Сила электрического тока это…
Количество воды, которая вытекает из трубы в один момент времени — это объём воды. Точно также, количество электронов, пробегающих через определенное место в один момент времени — это сила электрического тока.
Физики объясняют это определение как количество заряда, прошедшее через определенную поверхность за определенное время. Снова напрашивается аналогия с водой вытекающей из трубы или крана, не так ли?
Возьмем шприц, наберем в него воды и резко выдавим её. На воду в этот момент будет действовать давление, создаваемое поршнем, на который в свою очередь давит наша рука. Это аналог напряжения, толкающего электроны. Вода будет сильной струёй вылетать из носика шприца, так вот объём этой воды и будет являться аналогом силы электрического тока. Тонкая струйка будет означать малый объем воды и соответствовать малой силе тока.
Как пример, искра в зажигалке, создаваемая пьезоэлементом. Сила тока там очень мала, но высокое напряжение способно протолкнуть электроны даже через воздух, имеющий очень высокое сопротивление.
Теперь представим себе обратную ситуацию, мы отрезали кончик шприца и воде ничего не мешает вылететь из него за долю секунды (сопротивление проводника стало низким).
Значит объем воды в единицу времени (сила тока) будет довольно большим, вода буквально выплеснется толстым мощным потоком, подобно этому, по проводу соответствующему по своей толщиной, будет протекать ток с довольно большой силой.
Сила тока измеряется в амперах, эта единица измерения названа в честь французского физика Андре Ампера.
Как видно из примера со шприцом, напряжение, сила тока и сопротивление очень сильно взаимосвязаны, их взаимосвязи описаны в законе Ома.
Закон Ома гласит: «Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению данного участка цепи».
Другими словами: чем выше напряжение (U), тем выше сила тока (I), чем выше сопротивление, тем сила тока ниже.
Формула данного выражения записывается в таком виде:
I = UR
Как мы уже знаем из предыдущих статей, сопротивление измеряется в Омах, записывается как 1 Ом, сила тока в Амперах и записывается как 1 А
К примеру: имеем лампочку с сопротивлением 3 Ом, которая подключена к батарейке напряжением 1,5 в, значит сила тока текущая через лампочку будет равняться:
I = UI =1,5/3 =0,5 A
Эта теория напоминает скучный школьный курс физики, но без понимания этого простого правила, довольно сложно продвинуться в любом виде электроники, будь то робототехника или установка сигнализаций на автомобили.
Государственный вторичный эталон (эталон-копия) единицы электрического напряжения и электродвижущей силы с номинальными значениями 1 В и 10 В ГВЭТ 13-10-89
Номер эталона в госреестре: 2.1.ZZB.0076.2015
Область применения
Государственный вторичный эталон применяют в соответствии с государственной поверочной схемой для средств измерений постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы ГОСТ 8.027-2001.
Состав эталона:
- группа насыщенных нормальных элементов переменного состава,
- мера напряжения Fluke 732B,
- нановольтметр/микроомметр 34420А,
- термометр сопротивления универсальный платиновый ТСУ,
- коммутатор нормальных элементов и мер напряжения Р3007БК,
- блок коммутации платиновых термопреобразователей,
- мера электрического сопротивления однозначная постоянного тока Р3030,
- калибратор напряжений (источник стабильного сигнала) П327.
Метрологические характеристики
| Номинальные значения постоянного электрического напряжения и электродвижущей силы (ЭДС) | 1 В и 10 В |
| Среднее квадратическое отклонение SΣ0 результата сличений с государственным первичным эталоном единицы электрического напряжения – вольта ГЭТ 13-01 не превышает | 1,3·10-8 при номинальном значении постоянного электрического напряжения 1 В |
| 3·10-8 при номинальном значении постоянного электрического напряжения 10 В | |
| Нестабильность государственного вторичного эталона ν0 за межаттестационный интервал не превышает | 1·10-7 для среднего значения ЭДС группы нормальных элементов (НЭ) |
| 3·10-7 для меры напряжения на стабилитронах Fluke 732B |
Источники электрического тока
Чтобы получить электрический ток в проводнике, необходимо привести заряженные частицы в направленное движение. Но как получить ток, который существовал бы длительное время?
Возьмем два заряженных тела А и В, заряды которых равны по модулю, но противоположны по знаку, и соединим их проводником.
На отрицательно заряженном теле находится избыток электронов, на положительно заряженном теле – недостаток электронов. В проводнике на короткое время возникнет электрический ток. Он будет существовать до тех пор, пока не исчезнет электрическое поле.
Процесс разделения зарядов осуществляют источники электрического тока.
В источнике тока благодаря химическим или иным процессам (в зависимости от принципа его действия) происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частиц.
Эти разделенные частицы накапливаются на так называемых полюсах источника тока.
Примерами источников тока являются аккумуляторы. Они могут быть свинцовыми(кислотными), а также широкое применение получили железно-никелевые(щелочные).
В последние десятилетия наряду с традиционными источниками тока стали широко применяться источники, изготовленные на основе химического элемента лития.
Впечатляет также разнообразие габаритов источников электричества: от миниатюрныхбатареек для питания ручных часов и до мощных аккумуляторных батарей, устанавливаемых на подводных лодках.
«Сила тока. Напряжение»
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*10-7Н. 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: = 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)
5. Работа тока – физичeская величинa, хаpактеpизующая количество электроэнергии, превратившейся в другие виды энергии. Единица – 1 джоуль (1 Дж). Измерительный прибор – электрический счётчик, использующий единицу 1 киловатт-час (1 кВт·ч).
Конспект урока «Сила тока. Напряжение».
Следующая тема: «Электрическое сопротивление».
Государственный вторичный эталон единицы силы постоянного электрического тока – ампера — (эталон сравнения) в диапазоне 1·10-15…1·10-9 А ГВЭТ 4-01-2010
Номер эталона в госреестре: 2.1.ZZB.0025.2013
В основу работы эталона положены методы, при которых воспроизведение силы тока связано с измерениями постоянного напряжения и ёмкости.
Состав эталона:
- источник линейно изменяющегося напряжения,
- калибратор-измеритель напряжения и силы тока,
- набор дифференцирующих блоков.
Область применения
Применяется при сличении национальных эталонов силы малых постоянных токов, а также при передаче единицы силы тока другим эталонам и средствам измерений на местах их эксплуатации.
Метрологические характеристики
| Диапазон значений силы постоянного электрического тока, А | 1·10-15…1·10-9 |
| Доверительные границы суммарной погрешности tΣSΣ с доверительной вероятностью р=0,95 | 3,1·10-2…7,5·10-4 |
| Стандартная неопределённость результата измерений, оцениваемая по типу А | 1·10-2…2·10-4 |
Как зависит сила тока в проводнике от сопротивления этого проводника
Различные действия тока, такие, как нагревание проводника, магнитные и химические действия, зависят от силы тока. Изменяя силу тока в цепи, можно регулировать эти действия. Но чтобы управлять током в цепи, надо знать, от чего зависит сила тока в ней. Мы знаем, что электрический ток в цепи — это упорядоченное движение заряженных частиц в электрическом поле. Чем сильнее действие электрического поля на эти частицы, тем, очевидно, и больше сила тока в цепи. Но действие поля характеризуется физической величиной — напряжением. Поэтому можно предположить, что сила тока зависит от напряжения. Установим, какова эта зависимость, на опыте.
На рисунке изображена электрическая цепь, состоящая из источника тока — аккумулятора, амперметра, спирали из никелиновой проволоки, ключа и параллельно присоединенного к спирали вольтметра. Замыкают цепь и отмечают показания приборов. Затем присоединяют к первому аккумулятору второй такой же аккумулятор и снова замыкают цепь. Напряжение на спирали при этом увеличится вдвое, и амперметр покажет вдвое большую силу тока. При трех аккумуляторах напряжение на спирали увеличивается втрое, во столько , же раз увеличивается сила тока. Таким образом, опыт показывает, что во сколько раз увеличивается напряжение, приложенное к одному и тому же проводнику, во столько же раз увеличивается сила тока в нем. Другими словами, сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника. На рисунке показан график зависимости силы тока в проводнике от напряжения между концами этого проводника. На графике в условно выбранном масштабе по горизонтальной оси отложено напряжение в вольтах, а по вертикальной — сила тока в амперах.
Зависимость силы тока от напряжения мы уже установили. На основании опытов было показано, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника
Следует обратить внимание, что при проведении опыта сопротивление проводника не менялось, одна и та же спираль служила участком цепи, на котором измеряли напряжение и силу тока. При проведении физических опытов, в которых определяют зависимость одной величины от другой, все остальные величины должны быть постоянными, если они будут изменяться, то установить зависимость будет сложнее
Поэтому, определяя зависимость силы тока от сопротивления, напряжение на концах проводника надо поддерживать постоянным. Чтобы ответить на вопрос, как зависит сила тока в цепи от сопротивления, обратимся к опыту. На рисунке изображена электрическая цепь, источником тока в которой является аккумулятор. В эту цепь по очереди включают проводники, обладающие различными сопротивлениями. Напряжение на концах проводника во время опыта поддерживается постоянным. За этим следят по показаниям вольтметра. Силу тока в цепи измеряют амперметром. Ниже в таблице приведены результаты опытов с тремя различными проводниками: В первом опыте сопротивление проводника 1 Ом и сила тока в цепи 2 А. Сопротивление второго проводника 2 Ом, т.е. в два раза больше, а сила тока в два раза меньше. И наконец, в третьем случае сопротивление цепи увеличилось в четыре раза и во столько же раз уменьшилась сила тока. Напомним, что напряжение на концах проводников во всех трех опытах было одинаковое, равное 2 В. Обобщая результаты опытов, приходим к выводу: сила тока в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Зависимость силы тока от напряжения на концах участка цепи и сопротивления этого участка называется законом Ома по имени немецкого ученого Ома, открывшего этот закон в 1827 г. Закон Ома читается так: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению: I=U/R здесь I — сила тока в участке цепи, U — напряжение на этом участке, R — сопротивление участка.Закон Ома — один из основных физических законов. На рисунке зависимость силы тока от сопротивления проводника при одном и том же напряжении на его концах показана графически. На этом графике по горизонтальной оси в условно выбранном масштабе отложены сопротивления проводников в омах, по вертикальной — сила тока в амперах. Из формулы I=U/R — следует, что U=IR и R=U/I . Следовательно, зная силу тока и сопротивление, можно по закону Ома вычислить напряжение на участке цепи, а зная напряжение и силу тока — сопротивление участка. Сопротивление проводника можно определить по формуле R=U/I , однако надо понимать, что R — величина постоянная для данного проводника и не зависит ни от напряжения, ни от силы тока. Если напряжение на данном проводнике увеличится, например, в 3 раза, то во столько же раз увеличится и сила тока в нем, а отношение напряжения к силе тока не изменится.
Источник
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»:,»answer»:0}}}]}
Электрический заряд можно делить
Если в природе существуют заряженные частицы, значит, заряд, полученный телом при электризации, состоит из суммы зарядов этих частиц.
Обнаружить простейший и самый маленький заряд в природе, можно с помощью деления общего заряда тела на части.
Метод половинного деления
Этот метод заключается в делении какой-либо величины на две равные части. После этого, выбирают одну из частей и опять делят на две равные части.
Каждый раз выбирают половину и делят ее пополам, до тех пор, пока не получат самую маленькую часть, заряда которую разделить не получится.
Этот метод можно продемонстрировать на опыте.
Демонстрация деления заряда с помощью электрометров
Для проведения эксперимента потребуется два . Зарядим один из электрометров, а второй оставим незаряженным (рис. 1).
Рис. 1. Один электрометр заряжен, второй — нет
После соединим электрометры металлическим предметом – линейкой, проволокой и т. п. Мы увидим, что первоначальный заряд распределится между двумя электрометрами поровну (рис. 2).
Рис. 2. Первоначальный заряд разделился на две равные части между двумя электрометрами
Теперь уберем заряд одного из электрометров. А половинный заряд, оставшийся на втором приборе, опять разделим пополам, соединив измерительные приборы – заряженный и незаряженный, металлическим предметом. Этот остаточный заряд распределится между приборами поровну.
Проделав такой опыт некоторое количество раз, получим на одном из электрометров малый остаточный заряд, который разделить на части не получится. Такой заряд называют элементарным.
Государственный вторичный эталон единицы электрического напряжения — эталон сравнения — с номинальным значением 1 В ГВЭТ 13-3-2010
Номер эталона в госреестре: 2.1.ZZB.0023.2015
Область применения
Применяется при сличении национальных эталонов единицы напряжения, основанных на применении квантового эффекта Джозефсона.
Состав эталона:
- криогенный преобразователь частоты электромагнитных колебаний в электрическое напряжение,
- блок смещения,
- генератор электромагнитных колебаний СВЧ диапазона,
- блок питания.
Метрологические характеристики
| Номинальное значение постоянного электрического напряжения, при котором эталон сравнения хранит и передаёт единицу | 1 В |
| Среднее квадратическое отклонение SΣ0 результата сличений с государственным первичным эталоном единицы электрического напряжения не превышает | 2·10-9 |
| Стандартная неопределённость результата измерений, оценённая по типу А, не превышает | 2·10-9 |
| Нестабильность эталона сравнения ν за цикл сличений (не более 1 года) не превышает | 1·10-9 |
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).
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»:,»explanations»:,»answer»:}}}]}
Создаем кратковременный ток и выясняем условия его существования
Можно создать электрический ток с помощью двух заряженных противоположно тел.
Ток – это движение зарядов. Поэтому, нужно обеспечить возможность зарядам двигаться. То есть, нужно создать между телами дорожку, по которой заряды начнут перемещаться из одного места пространства в другое.
Продемонстрировать возникновение тока на небольшой промежуток времени можно с помощью двух электрометров, заряженных противоположно.
Попробуем для начала соединить два заряженных тела куском диэлектрика (рис. 15).
Рис. 15. Если диэлектриком соединить два заряженных тела, электрический ток не возникает
Как видно, после соединения заряд каждого из электрометров не изменился.
Это значит, что ток не возник. Дело в том, что в диэлектрике все электроны связаны со своими атомами и свободных электронов нет.
Именно свободные заряды будут передвигаться и их согласованное направленное движение мы назовем электрическим током.
Поэтому, одним из условий существования тока будет наличие свободных зарядов. То есть, наличие проводника, содержащего такие заряды.
Однако, только лишь наличия проводника недостаточно. Действительно, в проводнике присутствуют свободные заряды. Но для того, чтобы эти заряды начали совместное движение в определенную сторону, нужно, чтобы на них подействовала сила, которая будет их передвигать в этом направлении.
Сила будет действовать на заряженную частицу, если ее поместить в электрическом поле.
Электрическое поле существует в пространстве вокруг заряженных тел.
Если соединить проводником два тела, имеющие противоположные заряды, то на свободные частицы в проводнике будет действовать электрическое поле. Это поле подхватит заставит двигаться электроны в определенном направлении.
Поэтому, еще одно условие для возникновения тока – это электрическое поле.
Рис. 16. После соединения проводником, заряженные противоположными зарядами электрометры разрядились
Рис. 17. Электроны двигаются против направления электрического поля
Ток течет в направлении движения положительных зарядов.
Соединив два заряженных металлических тела проводником, мы получим ток лишь на короткий промежуток времени. Это время будет составлять доли секунды.
Кроме того, в начальный момент времени сила тока будет самой большой. А далее будет убывать по мере того, как тела будут разряжаться и их потенциалы (ссылка) будут выравниваться.
Мы же хотим, чтобы ток протекал постоянно, или, по крайней мере, достаточно длительный промежуток времени, выбранный по нашему усмотрению. И чтобы во время протекания тока его сила не изменялась.
Как этого добиться? Мы вплотную приблизились к третьему условию существования постоянного электрического тока.
Как измерить силу тока
Эту характеристику можно измерить с помощью амперметра. Прибор последовательно подключается к электрической сети (плюс к плюсу, минус к минусу). Чем ниже сопротивление амперметра, тем меньше его влияние на измерения, и тем они точнее. Если сопротивление амперметра стремится к нулю, он нейтрален и не влияет на показатели сети.
Работа амперметра основана на магнитном действии тока. Чем больше сила тока, проходящего по катушки, тем сильнее она взаимодействует с магнитом и тем больше угол поворота стрелки амперметра.
При измерении силы тока амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить.
У каждой клеммы прибора стоит свой знак: “+” или “-“.
Клемму со знаком “+” нужно соединить с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, а клемму со знаком “-” – с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока.
На электрических схемах амперметр изображают в виде кружка с буквой А.
Виды амперметров
По конструкции амперметры бывают:
- аналоговые (со стрелочной измерительной головкой);
- цифровые (с индикатором).
Амперметр – прибор для измерения силы тока в амперах.
По способу измерения:
- Магнитоэлектрические, в которых отклонение чувствительной стрелки и показатели зависят от силы взаимодействия полей постоянного магнита и поля электрического тока в алюминиевой рамке, и угла поворота последней.
- Электромагнитные, показатели которых меняются с подвижками железного сердечника под влиянием электромагнитного поля катушки.
- Электродинамические, в которых отклонение стрелки связано с притяжением или отклонением подвижной катушки относительно неподвижной, соединенных последовательно или параллельно.
- Тепловые, в которых при нагреве электрическим током происходит изменение длины металлической нити и положения связанной с нитью измерительной стрелки.
- Индукционные, в которых связанный со стрелкой металлический диск отклоняется под воздействием электромагнитного поля неподвижных катушек.
- Детекторные, в которых магнитоэлектрический прибор соединен с выпрямителем-детектором.
- Термоэлектрические, которые состоят из нагревателя и магнитоэлектрического измерительного механизма.
- Фотоэлектрические, в которых фотоэлектрический элемент преобразует световой поток в электрический.
Магнитоэлектрические приборы определяют только силу постоянного тока, индукционные и детекторные – переменного. Фотоэлектрические высокоточные приборы работают с постоянным током и током низкой и высокой частоты.
Остальные из перечисленных подходят для разных токов.
Приборы бывают многофункциональными, т.е. действующими в разных режимах. Например, мультиметр работает и как вольтметр, и как омметр, и как мегомметр (для высоких сопротивлений).
В всех современных измерительных приборах есть переключатель диапазона чувствительности.
Правила измерения
- Амперметр включается в электросеть последовательно, «в разрыв цепи».
- При включении прибора в сеть, необходимо соблюдать полярность, присоединяя «+» прибора к «+» источника тока, а «-» к «-».
- Тестируемая линия при подключении должна быть обесточена. Иначе прикасание щупами прибора к проводам или контактам может вызвать короткое замыкание.
- При высоких напряжениях в цепь переменного тока помимо амперметра включается трансформатор или шунт, в цепь постоянного – магнитный усилитель или шунт.
- Тип амперметра для измерений выбирают в соответствии с типом электрического прибора или линии. Также учитывают требуемую точность показателей.
Перед подключением необходимо подробно изучить инструкцию к амперметру.
4+
Источник: