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?
Если изолированный проводник поместить в электрическое поле \(\overrightarrow{E} \), то на свободные заряды \(q\) в проводнике будет действовать сила \(\overrightarrow{F} = q\overrightarrow{E}\) В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю.
Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда.
Направленное движение заряженных частиц называется электрическим током.
За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.
Количественной мерой электрического тока служит сила тока \(I\) - скалярная физическая величина, равная отношению заряда \(\Delta q\), переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени \(\Delta t\), к этому интервалу времени:
$$I = \frac{\Delta q}{\Delta t} $$
Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным .
В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в Амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током.
Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи , в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю. Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения . Такие устройства называются источниками постоянного тока . Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами .
Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.
Физическая величина, равная отношению работы \(A_{ст}\) сторонних сил при перемещении заряда \(q\) от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):
$$ЭДС=\varepsilon=\frac{A_{ст}}{q}. $$
Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в Вольтах (В).
При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.
Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными . Участки, включающие источники тока, называются неоднородными .
При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов \(\Delta \phi_{12} = \phi_{1} - \phi_{2}\) между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе \(\mathcal{E}\), действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна
$$U_{12} = \phi_{1} - \phi_{2} + \mathcal{E}$$
Величину U 12 принято называть напряжением на участке цепи 1-2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:
$$U_{12} = \phi_{1} - \phi_{2}$$
Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока \(I\), текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению \(U\) на концах проводника:
$$I = \frac{1}{R} U; \: U = IR$$
где \(R\) = const.
Величину R принято называть электрическим сопротивлением . Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором . Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит Ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.
Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными . Графическая зависимость силы тока \(I\) от напряжения \(U\) (такие графики называются вольт-амперными характеристиками , сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.
Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:
$$IR = U_{12} = \phi_{1} - \phi_{2} + \mathcal{E} = \Delta \phi_{12} + \mathcal{E}$$
$$\color{blue}{I = \frac{U}{R}}$$
Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи .
На рис. 1.8.2 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd ) является однородным.
|
|
|
Рисунок 1.8.2. Цепь постоянного тока |
По закону Ома
$$IR = \Delta\phi_{cd}$$
Участок (ab ) содержит источник тока с ЭДС, равной \(\mathcal{E}\).
По закону Ома для неоднородного участка,
$$Ir = \Delta \phi_{ab} + \mathcal{E}$$
Сложив оба равенства, получим:
$$I(R+r) = \Delta\phi_{cd} + \Delta \phi_{ab} + \mathcal{E}$$
Но \(\Delta\phi_{cd} = \Delta \phi_{ba} = -\Delta \phi_{ab}\).
$$\color{blue}{I=\frac{\mathcal{E}}{R + r}}$$
Эта формула выражает закон Ома для полной цепи : сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи (внутреннего сопротивления источника).
Сопротивление r неоднородного участка на рис. 1.8.2 можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока . В этом случае участок (ab ) на рис. 1.8.2 является внутренним участком источника. Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (\(R\ \ll r\)), тогда в цепи потечет ток короткого замыкания
$$I_{кз}=\frac{\mathcal{E}}{r}$$
Сила тока короткого замыкания - максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой \(\mathcal{E}\) и внутренним сопротивлением \(r\). У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.
В ряде случаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания к источнику последовательно подсоединяется некоторое внешнее сопротивление. Тогда сопротивление r равно сумме внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока не окажется чрезмерно большой.
Если внешняя цепь разомкнута, то \(\Delta \phi_{ba} = -\Delta \phi_{ab} = \mathcal{E}\), т. е. разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС.
Если внешнее нагрузочное сопротивление R включено и через батарею протекает ток I , разность потенциалов на ее полюсах становится равной
$$\Delta \phi_{ba} = \mathcal{E} - Ir$$
На рис. 1.8.3 дано схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС равной \(\mathcal{E}\) и внутренним сопротивлением r в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку и режим короткого замыкания (к. з.). Указаны напряженность \(\overrightarrow{E}\) электрического поля внутри батареи и силы, действующие на положительные заряды:\(\overrightarrow{F}_{э}\) - электрическая сила и \(\overrightarrow{F}_{ст}\) - сторонняя сила. В режиме короткого замыкания электрическое поле внутри батареи исчезает.
Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы - вольтметры и амперметры .
Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением \(R_{В}\). Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1.8.4, это условие записывается в виде:
$$R_{В} \gg R_{1}$$
Это условие означает, что ток \(I_{В} = \Delta \phi_{cd} / R_{В}\), протекающий через вольтметр, много меньше тока \(I = \Delta \phi_{cd} / R_{1}\), который протекает по тестируемому участку цепи.
Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.
Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением \(R_{А}\). В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию
$$R_{А} \ll (r + R_{1} + R{2})$$
чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся.
Измерительные приборы - вольтметры и амперметры - бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.
Сила тока
Характеристикой тока в цепи служит величина, называемая силой тока (I ). Сила тока – физическая величина, характеризующая скорость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда q , прошедшeгo через пoперeчное сечение проводника за промежуток времени t , к этому промежутку времени: I = q/t . Единица измерения силы тока – 1 ампер (1 А).
Определение единицы силы тока основано на магнитном действии тока, в частности на взаимодействии параллельных проводников, по которым идёт электрический ток. Такие проводники притягиваются, если ток по ним идёт в одном направлении, и отталкиваются, если направление тока в них противоположное.
За единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной 1 м, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 2*10 -7 Н . Эта единица и называется ампером (1 А).
Зная формулу силы тока, можно получить единицу электрического заряда: 1 Кл = 1А * 1с.
Амперметр
Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называется амперметром . Его работа основана на магнитном действии тока. Основные части амперметра магнит и катушка . При прохождении по катушке электрического тока она в результате взаимодействия с магнитом, поворачивается и поворачивает соединённую с ней стрелку. Чем больше сила тока, проходящего через катушку, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки. Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить, и потому он имеет малое внутреннее сопротивление, которое практически не влияет на сопротивление цепи и на силу тока в цепи.
У клемм амперметра стоят знаки «+» и «-» , при включении амперметра в цепь клемма со знаком «+» присоединяется к положительному пoлюсу источника тока, а клемма со знаком «-» к отрицательному пoлюсу истoчникa тока.
Напряжение
Источник тока создаёт электрическое поле, которое приводит в движение электрические заряды. Характеристикой источника тока служит величина, называемая напряжением . Чем оно больше, тем сильнее созданное им поле. Напряжение характеризует работу, которую совершает электрическое поле по перемещению электрического заряда.
Напряжение (U ) — это физическая величина, равную отношению работы (А ) электрического поля по перемещению электрического заряда к заряду (q): U = A/q .
Возможно другое определение понятия напряжения. Если числитель и знаменатель в формуле напряжения умножить на время движения заряда (t ), то получим: U = At/qt . В числителе этой дроби стоит мощность тока (Р ), а в знаменателе - сила тока (I ). Получается формула: U = Р/I , т.е. напряжение - это физическая величина, равная отношению мощности электрического тока к силе тока в цепи.
Единица напряжения: [U ] = 1 Дж/1 Кл = 1 В (один вольт).
Вольтметр
Напряжение измеряют вольтметром. Он имеет такое же устройство, что и амперметр и такой же принцип действия, но он подключается параллельно тому участку цепи, напряжение на котором хотят. Внутреннее сопротивление вольтметра достаточно большое, соответственно проходящий через него ток мал по сравнению с током в цепи.
У клемм вольтметра стоят знаки «+» и «-» , при включении вольтметра в цепь клeмма со знаком «+» присоединяется к положительному полюсу источника тока, а клеммa со знаком «-» к отрицательному полюсу источника тока.
Формулы и определения.
1. Все проводники, используемые в электрических цепях , имеют условные обозначения для изображения на схемах и могут образовывать последовательные, параллельные и смешанные соединения.
2. Мощность тока – физическая величинa, хаpактеpизующая скорость превращения электрической энергии в другие её виды. Единица для измерения – 1 ватт (1 Вт). Измерительный прибор – ваттметр.
3. Сила тока – физическaя вeличина, характеpизующaя скоpость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда, пpoшедшего через попеpeчное сечение проводника, ко времени перемещения. Единица – 1 ампер (1 А). Измерительный прибор – амперметр (подключают последовательно).
4. Электрическое напряжение – физическaя вeличина, характеризующая электрическое поле, создающее ток, и равная отношению мощности тока к его силе. Единица – 1 вольт (1 В). Измерительный прибор – вольтметр (подключают параллельно)
Наверное, каждый хотя бы раз в жизни ощущал на себе действие тока . Обыкновенная батарейка едва ощутимо пощипывает, если приложить ее к языку. Ток в квартирной розетке довольно сильно бьет, если коснуться оголенных проводов. А вот электрический стул и линии электропередач могут лишить жизни.
Во всех случаях мы говорим о действии электрического тока . Чем же так отличается один ток от другого, что разница в его воздействии столь существенна? Очевидно, есть некая количественная характеристика, которой можно объяснить такое различие. Ток, как известно, это передвигающиеся по проводнику электроны. Можно предположить, что чем больше через сечение проводника пробежит электронов, тем большее действие произведет ток.
Формула силы тока
Для того, чтобы охарактеризовать заряд, проходящий через проводник, ввели физическую величину, называемую силой электрического тока. Сила тока в проводнике - это количество электричества, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени. Сила тока равна отношению электрического заряда ко времени его прохождения. Для расчета силы тока применяют формулу:
где I- сила тока,
q - электрический заряд,
t - время.
За единицу силы тока в цепи принят 1 Ампер (1 А) в честь французского ученого Андре Ампера. На практике часто применяют кратные единицы: миллиамперы, микроамперы и килоамперы.
Измерение силы тока амперметром
Для измерения силы тока применяют амперметры. Амперметры бывают различными в зависимости от того, для каких измерений они рассчитаны. Соответственно, шкалу прибора градуируют в требуемых величинах. Амперметр подключается в любом месте сети последовательно. Место подключения амперметра не имеет значения, так как количество электричества, проходящее через цепь, в любом месте будет одинаково. Электроны не могут скапливаться в каких-либо местах цепи, они текут равномерно по всем проводам и элементам. При подключении амперметра до и после нагрузки он покажет одинаковые значения.
Первые ученые, исследовавшие электричество, не имели приборов дл измерения силы тока и величины заряда. Они проверяли наличие тока собственными ощущениями, пропуская его через свое тело. Довольно неприятный способ. На то время силы токов, с которыми они работали, были не очень велики, поэтому большинство исследователей отделывались лишь неприятными ощущениями. Однако, в наше время даже в быту, не говоря уже про промышленность, используются токи очень больших значений.
Следует знать, что для человеческого организма безопасной признана величина силы тока до 1 мА. Величина тока больше 100 мА может привести к серьезным повреждениям организма. Величина тока в несколько ампер может убить человека. При этом еще нужно учитывать индивидуальную восприимчивость организма, которая различна у каждого человека. Поэтому следует помнить о главном требовании при эксплуатации электроприборов - безопасность.
