полюса источника тока, нужно соединять с клеммой амперметра со знаком «(-)».

Если полярность на источнике тока не указана, следует помнить, что длинная линия соответствует плюсу, а короткая — минусу.

Рис. . Изображение электрической схемы (постоянный ток)

В цепь переменного тока включается амперметр для измерения переменного тока. Он полярности не имеет.

Амперметр подключается последовательно к тому прибору, на котором измеряется сила тока (рис. ).

Безопасным для организма человека можно считать переменный ток силой не выше (0,05~A), ток силой более (0,05)-(0,1~A) опасен и может вызвать смертельный исход.

Рис. 1. By Patrick Nordmann – http://schulphysikwiki.de/index.php/Datei:Definition_Ampere.png, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=91011035.

Рис. 2. By Ambrose Tardieu – The Dibner collection ::::::::::,,,;at the Smithsonian Institution (USA),, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=6366734.

Рис. 3. Указание авторства не требуется, лицензия Pixabay, 2021-06-14, может использоваться в коммерческих целях, https://clck.ru/VVqyJ.

В ряде бытовых электротехнических работ нужно уметь определить, измерить и рассчитать основные параметры электросети. Одним из них является сила электрического тока. Разберем, в чем измеряется сила тока, от чего зависит, с помощью какой формулы можно ее рассчитать, а также какие способы и правила применяются для измерения данной величины на практике.

Силой тока называется величина заряда, проходящего через проводник за определенное время

Сила тока – что это такое, в чем измеряется, от чего зависит

С научной точки зрения, силой электротока называется скалярная величина, рассчитываемая, как отношение проходящего через определенную поверхность заряда к временному интервалу. Для упрощения расчетов принимается, что заряд проходит через заданную площадь сечения провода в течение 1 сек.

Тем, кто только начинает осваивать основы электротехники, необходимо иметь представление о том, в каких единицах измеряется сила тока, а также от каких величин зависит – это напряжение, мощность и сопротивление. Согласно международной системе, эти параметры имеют следующие обозначения:

• Сила электротока – А, амперы.
• Напряжение – U, вольты.
• Сопротивление – R, Омы.
• Мощность – P, ватты.

Зависимость между параметрами проявляется так, что сила электротока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. При этом мощность выражается, как произведение напряжения на силу тока.

Основные параметры сети – сила электротока, напряжение и сопротивление

Справка! Сила электротока бывает постоянной и переменной. Для работы большей части современных бытовых приборов требуется первая разновидность. С целью придания электротоку бытовой сети постоянных характеристик технику оснащают специальными модулями – блоками питания, стабилизаторами, выпрямителями.

Формула для расчета

Для теоретического определения рассматриваемого параметра сети применяется простейшая зависимость:

Ст = Нс / Рп, где:

Ст – сила электрического тока, которая в данной формуле измеряется в стандартно принятых единицах измерения – амперах.

Нс – напряжение на участке, выражаемое в вольтах.

Рп – сопротивление проводника в омах.

С точки зрения полезного преобразования электроэнергии рассчитываемая характеристика растет или уменьшается прямо пропорционально мощности. Поэтому чем больше мощность оборудования, тем сильнее в нем электроток.

Сила электротока рассчитывается по закону Ома

Измерение – приборы, способы, правила

На практике чаще всего рассматриваемый параметр сети не вычисляется, а измеряется. Для этой цели применяется специальный прибор – амперметр. Его механизм работы основан на взаимодействии магнитного поля с проводной катушкой – главным рабочим элементом. Чем выше величина, тем сильнее действие и больше отклонение стрелки по шкале.

Для практического определения используются как аналоговые (стрелочные), так и цифровые модели. В обоих случаях в качестве единиц измерения силы тока используются амперы А, а также каратные им значения – мкА, мА и кА.

По способу измерения приборы разделяются на такие виды:

• Магнитноэлектрические.
• Электромагнитные.
• Тепловые.
• Электродинамические.
• Индукционные.
• Термоэлектрические.
• Детекторные.
• Фотоэлектрические.

Для постоянного тока применяют магнитноэлектрические модели, а для переменного – детекторные и индукционные. При этом чаще всего применяются многофункциональные измерители – мультиметры. Основными единицами измерения для них являются – сила тока, напряжение и сопротивление.

Для измерения параметров электроцепи нередко применяется мультиметр

Процедура измерения проводится по следующим правилам:

• Прибор подбирается в соответствии с типом цепи.
• Подключение к электроцепи выполняется последовательно и в разрыв.
• Контакты подсоединяются с соблюдением полярности.
• Тестируемая линия отключается.
• При достаточно высоком напряжении измеритель подключается с трансформатором, шунтом или магнитным усилителем.

Кроме того, прибор должен быть изначально правильно настроен по шкале чувствительности в соответствии с диапазоном измеряемой величины.

Видео описание

Видео-урок по силе электрического тока:

Коротко о главном

Единицей измерения силы тока называется ампер. Величина зависит от напряжения, сопротивления и мощности электроцепи. Рассчитывается с помощью простейшей формулы:

Для практического определения применяется амперметр или мультиметр. При этом процедура измерений должна выполняться строго по специальным правилам.

Ведущий специалист по инженерным системам и коммуникациям

Определение, формула, в чём измеряется сила тока.

Сила электрического тока (I) — физическая величина, численно равная заряду q, прошедшему через поперечное сечение проводника за единицу времени t. Единица измерения силы тока в СИ — Ампер (А).

Силу тока на практике часто выражают в килоамперах (кА), миллиамперах (мА), микроамперах (мкА):

• 1 кА = 1000 А = 1 · 103 А;
• 1 мА= 0,001 А= 1 · 10-3 А;
• 1 мкА= 0,000001 А= 1 · 10-6 А.

Единица измерения силы электрического тока названа в честь французского математика и физика Андре-Мари Ампера (1775-1836).

Интересный факт! В проводниках, как известно, могут двигаться электроны. Так вот, можно утверждать, что через поперечное сечение проводника течет ток силой 1 А, если за 1 секунду через него проходит 6,242⋅1018 электронов.

Формула для расчёта силы электрического тока

При условии, что течёт электрический ток постоянной силы, сила электрического тока I может быть рассчитана по следующей формуле:

I = q / t , где

• I — сила электрического тока (А);
• q — электрический заряд (Кл);
• t — время (с).

Из этого уравнения вытекают следующие соотношения между единицами измерения:

1 А = 1 Кулон / 1 секунда = 1 Кл / 1 c.

Силу электрического тока в проводнике также можно рассчитать с помощью закона Ома для участка цепи:

I = U / R, где

• U — электрическое напряжение приложенное к проводнику;
• R — электрическое сопротивление проводника.

Больше вариантов того, как можно найти силу электрического тока с примерами рассмотрено мной в статье: https://www.asutpp.ru/kak-nayti-silu-toka.html

Сила электрического тока в электрических цепях с последовательным и параллельным соединением проводников.

В статье «последовательное и параллельное соединение проводников» уже было рассмотрены особенности силы тока отдельно для электрической цепи с последовательным соединением проводников и для электрической цепи с параллельным соединением проводников.

Из этой статьи для электрической цепи с последовательным соединением проводников следует, что:

А для электрической цепи с параллельным соединением проводников следует, что:

Условие задачи. У нас есть постоянный электрический ток 0,5 А, протекающий через проводник, который поддерживается в течение 30 минут. Сколько электрического заряда было перемещено за это время?

Решение задачи. Мы знаем, что q = I * t. Переведем минуты в секунды: 30*60 = 1800 секунд, тогда получаем: q = 0,5 * 1800 = 900 Кл.

Измерение силы электрического тока

Электрический ток измеряется амперметрами. Также часто используются многофункциональные измерительные электроприборы, например, мультиметры, которые могут быть переключены в том числе в режим измерения силы электрического тока, и работать как амперметры.

Амперметры всегда подключаются последовательно к потребителю, в котором измеряется сила тока. Это означает, что ток через потребителя будет соответствует току через амперметр.

Для того чтобы определить силу тока таким способом, необходимо разорвать электрическую цепь в месте измерения и вставить амперметр.

Включают амперметр в цепь с помощью двух клемм, или зажимов, имеющихся на приборе. У одной из клемм амперметра, как правило, стоит знак «+», у другой «-» (иногда знака «-» нет). Клемму со знаком «+» нужно обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока.

Поскольку амперметр также имеет внутреннее сопротивление, оно влияет на электрическую цепь во время измерения. Однако сопротивление амперметра обычно настолько мало, что им можно пренебречь.

На рисунке 1 показано такое последовательное соединение на примере лампочки и амперметра.

Измерение силы тока

Если вы не хотите вмешиваться в электрическую цепь, отсоединяя проводники, то электрический ток также можно измерить косвенно с помощью токовых клещей. Другой вариант — измерить напряжение на потребителе, а затем, зная электрическое сопротивление потребителя, рассчитать ток, используя закон Ома.

Примеры типичных токов

Значения силы тока можно прочитать на информационных табличках на электроприёмниках или в руководствах к этим устройствам. В таблице ниже приведены типичные значения электрических токов для различных электроприёмников.

Список использованной литературы

• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 173—174. — 656 с.
• Перышкин А. В. Учебник для общеобразовательных учреждений 8 класс № 42.

Расчет электрических параметров необходим для правильных построений цепей. Поскольку целью использования электричества в электротехнике является задача по выполнению током работы, то встает вопрос о том, как найти силу тока. Данный параметр используют при вычислениях мощности и в расчетах потребления электрической энергии.

Существуют разные способы определения этого важного параметра, которые мы рассмотрим в данной статье.

Формулами

Параметры электрического тока всегда взаимосвязаны. Например, изменение величины нагрузки отображается на показателях других величин. Причем эти изменения подчиняются соответствующим законам, которые выражаются через формулы. Поэтому на практике для нахождения силы тока часто используют соответствующие формулы.

Через заряд и время

Вспомним определение (рис.1): электричество – это величина заряда, движимого силами электрического поля, преодолевающего за единицу времени условную плоскость проводника, называемую поперечным сечением проводника.

Рис. 1. Определение понятия сила тока

Таким образом, если известен электрический заряд, прошедший через проводник за определенное время, то не трудно найти величину этого заряда прошедшего за единицу времени, то есть: I = q/t

Через мощность и напряжение

В паспорте электроприбора обычно указывается его номинальная мощность и параметры электрической сети, для работы с которой он предназначен. Имея в распоряжении эти данные, можно вычислить силу тока по формуле: I = P/U.

Данное выражение вытекает из формулы для расчета мощности: P = IU.

Через напряжение или мощность и сопротивление

Силу электричества на участке цепи определяют по закону Ома. Для этого необходимо знать следующие параметры: сопротивление и напряжение на этом участке. Тогда I = U/R. Если известна мощность нагрузки, то ее можно выразить через квадрат силы тока умноженной на сопротивление участка: P = I2R, откуда

Для полной цепи эту величину вычисляют по закону Ома, но с учетом параметров источника питания.

Через ЭДС, внутреннее сопротивление и нагрузку R

Применяя закон Ома, адаптированный для полной цепи, вы можете вычислить максимальный ток по формуле I = ε / (R+r′), если известны параметры:

• внешнее сопротивление проводников (R);
• ЭДС источника питания (ε);
• внутреннее сопротивление источника, обладающего ЭДС (r′).

Примечание! Реальные источники питания обладают внутренним сопротивлением. Поскольку в электрической цепипоказатель силы тока может уменьшаться в связи с возрастанием сопротивления источника питания или в результате падения ЭДС. Именно из-за роста внутреннего сопротивления садится аккумулятор и ослабевает ЭДС элементов питания.

Закон Джоуля-Ленца

Казалось бы, что расчет силы тока по количеству тепла, выделяющегося в результате нагревания проводника, не имеет практического применения. Однако это не так. Рассмотрим это на примере.

Пусть требуется найти силу тока во время работы электрочайника. Для этого доведите до кипения 1 кг воды и засеките время в секундах. Предположим, начальная температура составляла 10 ºС. Тогда Q = Cm(τ – τ0) = 4200 Дж/кг× 1 кг (100 – 10) = 378 000 Дж.

Рис. 2. Закон Джоуля-Ленца

Из закона Джоуля-Ленца (изображение на рис. 2) вытекает формула:

Измерив сопротивление электроприбора и подставив значения в формулу, получим величину потребляемого тока.

Измерительными приборами

Если под руками имеются измерительные приборы, то с их помощью довольно просто найти силу тока. Необходимо лишь соблюдать правила измерений и не забывать о правилах безопасности.

Амперметром

Пользуясь приборами для измерения ампеража, следует помнить, что они подключаются в цепи последовательно. Внутреннее сопротивление амперметра очень маленькое, поэтому прибор легко выводится из строя, если проводить измерения пределами значений, для которых он рассчитан.

Схема подключения амперметра показана на рисунке 3. Обратите внимание на то, что на участке измеряемой электрической цепи обязательно должна быть нагрузка.

Рис. 3. Схема подключения амперметра

Большинство аналоговых амперметров, например, таких, как на рисунке 4, предназначены для измерений параметров в цепях с постоянными токами.

Рис. 4. Аналоговый амперметр

Обратите внимание распределение шкалы амперметра. Цена первого деления 50 А, а всех последующих – 10 А. Максимальная величина, которую можно измерить данным амперметром не должна превышать 300 А. Для измерений электрической величины в меньших либо в больших пределах следует применять соответствующие приборы, предназначенные для таких диапазонов. В этом смысле универсальность амперметра ограничена.

При измерениях постоянных токов необходимо соблюдать полярность щупов при подключении амперметра. Для подключения прибора требуется разрывать цепь. Это не всегда удобно. Иногда вычисление силы тока по формуле является предпочтительней, особенно если приходится проводить измерения в сложных электротехнических схемах.

Мультиметром

Преимущество мультиметра в том, что этот прибор многофункциональный. Современные мультиметры цифровые. У них есть режимы для измерений в цепях постоянных и переменных токов. В режиме измерения силы тока этот измерительный прибор подключается в цепь аналогично амперметру.

Перед включением мультиметра в цепь, всегда проверяйте режим измерений, а пределы измерения выбирайте заведомо большие предполагаемой силы тока. После первого измерения можно перейти в режим с меньшим диапазоном.

Для работы с переменным напряжением переводите прибор в соответствующий режим. Считывайте значения с дисплея после того, как цифры перестанут мелькать.

Покажем на простых примерах, как решать задачи на вычисление силы тока по формуле.

На участке цепи имеются три параллельно включенных резистора (см. рис. 5). Значения сопротивлений резисторов: R1 = 5 Ом; R2 = 25 Ом; R3 = 50 Ом. Требуется рассчитать силу тока для каждого резистора и на всём участке, если на нем поддерживается постоянное напряжение 100 В.

Рис. 5. Пример 1

Решение: При параллельном соединении нагрузочных элементов U  = const, то есть, напряжение одинаково на всех резисторах и составляет 100 В. Тогда, по закону Ома I = U/R

• I1 = U/R1 =100/5 = 20 А;
• I2 = U/R2 =100/25 ≈ 4 А;
• I3 = U/R3 =100/50 = 2 А.

Для вычисления искомого параметра на всем участке цепи, нам необходимо знать общее сопротивление этого участка. Учитывая тот факт, что при параллельном соединении нагрузочных элементов в цепи их общее сопротивление равно:

Имеем: 1/R= 1/5 + 1/25 + 1/50 = 13/50; R = 50/13 ≈ 3.85 (Ом)

Тогда: I = U/R = 100 В/3,85 Ом ≈26 А.

• Сила тока на сопротивлениях:  I1 =20 А; I2 = 4А; I3 = 2 А.
• Сила тока, поступающего на рассматриваемый участок цепи равна 26 А.

Мощность электрочайника 2 кВт. Чайник работает от городской сети под напряжением 220 В. Сколько электричества потребляет этот электроприбор?

Воспользуемся формулой для нахождения силы тока, включающей напряжение и мощность: I = P/U.

• 2 кВт преобразим в ватты: 2 кВт = 2000 Вт.
• Подставляем данные: I = 2 000 Вт/ 220 В ≈ 9 А
• Ответ: Нагревательный элемент электрочайника рассчитан на 9 А.

Вычислить силу тока в цепи, если известно, что сопротивление составляет 5 Ом, ЭДС источника питания 6 В, а его внутреннее сопротивление составляет 1 Ом.

Применяя закон Ома для полной цепи, запишем: I = ε / (R+r′)

I = 6 В / (5 Ом + 1 Ом) = 1 А.

Ответ: сила тока 1 А.

Сколько энергии потребляет электроплита за 2 часа работы, если сопротивление нагревательного элемента 40 Ом?

За время t электричество выполнит работу A = U*I*t.

Напряжение сети известно – оно составляет 220 В.Силу тока находим по формуле: I = U/R, тогда A = (U2/R)*t или

A = ((220 В)2 / 40 Ом) * 2 ч = 2420 Втч = 2,42 кВтч

Ответ: За 2 часа работы электроплита потребляет 2,42 кВт часов электроэнергии.

Применяя формулы для вычисления параметров электричества, пользуясь фундаментальными законами физики можно находить неизвестные данные для составных элементов цепей и электроприборов с целью оценки их состояния. В каждом отдельном случае необходимо определить известные параметры тока, которые можно использовать в дальнейших вычислениях. Обычно, это напряжение, мощность или сопротивление нагрузки.

Если можно обойтись без измерений амперметром – лучше прибегнуть к вычислениям, даже если при этом потребуется измерить напряжение. Такое измерение можно проводить без разрыва электрической цепи, чего нельзя сделать при помощи амперметра.

Открытия, связанные с электричеством, кардинально изменили нашу жизнь. Используя электрический ток как источник энергии, человечество сделало прорыв в технологиях, которые облегчили наше существование. Сегодня электричество приводит в движение токарные станки, автомобили, управляет роботизированной техникой, обеспечивает связь. Этот список можно продолжать очень долго. Даже трудно назвать отрасль, где можно обойтись без электроэнергии.

В чём секрет такого массового использования электричества? Ведь в природе существуют и другие источники энергии, более дешевые, чем электричество. Оказывается всё дело в транспортировке.

Электрическую энергию можно доставить практически везде:

• к производственному цеху;
• квартире;
• на поле;
• в шахту, под воду и т. д.

Электроэнергию, накопленную аккумулятором, можно носить с собой. Мы пользуемся этим ежедневно, беря с собой сотовый телефон. Ни один другой вид энергии не обладает такими универсальными свойствами как электричество. Разве это не является достаточной причиной для того, чтобы глубже изучить природу и свойства электричества?

Что такое электрический ток?

Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог относительно недавно. Удар молнии казался чем-то неестественным, необъяснимым. Странным казалось потрескивание некоторых предметов при их трении. Искрящаяся в темноте расчёска, после расчёсывания шерсти животных (например, кошки) вызвала недоумение, но подогревала интерес к этому явлению.

Как всё начиналось

Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».

Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.

Рис. 1. Опыт с заряженными телами

Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.

Определение

В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».

Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.

Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.

Рисунок 2. Электрофорная машина

Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.

С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.

Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.

Характеристики

Электрический ток характеризуется величинами, которые описывают его свойства.

Сила и плотность тока

Для описания характеристики электричества часто используют термин «сила тока». Название не совсем удачное, так как оно характеризует только интенсивность движения электрических зарядов, а не какую-то силу в буквальном смысле. Тем не менее, этим термином пользуются, и он означает количество электричества (зарядов) проходящего через плоскость поперечного сечения проводника. Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

1 А означает то, что за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит электрический заряд 1 Кл. (1А = 1 Кл/с).

Плотность тока  –  векторная величина. Вектор направлен в сторону движения положительных зарядов. Модуль этого вектора равен отношению силы тока на некотором перпендикулярном к направлению движения зарядов сечении проводника к площади этого сечения. В системе СИ измеряется в А/м2. Плотность более ёмко характеризует электричество, однако на практике чаще используется величина «сила тока».

Разница потенциалов (напряжение) на участке цепи выражается соотношением: U = I×R, где U – напряжение, I – сила тока, а R – сопротивление. Это знаменитый закон Ома для участка цепи.

Электрическими силами совершается работа против активного и реактивного сопротивления. На пассивных сопротивлениях работа преобразуется в тепловую энергию. Мощностью называют работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электричеству применяют термин «мощность тепловых потерь». Физики Джоуль и Ленц доказали, что мощность тепловых потерь проводника равна силе тока умноженной на напряжение: P = I× U. Единица измерения мощности – ватт (Вт).

Частота

Переменный ток характеризуется также частотой. Данная характеристика показывает, как за единицу времени изменяется количество периодов (колебаний). Единицей измерения частоты является герц. 1 Гц = 1 периоду за секунду. Стандартная частота промышленного тока составляет 50 Гц.

Ток смещения

Понятие «ток смещения» ввели для удобства, хотя в классическом понимании его нельзя назвать током, так как отсутствует перенос заряда. С другой стороны, интенсивность магнитного поля пребывает в зависимости от токов проводимости и смещения.

Токи смещения можно наблюдать в конденсаторах. Несмотря на то, что при зарядке и разрядке между обкладками конденсатора не происходит перемещения заряда, ток смещения протекает через конденсатор и замыкает электрическую цепь.

Виды тока

По способу генерации и свойствам электроток бывает постоянным и переменным. Постоянный – это такой, что не меняет своего направления. Он течёт всегда в одну сторону. Переменный ток периодически меняет направление. Под переменным понимают любой ток, кроме постоянного. Если мгновенные значения повторяются в неизменной последовательности через равные промежутки времени, то такой электроток называют периодическим.

Классификация переменного тока

Классифицировать изменяющиеся во времени токи можно следующим образом:

• Синусоидальный, подчиняющийся синусоидальной функции во времени.
• квазистационарный – переменный, медленно изменяющийся во времени. Обычные промышленные токи являются квазистационарными.
• Высокочастотный – частота которого превышает десятки кГц.
• Пульсирующий – импульс которого периодически изменяется.

Различают также вихревые токи, которые возникают в проводнике при изменении магнитного потока. Блуждающие токи Фуко, как их ещё называют, не текут по проводам, а образуют вихревые контуры. Индукционный ток имеет ту же природу что и вихревой.

Дрейфовая скорость электронов

Электричество по металлическому проводнику распространяется со скоростью света. Но это не означает, что заряженные частицы несутся от полюса к полюсу с такой же скоростью. Электроны в металлических проводниках встречают на своём пути сопротивление атомов, поэтому их реальное перемещение составляет всего 0,1 мм за секунду. Реальная, упорядоченная скорость перемещения электронов в проводнике называется дрейфовой.

Если замкнуть проводником полюсы источника питания, то вокруг проводника молниеносно образуется электрическое поле. Чем больше ЭДС источников, тем сильнее проявляется напряжённость электрического поля. Реагируя на напряжённость, заряженные частицы вмиг принимают упорядоченное движение и начинают дрейфовать.

Направление электрического тока

Традиционно считают, что вектор электрического тока направлен к отрицательному полюсу источника. Но на самом деле электроны движутся к положительному полюсу. Традиция возникла из-за того, что за направление вектора было выбрано движение положительных ионов в электролитах, которые действительно стремятся к негативному полюсу.

Электроны проводимости с отрицательным зарядом в металлах были открыты позже, но физики не стали менять первоначальные убеждения. Так укрепилось утверждение, что ток направлен от плюса к минусу.

Электрический ток в различных средах

Носителями тока в металлических проводниках являются свободные электроны, которые из-за слабых электрических связей хаотично блуждают внутри кристаллических решёток (рис. 3). Как только в проводнике появляется ЭДС, электроны начинают упорядочено дрейфовать в сторону позитивного полюса источника питания.

Рис. 3. Электрический ток в металлах

В результате прохождения тока возникает сопротивление проводников, которое препятствует потоку электронов и приводит нагреванию. При коротком замыкании выделение тепла настолько сильное, разрушает проводник.

В полупроводниках

В обычном состоянии у полупроводника нет свободных носителей зарядов.  Но если соединить два разных типа полупроводников, то при прямом подключении они превращаются в проводник. Происходит это потому, что у одного типа есть положительно заряженные ионы (дырки), а у другого – отрицательные ионы (атомы с лишним электроном).

Под напряжением электроны из одного полупроводника устремляются для замещения (рекомбинации) дырок в другом. Возникает упорядоченное движение свободных зарядов. Такую проводимость называют электронно-дырочной.

В вакууме и газе

Электрический ток возможен и в ионизированном газе. Заряд переносится положительными и отрицательными ионами. Ионизация газов возможна под действием излучения или вследствие сильного нагревания. Под действием этих факторов возбуждаются атомы, которые превращаются в ионы (рис. 4).

Рис 4. Электрический ток в газах

В вакууме электрические заряды не встречают сопротивления, поэтому. заряженные частицы движутся с околосветовыми скоростями. Носителями зарядов являются электроны. Для возникновения тока в вакууме необходимо создать источник электронов и достаточно большой положительный потенциал на электроде.

Примером может служить работа вакуумной лампы или электронно-лучевая трубка.

В жидкостях

Оговоримся сразу – не все жидкости являются проводниками. Электрический ток возможен в кислотных, щёлочных и соляных растворах. Иначе говоря – в средах, где имеются заряженные ионы.

Если опустить в раствор два электрода и подключить их к полюсам источника, то между ними будет протекать электрический ток (рис. 5). Под действием ЭДС катионы устремятся к катоду (минусу), а анионы к аноду. При этом будет происходить химическое воздействие на электроды – на них будут оседать атомы растворённых веществ. Такое явление называют электролизом.

Рис. 5. Электроток в жидкостях

Для лучшего понимания свойств электротока в разных средах, предлагаю рассмотреть картинку на рисунке 6. Обратите внимание на вольтамперные характеристики (4 столбец).

Рис. 6. Электрический ток в средах

Проводники электрического тока

Среди множества веществ, лишь некоторые являются проводниками. К хорошим проводникам относятся металлы. Важной характеристикой проводника является его удельное сопротивление.

Небольшое сопротивление имеют:

• все благородные металлы;
• медь;
• алюминий;
• олово;
• свинец.

На практике наиболее часто применяют алюминиевые и медные проводники, так как они не слишком дорогие.

Электробезопасность

Несмотря на то что электричество прочно вошло в нашу жизнь, не следует забывать об электробезопасности. Высокие напряжения опасны для жизни, а короткие замыкания становятся причиной пожаров.

При выполнении ремонтных работ необходимо строго соблюдать правила безопасности: не работать под высоким напряжением, использовать защитную одежду и специальные инструменты, применять ножи заземления и т.п.

В быту используйте только такую электротехнику, которая рассчитана на работу в соответствующей сети. Никогда не ставьте «жучки» вместо предохранителей.

Помните, что мощные электролитические конденсаторы имеют большую электрическую емкость. Накопленная в них энергия может вызвать поражение даже спустя несколько минут после отключения от сети.

Измерение сопротивления проводника

Сопротивление
проводника определяют по формуле R=U/I,
где U и I измеряются электроизмерительными
приборами. Для измерения сопротивлений
проводников существует несколько
различных методов. Набольшее распространение
получил метод двух приборов.

Метод двух
приборов (метод амперметра – вольтметра)

a)

б)

Рис. 1.1. Измерение
сопротивления по методу амперметра –
вольтметра

Метод точного
измерения напряжения.
При измерении сопротивления по схеме
рис.1.1а приборы будут показывать:

где IV
–
ток через вольтметр.

Метод точного
измерения тока.
При измерениях по схеме рис.1.1б приборы
будут показывать:

– падение напряжения на амперметре.

Значение сопротивления
можно определить, используя измеренные
значения тока и напряжения, по закону
Ома согласно выражению

Однако при этом
возникает методическая погрешность
измерения сопротивления (то есть
погрешность, обусловленная методом
измерения) вследствие шунтирующего
влияния сопротивления вольтметра при
измерении тока в первой схеме (рис. 1.1а)
и влияния внутреннего сопротивления
амперметра при измерении напряжения
во второй схеме (рис. 1.1б).

Измеренное значение
сопротивления по схеме рис. схеме на
рис. 1.1а будет определяться выражением

При этом абсолютная
погрешность измерения

Измеренное значение
сопротивления по схеме рис. 1.1б

Отсюда следует,
что погрешность тем меньше, чем меньше

Таким образом,
схему на рис. 1.1.а следует использовать
при измерениях малых сопротивлений
(

),
а схему на рис. 1.1.б – при измерениях
больших сопротивлений

Пример обработки результатов косвенных измерений при определении удельного сопротивления проводника

Для определения
удельного сопротивления проводника
необходимы: амперметр,
вольтметр, рулетку, микрометр или
штангенциркуль.

С их помощью
необходимо провести измерения и получить,
например, следующие результаты:

Сначала находим
приближенное значение удельного
сопротивления проводника используя
формулу:

Далее находим
относительные погрешности результатов
измерения:

Рассчитываем
среднюю абсолютную погрешность измерения
удельного сопротивления

а затем находим
границу относительной погрешности по
формуле:

Результаты измерения
удельного сопротивления записываем в
виде:

Анализируя
полученные отдельные относительные
погрешности определяем, что с наибольшей
тщательностью должны быть измерены
сила тока и диаметр проволоки. Если
измерение длины проволоки производить
с погрешностью отсчета в 1см, то упростятся
математические вычисления, а точность
результата измерения не уменьшится,
так как 1/100= 1%.

Следовательно,
если нужно повысить точность измерения
конечного результата, то необходимо
уменьшить ту погрешность измерения,
которая является наибольшей.

Для этого необходимо
применить при измерении физической
величины, дающей наибольшую погрешность,
меру или измерительный прибор большей
точности или использовать более
совершенный метод измерения.

Определение удельного сопротивления проводника

Цель
работы:
освоить приборы и методы измерения
сопротивления проводников, определить
удельное сопротивление проводника.

В
этом случае электрическое сопротивление
называют омическим
или активным.
Оно зависит от материала проводника,
его размеров и формы. Для
однородного по составу линейного
проводника с поперечным сечением S
и
длиной l

где

– коэффициент пропорциональности,
характеризующий материал проводника.
Называется этот коэффициент удельным
электрическим сопротивлением
и численно равен сопротивлению однородного
цилиндрического проводника, изготовленного
из данного материала, имеющего единичную
длину и единичную площадь поперечного
сечения.

Из
формулы (3.2) следует

то
есть, чтобы определить удельное
сопротивление однородного по химическому
составу проводника, имеющего постоянную
площадь поперечного сечения, необходимо
измерить его сопротивление постоянному
току и геометрические параметры.

Методы измерений сопротивления проводника

В
работе реализуют три метода измерения
сопротивления проводника:

1)
технический метод – по измеренным
значениям тока и напряжения;

3)
с использованием омметра.

1.
Технический
метод
осуществляют по схеме, приведённой на
рис. 3.1.

Рис. 3.1. Электрическая схема:

При
этом измеряют ток I
через резистор и падение напряжения на
нём U.
Это позволяет рассчитать неизвестное
сопротивление резистора R
(3.1):

2.
Метод измерений с
помощью моста постоянного тока.
Измерительные
мосты – это высокоточные
приборы,
предназначенные для измерения
электрических сопротивлений, ёмкостей,
индуктивностей и других параметров
методом уравновешенных мостовых цепей.
На рис. 3.2 приведена схема простейшего
моста (мостик
Уитстона),
который используется для измерения
сопротивлений.

Рис. 3.2. Электрическая схема простейшего
моста Уитстона:

1 – магазин
сопротивлений RМ,
2 – измеряемое сопротивление R,
3 – амперметр 4 – сопротивление R1
= 100 Ом, 5 – сопротивление R2
= 10 Ом,; 6 – сопротивление R0
= 470 Ом, 7 – источник постоянного напряжения
«+15 В»

Подбирая
значение сопротивления магазинаRМ,
добиваются равенства потенциалов точек
а
и б,
при этом ток IA,
текущий через амперметр,
обращается
в нуль. В таком уравновешенном состоянии
моста выполняются равенства:

Из
этих соотношений следует расчётная
формула

Резистор
R0
в схеме служит для ограничения тока,
протекающего через мост.

3.
Использование
омметра
является наиболее простым методом:
достаточно подключить измеряемый
резистор к входам омметра и считать
показания прибора. В основе работы
омметров обычно лежит приближённый
технический метод: шкалу прибора
градуируют с использованием формулы
(3.4) при фиксированном напряжении U
батареи питания. Этот метод применяют,
когда не нужна высокая точность измерений.

Соседние файлы в папке физика.2.1-M.F

Электрическое сопротивление

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 29 января 2022 года; проверки требуют 6 правок.

Сопротивление для цепей переменного тока и для переменных электромагнитных полей описывается понятиями импеданса и волнового сопротивления. Сопротивлением (резистором) также называют радиодеталь, предназначенную для введения в электрические цепи активного сопротивления.

Сопротивление (часто обозначается буквой или ) считается, в определённых пределах, постоянной величиной для данного проводника; её можно рассчитать как

— сопротивление, Ом (Ω);
 — разность электрических потенциалов (напряжение) на концах проводника, Вольт (В);
 — сила тока, протекающего между концами проводника под действием разности потенциалов, Ампер (А).

ИсторияПравить

В 1826 г. Георг Ом экспериментальным путем открыл основной закон электрической цепи, научился вычислять сопротивление металлических проводников и вывел закон Ома. Таким образом, в первом периоде развития электротехники (1800 –1831 годы) были созданы предпосылки для ее развития, для последующих применений электрического тока.

Единицы и размерностиПравить

• статом (в СГСЭ и гауссовой системе, 1 statΩ = (109 −2) с/см = 898 755 178 736,818 Ом (точно) ≈ 8,98755·1011 Ом, равен сопротивлению проводника, через который под напряжением течёт ток );
• абом (в СГСМ, 1 abΩ = 1·10−9 Ом = 1 наноом, равен сопротивлению проводника, через который под напряжением течёт ток ).

Физика явленияПравить

Высокая электропроводность металлов связана с тем, что в них имеется большое количество носителей тока — электронов проводимости, образующихся из валентных электронов атомов металла, которые не принадлежат определённому атому. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки (на примесях, дефектах решётки, а также нарушениях периодической структуры, связанной с тепловыми колебаниями ионов). При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.

В других средах (полупроводниках, диэлектриках, электролитах, неполярных жидкостях, газах и т. д.) в зависимости от природы носителей заряда физическая причина сопротивления может быть иной. Линейная зависимость, выраженная законом Ома, соблюдается не во всех случаях.

Сопротивление проводника при прочих равных условиях зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он состоит.

Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и вычисляется по формуле:

где ρ — удельное сопротивление вещества проводника, Ом·м, l — длина проводника, м, а S — площадь сечения, м².

Сопротивление однородного проводника также зависит от температуры.

Удельное сопротивление — скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения.

Сопротивление металлов снижается при понижении температуры; при температурах порядка нескольких кельвинов сопротивление большинства металлов и сплавов стремится или становится равным нулю (эффект сверхпроводимости). Напротив, сопротивление полупроводников и изоляторов при снижении температуры (в некотором диапазоне) растёт. Сопротивление также меняется по мере увеличения тока/напряжения, протекающего через проводник/полупроводник.

Зависимость сопротивления от материала, длины и площади поперечного сечения проводникаПравить

В металле подвижными носителями зарядов являются свободные электроны. Можно считать, что при своем хаотическом движении они ведут себя подобно молекулам газа. Поэтому в классической физике свободные электроны в металлах называют электронным газом и в первом приближении считают, что к нему применимы законы, установленные для идеального газа.

Плотность электронного газа и строение кристаллической решетки зависят от рода металла. Поэтому сопротивление проводника должно зависеть от рода его вещества. Кроме того, оно должно еще зависеть от длины проводника, площади его поперечного сечения и от температуры.

Влияние сечения проводника на его сопротивление объясняется тем, что при уменьшении сечения поток электронов в проводнике при одной и той же силе тока становится более плотным, поэтому и взаимодействие электронов с частицами вещества в проводнике становится сильнее.

видно, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Величину ρ, характеризующую зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он сделан, и от внешних условий, называют удельным сопротивлением вещества. Удельное сопротивление различных веществ при расчетах берут из таблиц.

Величину, обратную удельному сопротивлению, называют удельной проводимостью вещества и обозначают σ.

Сопротивление тела человекаПравить

• Омметр
• Измерительный мост
• Амперметр и вольтметр (сопротивление находится по формуле)

Средства воспроизведения сопротивления

• Магазин сопротивлений — набор резисторов
• Катушки электрического сопротивления

Государственный эталон сопротивления

В теории нелинейных цепей используются понятия статического и динамического сопротивлений. Статическим сопротивлением нелинейного элемента электрической цепи в заданной точке его ВАХ называют отношение напряжения на элементе к току в нем. Динамическим сопротивлением нелинейного элемента электрической цепи в заданной точке его ВАХ называют отношение бесконечно
малого приращения напряжения к соответствующему приращению тока.