Единица измерения силы тока, формула расчета характеристик тока
› Новости
: 03.09.2018
Вопрос №1 § 37. Сила тока. Единицы силы тока — Физика 8 класс (Перышкин)
Абстрактное понятие об электрическом токе есть у каждого человека. Для электрического прибора источник питания — это нечто вроде источника воздуха для любого дышащего организма. Но на этих сравнениях понимание природы явления ограничивается, и только специалисты понимают суть глубже.
Плотность тока
В школьной программе все проходят курс физики, в котором описаны основные понятия и законы электричества. Сухой, научный подход не вызывает интерес у детей, поэтому большинство взрослых не имеют никакого представления о том, что из себя представляет электрический ток, почему он возникает, как у него единица измерения, и как вообще что-то может двигаться сквозь неподвижные металлические провода, да еще заставлять работать электроприборы.
Понятие электрического тока, его
Простыми словами об электрическом токе
Стандартное определение из школьного учебника по физике лаконично описывает явление электрического тока. Но если говорить откровенно, то полноценно понять это можно, если изучить предмет гораздо глубже. Ведь информация изложена на другом языке — научном. Гораздо легче разобраться в природе физического явления, если описать все привычным языком, понятному любому человеку. Например, ток в металле.
Начать следует с того, что все, что мы считаем твердым и неподвижным, является таким только в нашем представлении. Кусок металла, лежащий на земле — это монолитное неподвижное тело в человеческом понимании. Для аналогии представим нашу планету в космосе, взглянув на нее с поверхности Марса.
Земля кажется целостным, неподвижным телом. Если же приблизиться к ее поверхности, то станет очевидно, что это не монолитный кусок материи, а постоянное движение: вода, газы, живые существа, литосферные плиты — все это безостановочно перемещается, хотя из далекого космоса этого и не видно.
Вернемся к нашему лежащему на земле куску металла. Он неподвижен, потому что мы смотрим на него со стороны как на монолитный объект. На атомном же уровне он состоит из постоянно движущихся мельчайших элементов.
Они бывают разные, но среди всех, нам интересны электроны, которые и создают в металлах электромагнитное поле, порождающее тот самый ток.
Слово «ток» нужно понимать буквально, потому что когда элементы с электрическим зарядом перемещаются, то есть «текут», из одного заряженного объекта в другой — тогда и происходит «электрический ток».
Разобравшись с основными понятиями, можно вывести общее определение:
Электрический ток — это поток заряженных частиц, движущихся из тела с более высоким зарядом в тело с более низким зарядом.
Чтобы еще точнее понять суть, нужно углубиться в детали и получить ответы на несколько основных вопросов.
сюжет
Ответы на главные вопросы об электрическом токе
После формулировки определения, возникает несколько логичных вопросов.
Что заставляет ток «течь», то есть перемещаться?Если мельчайшие элементы металла постоянно перемещаются, то почему он не деформируется?Если что-то перетекает из одного объекта в другой, то меняется ли масса этих объектов?
Ответ на первый вопрос прост. Как вода течет с высокой точки в низкую — так и электроны будут течь из тела с высоким зарядом в тело с низким, повинуясь законам физики. А «заряд» (или же потенциал) — это количество электронов в теле, и чем их больше — тем заряд выше. Если между двумя телами с разными зарядами будет проложен контакт — электроны из более заряженного тела потекут в менее заряженное. Так возникнет ток, который закончится тогда, когда заряды двух контактирующих тел уравняются.
Чтобы понять, почему провод не меняет структуру, несмотря на то, что в нем постоянно происходит движение, нужно представить его в виде большого дома, в котором живут люди. Размер дома не будет меняться о того, сколько людей в него заходят и выходят, а также перемещаются внутри. Человек в данном случае аналог электрона в металле — он свободно перемещается и не имеет особой массы по сравнению с целым зданием.
Если электроны перемещаются из одного тела в другое — почему масса тел не меняется? Дело в том, что вес электрона настолько мал, что, даже если удалить из тела все электроны, его масса не изменится.
Что такое единица измерения силы тока
Чтобы «посчитать» электрический ток, используются разные единицы измерения, разберем три основных:
Сила тока.Напряжение.Сопротивление.
Если попытаться описать понятие силы тока простыми словами, лучше всего представить поток автомобилей, проходящих через тоннель. Автомобили — это электроны, а тоннель — провод. Чем больше автомобилей проходит в один момент времени через поперечное сечение тоннеля — тем больше сила тока, которая измеряется прибором под названием «амперметр» в Амперах (А), а в формулах обозначается буквой (I).
Напряжение — это относительная величина, выражающая разницу зарядов тел, между которыми идет ток. Если у одного объекта заряд очень высокий, а другого очень низкий, то между ними будет высокое напряжение, для измерения которого используют прибор «вольтметр» и единицы под названием Вольт (V). В формулах идентифицируется буквой (U).
Сопротивление характеризует способность проводника, условно медного провода, пропускать через себя определенное количество тока, то есть электронов. Оказывающий сопротивление проводник генерирует тепло, расходуя часть энергии проходящего через него тока, тем самым понижая его силу. Сопротивление вычисляют в Омах (Ом), а в формулах используют букву (R).
Применяя три физические величины, можно вычислять характеристики тока, используя Закона Ома. Он выражается формулой:
I=U/R
Где I — сила тока, U — напряжение на участке цепи, R — сопротивление.
Из формулы мы видим, что сила тока вычисляется путем деления величины напряжения на величину сопротивления. Отсюда мы имеем формулировку закона:
Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Из данной формулы математическим путем можно вычислить другие ее составляющие.
Сопротивление:
R=U/I
Напряжение:
U=I*R
Важно отметить, что формула действительна только для конкретного участка цепи. Для полной, замкнутой цепи, а также других частных случаев есть другие законы Ома.
сюжет
Влияние тока на разные материалы и живых существ
Разные химические элементы под действием тока ведут себя по-разному. Некоторые сверхпроводники не оказывают сопротивления движущимся сквозь них электронам, не вызывая никакой химической реакции. Металлы же при излишнем для них напряжении могут разрушаться, плавиться. Диэлектрики, не пропускающие ток, вообще не вступают с ним ни в какое взаимодействие и тем самым ограждают от него окружающую среду. Это явление успешно используется человеком при изоляции проводов резиной.
Для живых организмов ток неоднозначное явление. Он способен оказывать как благотворное, так и разрушительное воздействие.
Люди давно используют контролируемые разряды в лечебных целях: от легких стимулирующих мозговую деятельность разрядов, до мощных ударов электричеством, способных запустить остановившееся сердце и вернуть человека к жизни.
Сильный разряд способен привести к серьезным проблемам со здоровьем, ожогам, отмиранию тканей и даже мгновенной смерти. Работая с электрическими приборами, нужно соблюдать правила техники безопасности.
В природе можно встретить немало явлений, в которых ключевую роль играет электричество: от глубоководных существ (электрический скат), умеющих бить током, до молний во время грозы. Человек давно осваивает эту природную силу и умело ею пользуется, благодаря чему и работает вся современная электроника.
Следует помнить, что явления природы могут быть как полезны, так и вредны для человека. Изучение со школьной скамьи и дальнейшее образование, помогает людям грамотно использовать явления мира на благо общества.
Источник: http://santyre-auto.ru/node/2011555030-edinica-izmereniya-sily-toka-formula-rascheta-harakteristik-toka/
Закон Джоуля – Ленца. Определение, формула, физический смысл
Закон Джоуля – Ленца – закон физики, определяющий количественную меру теплового действия электрического тока. Сформулирован этот закон был в 1841 году английским учёным Д. Джоулем и совершенно отдельно от него в 1842 году известным русским физиком Э. Ленцем. Поэтому он получил своё двойное название — закон Джоуля – Ленца.
Определение закона и формула
Словесная формулировка имеет следующий вид: мощность тепла, выделяемого в проводнике при протекании сквозь него электрического тока, пропорционально произведению значения плотности электрического поля на значение напряженности.
Математически закон Джоуля — Ленца выражается следующим образом:
ω = j • E = ϭ E²,
где ω — количество тепла, выделяемого в ед. объема;
E и j – напряжённость и плотность, соответственно, электрического полей;
σ — проводимость среды.
Физический смысл закона Джоуля – Ленца
Закон можно объяснить следующим образом: ток, протекая по проводнику, представляет собой перемещение электрического заряда под воздействием электрического поля. Таким образом, электрическое поле совершает некоторую работу. Эта работа расходуется на нагрев проводника.
Другими словами, энергия переходит в другое свое качество – тепло.
Но чрезмерный нагрев проводников с током и электрооборудования допускать нельзя, поскольку это может привести к их повреждению. Опасен сильный перегрев при коротких замыканиях проводов, когда по проводниках могут протекать достаточно большие токи.
В интегральной форме для тонких проводников закон Джоуля – Ленца звучит следующим образом: количество теплоты, которое выделяется в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, определяется как произведение квадрата силы тока на сопротивление участка.
Математически эта формулировка выражается следующим образом:
Q = ∫ k • I² • R • t,
при этом Q – количество выделившейся теплоты;
I – величина тока;
R — активное сопротивление проводников;
t – время воздействия.
Значение параметра k принято называть тепловым эквивалентом работы. Величина этого параметра определяется в зависимости от разрядности единиц, в которых выполняются измерения значений, используемых в формуле.
Закон Джоуля-Ленца имеет достаточно общий характер, поскольку не имеет зависимости от природы сил, генерирующих ток.
Из практики можно утверждать, что он справедлив, как для электролитов, так проводников и полупроводников.
Область применения
Областей применения в быту закона Джоуля Ленца – огромное количество. К примеру, вольфрамовая нить в лампе накаливания, дуга в электросварке, нагревательная нить в электрообогревателе и мн. др. Это наиболее широко распространенный физический закон в повседневной жизни.
Источник: https://pue8.ru/elektrotekhnik/823-zakon-dzhoulya-lentsa-opredelenie-formula-fizicheskij-smysl.html
Напряжение тока. Сила тока
В предыдущей статье, мы рассмотрели электрический ток. В этой статье будем рассматривать единицы измерения. Как без них? Но что бы не усложнять, рассмотрим только самые нужные, да и в дальнейшем в принципе только они понадобятся.
Мы уже знаем, что электрический ток, это движение частиц. Что бы эти частицы двигались, необходима внешняя направленная сила (например электрическое поле). И эту силу, которая двигает частицы, необходимо поддерживать.
Источник питания (источник напряжения, источник тока) имеют две клеммы или два полюса. Которые имеют разность потенциалов. Разность потенциалов, если простыми словами дать объяснение – это запас частиц, которые стремятся друг к другу.
То есть, при возможности частицы из клеммы (-) будут стремится к клемме с (+).
Рассмотрим на картинке.
наведите или кликните мышкой, для анимации
На картинке мы видим источник питания и проводник. Если наведем мышку на картинку, источник питания «крутиться», то есть там поддерживается какая то сила для переноса частиц. Проводник не соединен к источнику питания, то есть цепь не замкнутая. Для того, что бы возник электрический ток — необходимо замкнуть цепь.
Рассмотрим на примере.
наведите или кликните мышкой, для анимации
В проводнике возникает электрический ток, то есть упорядоченное движение частиц. При перемещение заряженных частиц, что мы видим?
- 1. Какое количество частиц передвигаются.
- 2. Какая энергия тратится на перемещение частицы.
Сила тока
Сила тока — это величина, равная отношению количества заряда, проходящего через поперечное сечение проводника, к времени его прохождения. То есть это ответ на наш первый вопрос, сколько зарядов проходит через поперечное сечение проводника, за определенное время.
Единица измерения силы тока – это Ампер (А).
Условное обозначение: I
Ниже на картинке отобразим этот момент:
наведите или кликните мышкой, для анимации
Напряжение тока
Сила тока, это больше количественный показатель. Для того что бы частицы перемещались, необходима энергия (работа).
Напряжение тока (электрическое напряжение) – это энергия расходуемая при перемещение заряда. Простыми словами, это сила (давление) которое передвигает заряды по проводнику. Таким образом мы ответили на второй вопрос.
Единицы измерения напряжения тока – это Вольт (В).
Условное обозначение: U
наведите или кликните мышкой, для анимации
Мы теперь знаем что такое сила тока, напряжение тока и их условные обозначения. Еще хочу добавить, часто для объяснения этих процессов приводят пример с водой в трубе. Труба в данном случае это проводник, давление которое толкает воду это напряжение и количество воды (через поперечное сечение) это сила тока.
Источник: https://simple-info.ru/electronic/osnovy-radiotekhniki/napryazhenie-toka-sila-toka/
Электричество
> Теория > Электричество
Современную жизнь невозможно представить без электричества, этот тип энергии используется человечеством наиболее полно. Однако далеко не все взрослые люди способны вспомнить из школьного курса физики определение электрического тока (это направленный поток протекания элементарных частиц, имеющих заряд), совсем мало кто понимает, что же это такое.
Электричество – наиболее масштабно используемый вид энергии
Что такое электричество
Наличие электричества как явления объясняется одним из главных свойств физической материи – способностью обладать электрическим зарядом. Они бывают положительными и отрицательными, при этом объекты, обладающие разнополюсными знаками, притягиваются друг к другу, а «равнозначные», наоборот, отталкиваются. Движущиеся частицы также являются источником возникновения магнитного поля, что лишний раз доказывает связь между электричеством и магнетизмом.
На атомарном уровне существование электричества можно объяснить следующим образом. Молекулы, из которых состоят все тела, содержат атомы, составленные из ядер и электронов, циркулирующих вокруг них. Эти электроны могут при определенных условиях отрываться от «материнских» ядер и переходить на другие орбиты. Вследствие этого некоторые атомы становятся «недоукомплектованными» электронами, а у некоторых их в избытке.
Поскольку природа электронов такова, что они текут туда, где их не хватает, постоянное перемещение электронов от одного вещества к другому и составляет электрический ток (от слова «течь»).
Известно, что электричество имеет направление от полюса «минус» к полюсу «плюс». Поэтому вещество с нехваткой электронов считается заряженным положительно, а с переизбытком – отрицательно, и именуется оно «ионами».
Если речь идет о контактах электрических проводов, то положительно заряженный называется «нулевой», а отрицательно – «фаза».
В разных веществах расстояние между атомами различно. Если они очень маленькие, электронные оболочки буквально касаются друг друга, поэтому электроны легко и быстро переходят от одного ядра к другому и обратно, чем создается движение электрического тока. Такие вещества, например, как металлы, называются проводниками.
Движение электронов в металле
В других веществах межатомные расстояния относительно велики, поэтому они являются диэлектриками, т.е. не проводят электричество. Прежде всего, это резина.
Дополнительная информация. При испускании ядрами вещества электронов и их движении происходит образование энергии, которая прогревает проводник. Такое свойство электричества называется «мощность», измеряется она в ваттах. Также эту энергию можно преобразовывать в световую или другой вид.
Для непрерывного течения электричества по сети потенциалы на конечных точках проводников (от линий ЛЭП до домовой электропроводки) должны быть разными.
История открытия электричества
Кто придумал электричество
Что такое электричество, откуда оно берется, и прочие его характеристики фундаментально изучает наука термодинамика с сопредельными науками: квантовой термодинамикой и электроникой.
Сказать, что какой-либо ученый изобрел электрический ток, было бы неверным, ибо с древних времен много исследователей и ученых занимались его изучением. Сам термин «электричество» ввел в обиход греческий ученый-математик Фалес, это слово означает «янтарь», поскольку именно в опытах с янтарной палочкой и шерстью Фалесу получилось выработать статическое электричество и описать это явление.
Фалес считается изобретателем термина «электричество»
Римлянин Плиний также занимался исследованием электрических свойств смолы, а Аристотель изучал электрических угрей.
В более позднее время первым, кто досконально стал изучать свойства электрического тока, стал В. Жильбер, врач английской королевы. Немецкий бургомистр из Магдебурга О.ф Герике считается создателем первой лампочки из натертого серного шарика. А великий Ньютон вывел доказательство существования статического электричества.
В самом начале 18 века английский физик С. Грей поделил вещества на проводники и непроводники, а голландским учёным Питером ван Мушенбруком была изобретена лейденская банка, способная накапливать электрический заряд, т. е. это был первый конденсатор. Американский ученый и политический деятель Б. Франклин впервые в научных терминах вывел теорию электричества.
Все 18 столетие было богатым на открытия в сфере электричества: установлена электрическая природа молнии, сконструировано искусственное магнитное поле, выявлено существование двух видов зарядов («плюс» и «минус») и, как следствие, двух полюсов (естествоиспытатель из США Р. Симмер), Кулоном открыт закон взаимодействия между точечными электрозарядами.
В следующем веке изобретены батарейки (итальянский ученый Вольта), дуговая лампа (англичанин Дейви), а также прототип первой динамо-машины.
1820 год считается годом зарождения электродинамической науки, сделал это француз Ампер, за что его имя присвоили единице для показаний силы электротока, а шотландец Максвелл вывел световую теорию электромагнетизма.
Россиянин Лодыгин изобрел лампу накаливания, имеющую стержень из угля, – прародитель современных лампочек. Чуть более ста лет назад была изобретена неоновая лампа (французский ученый Жорж Клод).
И по сей день исследования и открытия в области электричества продолжаются, например, теория квантовой электродинамики и взаимодействия слабых электрических волн. Среди всех ученых, занимавшихся исследованием электричества, особое место принадлежит Николе Тесла –многие его изобретения и теории о том, как работает электричество, до сих пор не оценены по достоинству.
Природное электричество
Долгое время считалось, что электричества «самого по себе» не существует в природе. Это заблуждение развеял Б. Франклин, который доказал электрическую природу молний. Именно они, по одной из версий ученых, способствовали синтезу первых аминокислот на Земле.
Внутри живых организмов также вырабатывается электричество, которое порождает нервные импульсы, обеспечивающие двигательные, дыхательные и другие жизненно необходимые функции.
В теле человека также производится электричество
Интересно. Многие ученые считают человеческое тело автономной электрической системой, которая наделена функциями саморегуляции.
У представителей животного мира тоже имеется свое электричество. Например, некоторые породы рыб (угри, миноги, скаты, удильщики и другие) используют его для защиты, охоты, добывания пищи и ориентации в подводном пространстве. Особый орган в теле этих рыб вырабатывает электроэнергию и накапливает ее, как в конденсаторе, его частота – сотни герц, а напряжение – 4-5 вольт.
Получение и использование электричества
Статическое электричество и защита от него
Электричество в наше время – это основа комфортной жизни, поэтому человечество нуждается в его постоянной выработке.
Для этих целей возводятся различного рода электростанции (гидроэлектростанции, тепловые, атомные, ветровые, приливные и солнечные), способные с помощью генераторов вырабатывать мегаватты электричества.
В основе этого процесса лежит преобразование механической (энергия падающей воды на ГЭС), тепловой (сжигание углеродного топлива – каменного и бурого угля, торфа на ТЭЦ) или межатомной энергии (атомного распада радиоактивных урана и плутония на АЭС) в электрическую.
Много научных исследований посвящено электрическим силам Земли, все они стремятся использовать атмосферное электричество для блага человечества – выработки электроэнергии.
Проекты ученого Плаусона, предполагающие использовать атмосферное электричество
Учеными предложено множество любопытных устройств генераторов тока, которые дают возможность добывать электричество из магнита. Они используют способности постоянных магнитов совершать полезную работу в виде крутящего момента. Он возникает в результате отталкивания между одноименно заряженными магнитными полями на статорном и роторном устройствах.
Электричество популярнее всех остальных источников энергии, поскольку обладает множеством преимуществ:
- легкое перемещение до потребителя;
- быстрый перевод в тепловой или механический вид энергии;
- возможны новые области его применения (электромобили);
- открытие все новых свойств (сверхпроводимость).
Электричество – это движение разнозаряженных ионов внутри проводника. Это большой подарок от природы, который люди познают с давних времен, и процесс этот еще не закончен, хотя человечество уже научилось добывать его в огромных объемах. Электричество играет огромную роль в развитии современного общества. Можно сказать, что без него жизнь большинства наших современников просто остановится, ведь недаром при отключении электричества люди говорят, что «отключили свет».
Источник: https://elquanta.ru/teoriya/ehlektrichestvo.html
сила тока: определение
Электричество давно стало незаменимым спутником всего человечества. Но для большинства обывателей оно представляет собой какое-то абстрактное понятие, с которым сложно разобраться и тем более понять. Но нет нечего сложного для усвоения. Простыми словами электричество можно охарактеризовать как упорядоченное перемещение заряженных частиц.
Определяющими характеристиками электрической энергии являются напряжение, сила тока и сопротивление. Рассмотрим более подробно что это за характеристики их определения, способы измерений и вычислений.
Определение силы электрического тока в электроцепи
Электрический ток, как говорилось выше, представляет собой упорядоченное перемещение заряженных частиц от одного электрода к другому. В металлах это электроны, в жидкостях – ионы, а их количество принято именовать зарядом. Одной из ключевых характеристик электротока является его сила или собственно отношение общего количества заряда к временному отрезку за который он проходит через отдельный участок.
Следовательно, определение силы тока в электроцепи или его величины можно выразить формулой:
I=q/t
q – количество заряда, а t – промежуток времени за которое он проходит этот определенный участок. В системе измерений СИ для определения единицы силы тока применяется ампер (сокращенно – «А»).
Зависимость силы тока от напряжения и сопротивления
Когда разговор заходит о токе, то наиболее часто речь идет о напряжении. В системе СИ оно обозначается в вольтах (В). Для общего понимания определения напряжения рассмотрим физику формирования электричества в общем. В двух словах это процесс выглядит следующим образом.
Из одного места извлекаются электроны, тем самым создавая разряжение. В другой точке они накапливаются, образуя избыток, который стремится занять освободившееся место. Таким образом образуются отрицательный и положительный потенциал, разница между ними и будет являться искомым напряжением в электрической сети.
Для определения величины напряжения применяется специальный измерительный прибор – вольтметр.
Для того чтобы определить силу тока, зная напряжение, необходимо ввести еще одно понятие – сопротивление электроцепи. Оно в упрощенном понимании представляет собой некую силу, затрудняющую движение электронов от одного электрода к другому. Измеряется сопротивление в омах. Определить его величину можно омметром. Воедино понятия напряжение, силы тока и сопротивления связывает закон Ома. Он является одним из основополагающих при расчете любой электрической схемы.
Величина силы тока. Определение в зависимости от напряжения и сопротивления
Закон Ома относительно применения к участку цепи определяет силу тока как величину пропорционально обратную сопротивлению и прямо сопоставимую разности потенциалов. Соответствующая формула выглядит следующим образом:
I=U/R, в которой: R (Ом)– сопротивление на участке электрической схемы, а U(В) – напряжение или разность потенциалов на электродах.
Из уравнения видно, что при наличии стабильного напряжения в электроцепи сила тока будет снижаться при увеличении нагрузочного сопротивления. Эта закономерность привела к тому, что последовательное включение потребителей применяется очень редко. При параллельном включении нагрузки величина силы тока на отельных участках может быть разной (в зависимости от сопротивления), но на входе, в точке соединения она останется прежней.
Сила тока и его плотность
Одно из важных понятий в электротехнике является плотность электрического тока, которая характеризуется его силой по отношению к площади приложения. В системе СИ плотность тока обозначается буквой «J», единица измерения — А/мм2. Общий вид формулы следующий:
J= I/S, где I – сила в амперах, а S – площадь поперечного сечения провода в квадратных мм.
Следовательно, с точки зрения физики, плотность тока — это количество заряда, перемещаемого через единицу площади за определенное время Одним словом эта величина описывает степень электрической нагрузки на проводник и является одной из определяющих при выборе кабельной продукции соответствующего диаметра.
Плотность играет важную роль, т.к. любой элемент сети в т.ч. и токопроводящий провод обладает собственным сопротивлением. Следствием потери тока является нагрев проводника. Значительные потери могут привести к перегреву, вплоть до расплавления изоляции или материала жил.
В заключение отметим, что данные определения силы тока, через основные характеристики носят общий характер. В частных случаях используются дополнительные данные которые влияют на точность вычислений, но не искажают обобщенного представления о физики электричества и взаимосвязи значений.
Источник: http://podvi.ru/interesnoe/sila-toka-opredelenie.html
Сила и плотность тока. Линии тока
Сила тока I для тока, протекающего через некоторую площадь сечения проводника S эквивалентна производной заряда q по времени t и количественно характеризует электрический ток.
Определение 1
Таким образом выходит, что сила тока — это поток заряженных частиц через некоторую поверхность S.
Определение 2
Электрический ток является процессом движения как отрицательных, так и положительных зарядов.
Перенос заряда одного знака в определенную сторону равен переносу заряда, обладающего противоположным знаком, в обратном направлении. В ситуации, когда ток образуется зарядами и положительного, и отрицательного знаков (dq+ и dq−), справедливым будет заключение о том, что сила тока равна следующему выражению:
I=dq+dt+dq-dt.
В качестве положительного определяют направление движения положительных зарядов. Ток может быть постоянным, когда ни сила тока, ни его направление не претерпевают изменений с течением времени, или, наоборот, переменным. При условии постоянства, формула силы тока может выражаться в следующем виде:
I=q∆t,
где сила тока определена в качестве заряда, который пересекает некоторую поверхность S в единицу времени. В системе СИ роль основной единицы измерения силы тока играет Ампер (А).
1A=1 Кл1 с.
Плотность тока. Связь плотности тока с зарядом и силой тока, напряженностью
Выделим в проводнике, в котором протекает ток, малый объем dV случайной формы. С помощью следующего обозначения υ определим среднюю скорость движения носителей зарядов в проводнике. Пускай n0 представляет собой концентрацию носителей заряда. На поверхности проводника выберем пренебрежительно малую площадку dS, которая расположена ортогонально скорости υ (рис. 1).
Рисунок 1
Проиллюстрируем на поверхности площадки dS очень короткий прямой цилиндр, имеющий высоту υdt. Весь массив частиц, которые располагались внутри такого цилиндра за время dt пересекут плоскость dS и перенесут через нее, в направлении скорости υ, заряд, выражающийся в виде следующего выражения:
dq=n0qeυdSdt,
где qe=1,6·10-19 Кл является зарядом электрона, другими словами отдельной частицы или же носителя тока. Разделим приведенную формулу на dSdt и получим:
j=dqdSdt,
где j представляет собой модуль плотности электрического тока.
j=n0qeυ,
где j является модулем плотности электрического тока в проводнике, в котором заряд переносится электронами. В случае, если ток появляется как результат движения нескольких типов зарядов, то формула плотности тока может быть определена в виде следующего выражения:
j=∑niqiυii,
где i представляет собой носитель заряда. Плотность тока — это векторная величина. Снова обратим внимание на рисунок 1. Пускай n→ представляет собой единичный перпендикуляр к плоскости dS. В случае, если частицы, переносящие заряд, являются положительными, то переносимый ими заряд в направлении нормали больше нуля. В общем случае переносимый в единицу времени элементарный заряд может быть записана в следующем виде:
dqdt=j→n→dS=jndS.
Формула приведенная выше справедлива также в том случае, когда плоскость площадки dS неортогональная по отношению к вектору плотности тока. По той причине, что составляющая вектора j→, направленная под прямым углом к нормали, через сечение dS электричества не переносит. Исходя из всего вышесказанного, плотность тока в проводнике окончательно запишем, применяя формулу j=n0qeυ в таком виде:
j→=-n0qeυ→.
Таким образом, плотность тока эквивалентна количеству электричества, другими словами заряду, который протекает за одну секунду через единицу сечения проводника. В отношении однородного цилиндрического проводника справедливым будет записать, что:
j=IS∆t,
где S играет роль площади сечения проводника. Плотность постоянного тока равна по всей площади сечения проводника. Для двух разных сечений проводника (S1,S2) с постоянным током справедливо следующее равенство:
j1j2=S2S1.
Основываясь на законе Ома для плотности токов можно записать такое выражение:
j→=λE→,
где λ обозначает коэффициент удельной электропроводности. Определив плотность тока, мы имеем возможность выразить силу тока в следующем виде:
I=∫SjndS,
где интегрирование происходит по всей поверхности S любого сечения проводника. Единица плотности тока Aм2.
Опиши задание
Линии тока
Определение 3
Линии, вдоль которых движутся заряженные частицы, носят название линий тока.
Направления движения положительных зарядов также определяются в качестве направлений линий тока. Изобразив линии тока, можно получить наглядное представление о движении электронов и ионов, которые формируют собой ток.
Если внутри проводника выделить трубку с током, у которой боковая поверхность состоит из линий тока, то движущиеся заряженные частицы не будут пересекать боковую поверхность данной трубки. Такую трубка представляет собой так называемую трубку тока.
К примеру, поверхность металлической проволоки в изоляторе будет определяться как труба тока.
Пример 1
Сила тока в проводнике равномерно возрастает от 0 до 5 А на протяжении 20 с. Определите заряд, который прошел через поперечное сечение проводника за данный отрезок времени.
Решение
В качестве основы решения данной задачи возьмем формулу, которая характеризует собой силу тока, то есть:
I=dqdt.
Таким образом, заряд будет найден как:
q=∫t1t2Idt.
В условии задачи сказано, что сила тока изменяется равномерно, а это означает то, что мы можем записать закон изменения силы тока в следующем виде:
I=kt.
Найдем коэффициент пропорциональности в приведенном выражении, для чего необходимо запишем закон изменения силы тока еще раз для момента времени, при котором сила тока эквивалентна I2=3А (t2):
I2=kt2→k=I2t2.
Подставим выражение выше в I=kt и проинтегрируем в соответствии с q=∫t1t2Idt, получим формулу такого вида: q=∫t1t2ktdt=∫t1t2I2t2tdt=I2t2∫t1t2tdt=t22t1t2=I22t2t22-t12.
В качестве начального момента времени возьмем момент, когда сила тока эквивалентна нулю, другими словами t1=0, I1=0 A; t2=20, I2=5 А. Проведем следующие вычисления:
q=I22t2t22=I2t22=5·202=50 (Кл).
Ответ: q=50 Кл.
Пример 2
Определите среднюю скорость движения электронов в проводнике, молярная масса вещества которого эквивалентна μ, поперечное сечение проводника S. Сила тока в проводнике I. Примем, что на каждый атом вещества в проводнике приходится два свободных электрона.
Решение
Силу тока (I) в проводнике можно считать постоянной, что позволяет нам записать следующее выражение:
I=q∆t=Nqe∆t,
где заряд q определим как произведение числа электронов проводимости в проводнике, на заряд одного электрона qe, представляющего собой известную величину. ∆t играет роль промежутка времени, за который через поперечное сечение проводника проходит заряд q. Найти N можно, если применять известное в молекулярной физике соотношение:
Источник: https://zaochnik.com/spravochnik/fizika/postojannyj-elektricheskij-tok/sila-i-plotnost-toka/
Плотность тока. Связь плотности тока с зарядом и силой тока, напряженностью
Выделим в проводнике, по которому течет ток, малый объем dV произвольной формы. Обозначим через $\left\langle v\right\rangle $— среднюю скорость, с которой движутся носители заряда в проводнике. пусть $n_0\ $— концентрация носителей заряда. Выберем бесконечно малую площадку dS на поверхности проводника, которая перпендикулярно скорости $\left\langle v\right\rangle $ (рис.1).
Рис. 1
Построим на площадке dS очень короткий прямой цилиндр с высотой $\left\langle v\right\rangle dt.$ Все частицы, которые находились внутри этого цилиндра за время dt пройдут через площадку dS и перенесут через нее в направлении скорости $\left\langle v\right\rangle \ $заряд равный:
\[dq=n_0q_e\left\langle v\right\rangle dSdt\left(4\right),\]
где $q_e=1,6\cdot {10}{-19}Кл$ — заряд электрона, то есть отдельной частицы — носителя тока. Разделим выражение (4) на $dSdt$ получим:
\[j=\frac{dq}{dSdt}\left(5\right),\]
где $j$ — модуль плотности электрического тока.
\[j=n_0q_e\left\langle v\right\rangle \left(6\right),\]
где $j$ — модуль плотности электрического тока в проводнике, где заряд переносят электроны.
Если ток образуется в результате движения нескольких типов зарядов, то плотность тока можно определить как:
\[j=\sum\limits_i{n_iq_i\left\langle v_i\right\rangle \left(7\right)},\]
где i — определяет носитель заряда.
Плотность тока — векторная величина. Обратимся вновь к рис.1. Пусть $\overrightarrow{n}$ — единичная нормаль к площадке dS. Если частицы, которые переносят заряд положительные, то переносимый ими заряд в направлении нормали больше нуля. В общем случае элементарный заряд, который переносится в единицу времени, можно записать как:
\[\frac{dq}{dt}=\left(\overrightarrow{j}\overrightarrow{n}\right)dS=j_ndS\ \left(8\right).\]
Формула (8) справедлива и в том случае, когда площадка dS неперпендикулярная вектору плотности тока. Так как составляющая вектора $\overrightarrow{j}$, перпендикулярная нормали, через площадку dS электричества не переносит. Таким образом, плотность тока в проводнике окончательно запишем, используя формулу (6) следующим образом:
\[\overrightarrow{j}=-n_0q_e\left\langle \overrightarrow{v}\right\rangle \left(9\right).\]
И так, плотность тока равна количеству электричества (заряду), который протекает за одну секунду через единицу сечения проводника. Для однородного цилиндрического проводника можно записать, что:
\[j=\frac{I}{S\triangle t}\left(10\right),\]
где S — площадь сечения проводника.
Плотность постоянного тока одинакова по всему сечению проводника. Для двух разных сечений проводника ($S_1{,S}_2$) с постоянным током выполняется равенство:
\[\frac{j_1}{j_2}=\frac{S_2}{S_1}\left(11\right).\]
Из закона Ома для плотности токов можно записать:
\[\overrightarrow{j}=\lambda \overrightarrow{E}\left(13\right),\]
где $\lambda $ — коэффициент удельной электропроводности.
Зная плотность тока, можно выразить силу тока как:
\[I=\int\limits_S{j_ndS\ \left(14\right),}\]
где интегрирование проводят по всей поверхности S любого сечения проводника.
Единица плотности тока $\frac{A}{м2}$.
Линии тока
Определение
Линии, вдоль которых движутся заряженные частицы, называют линиями тока.
Направлениями линий тока являются направления движения положительных зарядов. Нарисовав линии тока, получают наглядное представление о движении электронов и ионов, которые образуют ток.
Если внутри проводника выделить трубку с током, у которой боковая поверхность состоит из линий тока, то движущиеся заряженные частицы не будут пересекать боковую поверхность такой трубки. Подобную трубку называют трубкой тока.
Например, поверхность металлической проволоки в изоляторе будет являться трубой тока.
Пример 1
Задание: Сила тока в проводнике увеличивается равномерно от 0 до 5 А в течении 20 с. Найдите заряд, который прошел через поперечное сечение проводника за это время.
Решение:
За основу решения задачи примем формулу, которая определяет силу тока, а именно:
\[I=\frac{dq}{dt}\left(1.1\right).\]
В таком случае заряд будет найден как:
\[q=\int\limits{t_2}_{t_1}{Idt\ \left(1.2\right).}\]
В условии задачи сказано, что сила тока изменяется равномерно, это значит, что можно записать закон изменения силы тока как:
\[I=kt\ \left(1.3\right).\]
Найдем коэффициент пропорциональности в (1.3), для этого запишем закон изменения силы тока еще раз для момента времени при котором сила тока равна $I_2=$3А ($t_2$):
\[I_2=kt_2\ \to k=\frac{I_2}{t_2}\left(1.4\right).\]
Подставим (1.4) в (1.3) и проинтегрируем в соответствии с (1.2), получим:
\[q=\int\limits{t_2}_{t_1}{ktdt=\int\limits{t_2}_{t_1}{\frac{I_2}{t_2}tdt}=\frac{I_2}{t_2}\int\limits{t_2}_{t_1}{tdt}={\left.\frac{t2}{2}\right|}{t_2}_{t_1}=\frac{I_2}{{2t}_2}({t_2}2-{t_1}2)\left(1.5\right).}\]
За начальный момент времени примем момент, когда сила тока равна нулю, то есть $t_1=0,$ $I_1=0\ А.$ $t_2=20,$ $I_1=5\ А.$
Проведем вычисления:
\[q=\frac{I_2}{{2t}_2}{t_2}2=\frac{I_2t_2}{2}=\frac{5\cdot 20}{2}=50\ \left(Кл\right).\]
Ответ: $q=50$ Кл.
Пример 2
Задание: Найдите среднюю скорость движения электронов в проводнике молярная масса вещества, которого равна $\mu $, поперечное сечение проводника S. Сила тока в проводнике I. Считать, что на каждый атом вещества в проводнике приходится два свободных электрона.
Решение:
Силу тока (I) в проводнике можно считать постоянной и соответственно записать, что:
\[I=\frac{q}{\triangle t}=\frac{Nq_e}{\triangle t}\left(2.1\right),\]
где заряд q найдем как произведение числа электронов проводимости в проводнике, на заряд одного электрона $q_e$, который является известной величиной. $\triangle t$ — промежуток времени за который через поперечное сечение проводника проходит заряд q.
Найти N можно, если использовать известное соотношение из молекулярной физики:
Источник: https://spravochnick.ru/fizika/postoyannyy_elektricheskiy_tok/sila_i_plotnost_toka_linii_toka/
Закон Ома кратко и понятно для чайников — определние и формулы
Закон Ома является одним из фундаментальных законов электродинамики, который определяет взаимосвязь между напряжением, сопротивлением и силой тока. Его важно знать и понимать. Понятное объяснение вы найдёте в статье.
Закон Ома официально и абсолютно оправдано можно отнести к ряду основополагающих в физике по нескольким признакам. Данный закон объясняют в школе на базовом уровне, а после, более углубленно, в учреждениях, специализирующихся на изучении технических аспектов технологий.
Закон Ома – определение
Впервые данный закон был официально зафиксирован и сформулирован в восемнадцатом веке, благодаря сделанному сейчас уже широко известным всем Георгом Симоном Омом открытию.
Благодаря данному закону получило грамотное и исчерпывающее объяснение наличие количественной связи между тремя фигурирующими в определении параметрами. Зависимость рассматривается как пропорциональная. Когда данное явление только было выявлено, закон несколько раз формулировали.
В итоге сейчас всем известно данное определение: «величина тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку, и обратно пропорциональна его сопротивлению».
Для лучшего понимания разделим определение на две части и разберём отдельно более понятным языком смысл каждой.
- Первая часть определения указывает на то, что если на определенной отрезке цепи происходит количественный скачок напряжения, то величина тока также увеличивается на данном участке. Важно упомянуть, что становится больше и величина тока на заданном участке цепи.
- Концовка определения расшифровывается также просто. Выше напряжение – меньше сила тока.
Закон Ома – формула
Иллюстрация связи сопротивления
Рисунок наглядно демонстрирует связь фигурирующих в понятии «участников». Таким образом, вытекают простые выводы:
1. При данных условиях: на конкретном отрезке увеличивается напряжение, но при том сопротивление остаётся прежним, ток резко возрастает;
2. Иная ситуация: наоборот, изменяется сопротивление, а точнее возрастает, при том что уровень напряжения не меняется вовсе, тока становится меньше.
В итоге в законе Ома участвуют всего три величины.
Готовая формула выглядит так:
I = U/R
Фигурируют и другие две переменные, их также можно вычислить, при условии, что другие два значения известны. Видоизменив формулу, получим:
| Формула сопротивления | R = U/I |
| Формула напряжения | U = I × R |
| Формула силы тока | I = U/R |
Важно!
Шпаргалка для закона Ома
На начальном этапе, когда составлять формулы ещё сложно, можно воспользоваться небольшой шпаргалкой.
На треугольнике просто нужно закрыть то значение, которое необходимо найти.
Закон Ома для участка цепи
Итоговая формула не видоизменяется вовсе. Обычно сопротивление в данном законе является явной характеристикой проводника, потому что это значение не постоянная величина: в зависимости от материала и других параметров число может увеличиваться или уменьшаться.
Закон применим как при расчёте с использованием металлов, так и растворов электролитов, однако существует важный нюанс: в цепи не должно быть реального источника тока, или же источник должен быть идеальным, то есть он не должен создавать дополнительное сопротивление.
Шпаргалка для использования закона Ома
С ЭДС
Обобщённый закон Ома формулируется так:
I = (Uab+E)/R
Также формулу можно выразить через проводимость:
I = (Uab + E) × G, как понятно, G – проводимость участка электрической цепи. Эти формулы можно использовать, если сохраняются условия, зафиксированные на рисунке.
Участок цепи с ЭДС
Без ЭДС
Для начала определим, что положительное направление – это то, что слева направо. Только в этом случае напряжение на участке будет равняться разности потенциалов.
Разность потенциалов
Если сохраняется условие и потенциал конечный меньше потенциала начального, то напряжение будет больше нуля. Значит, как и полагается, направление линий напряженности в проводнике будет от начала к концу, следовательно, направление тока будет идентичным. Именно такое направление тока принято считать положительным, I > O. Данный вариант самый простой для расчётов. Формула действительна с любыми числами.
Закон Ома для полной (замкнутой) цепи
При данной вариации закона выявляется значение тока при реальных условиях, то есть в настоящей полной цепи. Важно учитывать то, что получившееся в результате расчетов число зависит от нескольких параметров, а не только от сопротивления нагрузки.
Сопротивление нагрузки – внешнее сопротивление, а сопротивление самого источника тока – внутреннее сопротивление (обозначается маленькой r).
Вывод формулы закона Ома для замкнутой цепи
Если к цепи подключено напряжение и в цепи замечено напряжение (ток), то, чтобы поддержать его во внешней цепи, необходимо создать условия, при которых между её концами возникнет разность потенциалов. Это число будет равняться I × R. Однако важно помнить о том, что вышеупомянутый ток будет и во внутренней цепи и его также необходимо поддерживать, поэтому нужно создать разность потенциалов между концами сопротивления r. Эта разность равняется I × r.
Чтобы поддержать ток в цепи, электродвижущая сила (ЭДС) аккумулятора должна иметь величину:
E = I × r + I × R
Эта формула показывает, что электродвижущая сила в цепи равна сумме внешнего и внутреннего падений напряжения. Вынося I за скобки, получим:
E = I(r + R)
или
I = E / (r + R)
Две последние формулы выражают закона Ома для полной цепи.
Закон Ома в дифференциальной форме
Дифференциальная форма закона Ома
Закон можно представить таким образом, чтобы он не был привязан к размерам проводника. Для этого выделим участок проводника Δl, на концах которой расположены ф1 и ф2. Среднюю площадь проводника обозначают ΔS , а плотность тока j, при таких условиях сила тока будет равняться:
I = jΔS = (ф1- ф2) / R = -(((ф1 — ф2)ΔS) / pΔl , отсюда следует, что j = -y × (Δф/Δl)
При условии, что Δl будет равен 0, то, взяв предел отношения:
lim (-(Δф/Δl)) = -(dф/dl) = Е,
окончательное выражение будет выглядеть так:
j = yE
Данное выражение закона находит силу тока в произвольной точке проводника в зависимости от его свойств и электрического состояния.
Закон Ома в интегральной форме
В данной интерпретации закона не содержится в условиях ЭДС, то есть формула выглядит так:
I = U/R
Чтобы найти значение для однородного линейного проводника, выразим R через p и получим:
R = p (l/S), где за р принимаем удельное объёмное сопротивление.
Линией тока принято называть кривую, в каждой точке которой вектор плотности тока направлен по касательной к этой кривой. При таких условиях вектор плотности находится из отношения J = jt, где t – это единичный вектор касательной к линии тока.
Источник: https://meanders.ru/zakon-oma-prostymi-slovami-formulirovka-dlya-uchastka-i-polnoj-czepi.shtml
