Сила тока
Действия электрического тока могут проявляться в разной степени – сильнее или слабее. Например, лампы дальнего света автомобиля светят ярко, а лампы габаритных огней настолько слабо, что ехать с ними в темноте невозможно. Насколько сильно проявляется действие тока, зависит от физической величины, которая называется силой тока.
Предположим, что мы наполняем ведро водой из-под крана с помощью шланга. Если кран открыт полностью, вода из шланга льется мощной струей и ведро быстро наполняется. Но если кран только приоткрыт, ведро наполняется медленно. При полностью открытом кране в единицу времени из шланга вытекает или через любое его поперечное сечение протекает большое количество воды. При полуоткрытом кране в единицу времени через произвольное поперечное сечение шланга протекает малое количество воды. Говорят, что в первом случае поток воды в шланге сильный, в во втором – слабый.
Подобным образом и величину электрического тока характеризуют с помощью понятия силы тока. В проводнике «текут» свободные носители заряда. Если в металлическом проводе имеется электрический ток, то в этом случае в каждую единицу времени через произвольное поперечное сечение провода проходит определенное количество направленно движущихся свободных электронов. В результате направленного движения свободных носителей заряда электрический заряд переходит из одной части проводника в другую. Чем больше перенесенный в единицу времени заряд, тем больше сила тока в проводнике. Сила тока численно равна величине электрического заряда, проходящего в единицу времени через поперечное сечение проводника:
1. От чего зависит сила тока в проводнике?
Сила тока – это характеризующая электрический ток физическая величина, которая обозначается буквой I. Зависимость силы тока от величины электрического заряда q, проходящего через поперечное сечение проводника за некоторое время t, выражается в виде
.
Единицей силы тока является 1 ампер, обозначается 1 А. Свое название единица силы тока получила по имени французского физика Андре-Мари Ампера. Единица силы тока выражается как частное от деления единицы
заряда на единицу времени.
2. Как обозначается сила тока и в каких единицах измеряется?
Сила тока в проводнике 3 A, следовательно, через поперечное сечение проводника за проходит электрический заряд величиной .
Полезно знать!
Электрический заряд величиной один кулон – это очень большой заряд, численно равный 6,25 · 1018 элементарных зарядов. Электрический заряд такой величины не может остаться неподвижным в теле, так как между одноименно заряженными частицами действуют очень большие силы отталкивания. Но движение заряда величиной один кулон в проводнике не является чем-то исключительным. При силе тока 1 А через поперечное сечение проводника за 1 секунду проходит заряд величиной именно 1 Кл, т. е. 6,25 · 1018 направленно двигающихся свободных электронов. Сила тока приблизительно 1 А имеется, например, в нагревательном элементе электроплиты, работающей на самой малой мощности.
Единица силы тока
Кроме основной единицы 1 А используются также дольные и кратные единицы:
1 нА (наноампер, nA) | 0,000 000 001 А | 1 · 10–9 А |
1 мкА (микроампер, µA) | 0,000 001 А | 1 · 10–6 А |
1 мА (миллиампер, mA) | 0,001 А | 1 · 10–3 А |
1 кА (килоампер, kA) | 1000 А | 1 · 103 А |
Значение силы тока зависит от скорости направленного движения свободных носителей заряда в проводнике. Чем больше скорость направленного движения свободных носителей заряда, тем большее количество свободных носителей заряда пройдет в единицу времени через поперечное сечение проводника и тем больше будет прошедший через поперечное сечение проводника в единицу времени электрический заряд, т. е. сила тока в проводнике.
В электрических устройствах сила тока может быть различной величины. Сила тока в электробритве обычно около 0,07 А, или 70 мА. В некоторых лампах карманного фонарика сила тока приблизительно 0,26 А. В самом мощном нагревательном элементе домашней электроплиты сила тока может превышать 9 ампер. В обмотке стартера автомобиля при запуске сила тока составляет 100–150 А. Сила тока в молнии может достигать даже 100 000 А, или 100 кА.
3. Как величина силы тока в проводнике зависит от скорости направленного движения свободных носителей заряда?
Электрический ток опасен для жизни и здоровья человека, поэтому нужно быть очень осторожным при обращении с электроприборами и при монтаже электрических цепей. Так как человеческое тело является проводником, то в случае неблагоприятного стечения обстоятельств в нем может возникнуть ток. Установлено, что электрический ток силой менее 1 мА для человека безопасен. А ток силой более 100 мА может быть для человека даже смертельным.
4. Ток какой величины безопасен для человека, а какой – опасен?
Полезно знать!
Существует два вида электрического тока: постоянный и переменный.
Постоянный ток возникает в проводнике, соединенном с аккумулятором или батареей карманного фонарика. В проводниках, которые через электрическую сеть соединены с работающим на электростанции генератором переменного тока, течет переменный ток. Поскольку все здания соединены в единую электрическую сеть, дома мы, в основном, пользуемся переменным током.
5. Какие источники тока вызывают в проводниках постоянный ток, а какие – переменный?
Как в настольной лампе, так и в лампе карманного фонарика нити накаливания нагреваются под действием тока и ярко светятся. Рассматривая их, мы не можем отличить, в какой лампе какой ток. Различие между постоянным и переменным током выявится в том случае, если мы исследуем, изменяется ли, и если изменяется, то как значение силы тока в проводниках во времени. Измерение силы тока при этом надо проводить через очень короткие промежутки времени, например, через тысячную долю секунды. Для подобных измерений подходит осциллограф, который сразу представляет результаты измерений на экране в виде графика.
При сравнении графиков постоянного и переменного тока становится понятно, чем отличаются эти два вида тока.
На рисунке изображен график зависимости силы тока от времени в лампе, соединенной с батареей карманного фонарика. Эта зависимость представляет собой прямую, параллельную оси времени. Следовательно, в течение всего времени измерения сила тока в лампе имела одно и то же значение.
Если изменить направление тока в лампе на противоположное первоначальному, то зависимость силы тока от времени будет представлена в виде прямой (пунктирной линии на графике), расположенной ниже оси времени. Отрицательное значение силы тока на графике означает, что направление тока противоположно первоначальному. Положительное или отрицательное значение силы тока на графике определяет направление тока в лампе.
6. Как зависят направление и сила постоянного тока от времени?
По результатам измерений видно, что в лампе, соединенной с батареей карманного фонарика, за все время измерения не изменялись ни направление, ни сила тока. Ток, направление и сила которого не изменяются во времени, называется постоянным током.
7. Что называется постоянным током?
Направление и сила тока в проводнике не изменяются, если свободные носители заряда в течение всего времени наблюдения движутся в одну сторону и через поперечное сечение проводника в каждую единицу времени проходит электрический заряд одинаковой величины. Это происходит в том случае, когда на свободные носители заряда действует электрическая сила, величина и направление которой в течение всего времени наблюдения не меняются. Такая электрическая сила действует на заряженные частицы в неизменном во времени электрическом поле. Таким образом, постоянный ток возникает в проводнике, в котором электрическое поле неизменно во времени.
8. В каких случаях в проводнике возникает постоянный ток?
На рисунке изображен график зависимости силы тока от времени в лампе настольного светильника. В течение определенного промежутка времени сила тока увеличивается от нуля до максимального значения. После этого сила тока начинает уменьшаться и вскоре вновь становится равной нулю. Далее сила тока в лампе увеличивается, но направление тока теперь обратно первоначальному. Достигнув максимального значения, сила тока снова начинает уменьшаться. В момент, когда сила тока становится равной нулю, направление тока в лампе меняется – и все повторяется сначала.
В лампе настольного светильника периодически меняются и сила тока, и его направление. Направление тока в лампе меняется каждую сотую долю секунды. Следовательно, в течение одной секунды ток направлен 50 раз в одну и 50 раз в противоположную сторону.
9. Как зависят направление и сила переменного тока от времени?
Ток, направление и сила которого периодически изменяются во времени, называется переменным током.
10. Что называется переменным током?
Изменение направления и силы тока в лампе светильника мы можем рассматривать как колебания электрического тока с частотой 50 Гц. Колебания тока происходят потому, что используемый в качестве источника тока генератор переменного тока создает в проводнике электрическое поле, направление и величина которого периодически меняются. В таком электрическом поле периодически меняются величина и направление электрической силы, действующей на каждый свободный носитель заряда, в результате эти заряженные частицы начинают в проводнике колебаться.
11. В каких случаях в проводнике возникает переменный ток?
Пример задачи
Через поперечное сечение обмотки работающего электродвигателя за 30 минут прошел электрический заряд величиной 1800 кулонов. Какова сила тока в обмотке электродвигателя?
Дано | Решение |
q = 1800 Кл t = 30 мин = 1800 с I = ? | Сила тока равна величине заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника в единицу времени. . |
Ответ. Сила тока в обмотке электродвигателя 1 А.
Задачи
Время | Электрический заряд | Сила тока | ||
Обозначение физической величины | ||||
Обозначение единицы измерения физической величины | ||||
Используя обозначения физических величин, запиши зависимость силы тока от величины электрического заряда, за некоторое время проходящего через поперечное сечение проводника.
Запиши зависимость между единицей силы тока, единицей времени и единицей электрического заряда.
0,025 A = мA | 75 мкA = мA |
Практическое задание
Налей в стакан примерно 50 мл воды и раствори в ней 1 столовую ложку поваренной соли. Измерь температуру соленой воды. Возьми два больших гвоздя и прикрепи к концу каждого гвоздя по очищенному от изоляции проводу. Опусти гвозди в стакан с соленой водой так, чтобы они не касались друг друга. Соедини свободные концы проводов, соединенных с гвоздями, с клеммами батареи карманного фонарика. Наблюдай, что происходит вокруг гвоздей, и измеряй каждые две минуты температуру соленой воды. Сделай всего пять измерений. После окончания опыта рассмотри гвозди. Какой вывод ты сделаешь из опыта?
