Сила тока. Единицы силы тока. Амперметр (Гребенюк Ю.В.)

Введение

Мы го­во­ри­ли о токе в ме­тал­ле, также об­су­ди­ли элек­три­че­скую цепь и её со­став­ные части, го­во­ри­ли о на­прав­ле­нии тока. Од­на­ко мы не ка­са­лись та­ко­го во­про­са, как ха­рак­те­ри­сти­ки, с по­мо­щью ко­то­рых можно опи­сать элек­три­че­ский ток. На­вер­ное, все вы слы­ша­ли о вы­ра­же­нии «ска­чок на­пря­же­ния» и на­блю­да­ли ми­га­ние лам­поч­ки. То есть мы по­ни­ма­ем, что элек­три­че­ские токи бы­ва­ют раз­ны­ми, а как же можно срав­ни­вать элек­три­че­ские токи? Какие ха­рак­те­ри­сти­ки тока поз­во­ля­ют оце­ни­вать его ве­ли­чи­ну и дру­гие его па­ра­мет­ры? Се­год­ня мы нач­нем изу­чать ве­ли­чи­ны, ко­то­рые ха­рак­те­ри­зу­ют элек­три­че­ский ток, и нач­нем мы с такой ха­рак­те­ри­сти­ки, как сила тока.

Сила тока

Вы уже зна­е­те, что в ме­тал­ли­че­ском стержне до­ста­точ­но боль­шое ко­ли­че­ство но­си­те­лей элек­три­че­ско­го за­ря­да – элек­тро­нов. По­нят­но, когда по стерж­ню не течет элек­три­че­ский ток, эти элек­тро­ны дви­жут­ся ха­о­ти­че­ски, то есть можно счи­тать, что ко­ли­че­ство элек­тро­нов, ко­то­рое про­хо­дит через се­че­ние стерж­ня слева на­пра­во, при­бли­зи­тель­но равно ко­ли­че­ству элек­тро­нов, ко­то­рое про­хо­дит через то самое се­че­ние стреж­ня спра­ва на­ле­во за одно и то же время. Если мы про­пус­ка­ем по стерж­ню элек­три­че­ский ток, то дви­же­ние элек­тро­нов ста­но­вит­ся упо­ря­до­чен­ным и ко­ли­че­ство элек­тро­нов, ко­то­рое про­хо­дит через се­че­ние стерж­ня за про­ме­жу­ток вре­ме­ни, су­ще­ствен­но воз­рас­та­ет (име­ет­ся в виду то ко­ли­че­ство элек­тро­нов, ко­то­рое про­хо­дит в одном на­прав­ле­нии).

Сила тока – это фи­зи­че­ская ве­ли­чи­на, ха­рак­те­ри­зу­ю­щая элек­три­че­ский ток и чис­лен­но рав­ная за­ря­ду, про­хо­дя­ще­му через по­пе­реч­ное се­че­ние про­вод­ни­ка за еди­ни­цу вре­ме­ни. Силу тока обо­зна­ча­ют сим­во­лом  и опре­де­ля­ют по фор­му­ле: , где  – заряд, про­хо­дя­щий через по­пе­реч­ное се­че­ние про­вод­ни­ка за время .

Чтобы лучше по­нять суть вве­ден­ной ве­ли­чи­ны, да­вай­те об­ра­тим­ся к ме­ха­ни­че­ской мо­де­ли элек­три­че­ской цепи. Если рас­смот­реть во­до­про­вод­ную си­сте­му вашей квар­ти­ры, то она может ока­зать­ся по­ра­зи­тель­но по­хо­жей на элек­три­че­скую цепь. Дей­стви­тель­но, ана­ло­гом ис­точ­ни­ка тока вы­сту­па­ет насос, ко­то­рый со­зда­ет дав­ле­ние и по­став­ля­ет воду в квар­ти­ры (см. рис .1).

Рис. 1. Во­до­про­вод­ная си­сте­ма

Как толь­ко он пе­ре­ста­нет ра­бо­тать, ис­чез­нет вода в кра­нах. Краны вы­сту­па­ют в роли клю­чей элек­три­че­ской цепи: когда кран от­крыт – вода течет, когда за­крыт – нет. В роли за­ря­жен­ных ча­стиц вы­сту­па­ют мо­ле­ку­лы воды (см. рис. 2).

Рис. 2. Дви­же­ние мо­ле­кул воды в си­сте­ме

Если мы те­перь вве­дем ве­ли­чи­ну, ана­ло­гич­ную толь­ко что вве­ден­ной силе тока, то есть ко­ли­че­ству мо­ле­кул воды через се­че­ние трубы за еди­ни­цу вре­ме­ни, то фак­ти­че­ски по­лу­чим ко­ли­че­ство воды, про­хо­дя­щей через по­пе­реч­ное се­че­ние труб­ки за одну се­кун­ду – то, что в быту часто на­зы­ва­ют на­по­ром. Со­от­вет­ствен­но, чем боль­ше напор, тем боль­ше воды вы­те­ка­ет из крана, ана­ло­гич­но: чем боль­ше сила тока, тем силь­нее ток и его дей­ствие.

Единицы силы тока

Еди­ни­цей силы тока яв­ля­ет­ся ампер: . Эта ве­ли­чи­на на­зва­на в честь фран­цуз­ско­го уче­но­го Ан­дре-Ма­ри Ам­пе­ра. Ампер – одна из еди­ниц ин­тер­на­ци­о­наль­ной си­сте­мы. Зная еди­ни­цы силы тока, легко по­лу­чить опре­де­ле­ние еди­ни­цы элек­три­че­ско­го за­ря­да в СИ. По­сколь­ку , то .

Сле­до­ва­тель­но, . То есть 1 Кл – это заряд, про­хо­дя­щий через по­пе­реч­ное се­че­ние про­вод­ни­ка за 1 с при силе тока в про­вод­ни­ке 1 А. Кроме ам­пе­ра, также при­ме­ня­ют такие ве­ли­чи­ны, как мил­ли­ам­пер (), мик­ро­ам­пер (), ки­ло­ам­пер (). Чтобы пред­став­лять себе, что такое малая, а что такое боль­шая сила тока, при­ве­дем такие дан­ные: для че­ло­ве­ка счи­та­ет­ся без­опас­ной сила тока, мень­ше 1 мА, а сила тока, боль­ше 100 мА, может при­ве­сти к су­ще­ствен­ным про­бле­мам со здо­ро­вьем.

Неко­то­рые зна­че­ния силы тока

Чтобы по­ни­мать ве­ли­чи­ну такой силы тока, как 1А, да­вай­те рас­смот­рим сле­ду­ю­щую таб­ли­цу.

Рент­ге­нов­ский ме­ди­цин­ский ап­па­рат (см. рис. 3) – 0,1 А

Рис. 3. Рент­ге­нов­ский ме­ди­цин­ский ап­па­рат

Лам­поч­ка кар­ман­но­го фо­на­ря – 0,1–0,3 А

Пе­ре­нос­ной маг­ни­то­фон – 0,3 А

Лам­поч­ка в клас­се – 0,5 А

Мо­биль­ный те­ле­фон в ре­жи­ме ра­бо­ты – 0,53 А

Те­ле­ви­зор – 1 А

Сти­раль­ная ма­ши­на – 2 А

Элек­три­че­ский утюг – 3 А

Элек­тро­до­иль­ная уста­нов­ка – 10 А

Дви­га­тель трол­лей­бу­са – 160–220 А

Мол­ния – более 1000 А

Кроме того, рас­смот­рим эф­фек­ты дей­ствия тока, ко­то­рые он ока­зы­ва­ет на ор­га­низм че­ло­ве­ка, в за­ви­си­мо­сти от силы тока (в таб­ли­це при­ве­де­на сила тока при ча­сто­те 50 Гц и эф­фект дей­ствия тока на че­ло­ве­че­ский ор­га­низм).

0–0,5 мА        От­сут­ству­ет

0,5–2 мА        По­те­ря чув­стви­тель­но­сти

2–10 мА         Боль, мы­шеч­ные со­кра­ще­ния

10–20 мА       Рас­ту­щее воз­дей­ствие на мышцы, неко­то­рые по­вре­жде­ния

16 мА             Ток, выше ко­то­ро­го че­ло­век уже не может осво­бо­дить­ся от элек­тро­дов

20–100 мА     Ды­ха­тель­ный па­ра­лич

100 мА – 3 А Смер­тель­ные же­лу­доч­ко­вые фиб­рил­ля­ции (необ­хо­ди­ма сроч­ная ре­ани­ма­ция)

Более 3 А       Оста­нов­ка серд­ца, тя­же­лые ожоги (если шок был крат­ким, то серд­це можно ре­ани­ми­ро­вать)

Вме­сте с тем боль­шин­ство при­бо­ров рас­счи­та­но на зна­чи­тель­но боль­шее зна­че­ние силы тока, по­это­му при ра­бо­те с ними очень важно со­блю­дать неко­то­рые пра­ви­ла. Оста­но­вим­ся на глав­ных мо­мен­тах, ко­то­рые нужно пом­нить всем, кто имеет дело с элек­три­че­ством.

Нель­зя:

1) При­ка­сать­ся к об­на­жен­но­му про­во­ду, осо­бен­но стоя на земле, сыром полу и т.п.

2) Поль­зо­вать­ся неис­прав­ны­ми элек­тро­тех­ни­че­ски­ми устрой­ства­ми.

Со­би­рать, ис­прав­лять, раз­би­рать элек­тро­тех­ни­че­ские устрой­ства, не от­со­еди­нив их от ис­точ­ни­ка тока.

Амперметр

Для из­ме­ре­ния силы тока ис­поль­зу­ет­ся при­бор – ам­пер­метр. Он обо­зна­ча­ет­ся бук­вой А в кру­жоч­ке при схе­ма­ти­че­ском изоб­ра­же­нии в элек­три­че­ской цепи. Как и любой при­бор, ам­пер­метр не дол­жен вли­ять на зна­че­ние из­ме­ря­е­мой ве­ли­чи­ны, по­это­му он скон­стру­и­ро­ван таким об­ра­зом, чтобы прак­ти­че­ски не ме­нять зна­че­ние силы тока в цепи.

Пра­ви­ла, ко­то­рые необ­хо­ди­мо со­блю­дать при из­ме­ре­нии силы тока ам­пер­мет­ром

1) Ам­пер­метр вклю­ча­ют в цепь по­сле­до­ва­тель­но с тем про­вод­ни­ком, в ко­то­ром необ­хо­ди­мо из­ме­рять силу тока (см. рис. 4).

2) Клем­му ам­пер­мет­ра, возле ко­то­рой стоит знак +, нужно со­еди­нять с про­во­дом, иду­щим от по­ло­жи­тель­но­го по­лю­са ис­точ­ни­ка тока; клем­му со зна­ком минус – с про­во­дом, иду­щим от от­ри­ца­тель­но­го  по­лю­са ис­точ­ни­ка тока (см. рис. 5).

3) Нель­зя под­клю­чать ам­пер­метр к цепи, где от­сут­ству­ет по­тре­би­тель тока (см. рис. 6).

Рис. 4. По­сле­до­ва­тель­ное со­еди­не­ние ам­пер­мет­ра

Рис. 5. Пра­виль­но со­еди­не­на клем­ма +

Рис. 6. Невер­но под­клю­чен­ный ам­пер­метр

Да­вай­те по­смот­рим на ра­бо­ту ам­пер­мет­ра вжи­вую. Перед нами элек­три­че­ская цепь, ко­то­рая со­сто­ит из ис­точ­ни­ка тока, ам­пер­мет­ра, ко­то­рый со­еди­нен по­сле­до­ва­тель­но, и лам­поч­ки, ко­то­рая также со­еди­не­на по­сле­до­ва­тель­но (см. рис. 7).

Рис. 7. Элек­три­че­ская цепь

Если сей­час вклю­чим ис­точ­ник тока, то смо­жем про­на­блю­дать, какая сила в цепи с по­мо­щью ам­пер­мет­ра. Вна­ча­ле он ука­зы­ва­ет 0 (то есть тока в цепи нет), а те­перь видим, что сила тока стала почти 0,2 А (см. рис. 8).

Рис. 8. Про­те­ка­ние тока в цепи

Если мы из­ме­ним ток в цепи, уви­дим, что сила тока уве­ли­чит­ся (ста­нет при­мер­но 0,26 А), и при этом лам­поч­ка за­го­рит­ся ярче (см. рис .9), то есть, чем боль­ше сила тока в цепи, тем ярче лам­поч­ка горит.

Рис. 9. Сила тока в цепи боль­ше – лам­поч­ка горит ярче

Виды ам­пер­мет­ров

Рас­про­стра­не­ние по­лу­чи­ли ам­пер­мет­ры элек­тро­маг­нит­ные, маг­ни­то­элек­три­че­ские, элек­тро­ди­на­ми­че­ские, теп­ло­вые и ин­дук­ци­он­ные.

В элек­тро­маг­нит­ных ам­пер­мет­рах (см. рис. 10) из­ме­ря­е­мый ток, про­хо­дя по ка­туш­ке, втя­ги­ва­ет внутрь ее сер­деч­ник из мяг­ко­го же­ле­за с силой, воз­рас­та­ю­щей с уве­ли­че­ни­ем силы тока; при этом на­са­жен­ная на одной оси с сер­деч­ни­ком стрел­ка по­во­ра­чи­ва­ет­ся и по гра­ду­и­ро­ван­ной шкале ука­зы­ва­ет силу тока в ам­пе­рах.

Рис. 10. Элек­тро­маг­нит­ный ам­пер­метр

В теп­ло­вых ам­пер­мет­рах (см. рис. 11) из­ме­ря­е­мый ток про­пус­ка­ет­ся по на­тя­ну­той ме­тал­ли­че­ской нити, ко­то­рая вслед­ствие на­гре­ва­ния током удли­ня­ет­ся и про­ви­са­ет, по­во­ра­чи­вая при этом стрел­ку, ука­зы­ва­ю­щую на шкале силу тока.

Рис. 11. Теп­ло­вой ам­пер­метр

В маг­ни­то­элек­три­че­ском ам­пер­мет­ре (см. рис. 12) под вли­я­ни­ем вза­и­мо­дей­ствия из­ме­ря­е­мо­го тока, про­пус­ка­е­мо­го по про­во­ло­ке, на­мо­тан­ной на лег­кую алю­ми­ни­е­вую рамку, и маг­нит­но­го поля по­сто­ян­но­го под­ко­во­об­раз­но­го маг­ни­та рамка вме­сте с ука­за­тель­ной стрел­кой по­во­ра­чи­ва­ет­ся на боль­ший или мень­ший угол в за­ви­си­мо­сти от ве­ли­чи­ны силы тока.

Рис. 12. Маг­ни­то­элек­три­че­ский ам­пер­метр

В элек­тро­ди­на­ми­че­ских ам­пер­мет­рах (без же­ле­за) (см. рис. 13) из­ме­ря­е­мый ток про­пус­ка­ет­ся по­сле­до­ва­тель­но по об­мот­ке непо­движ­ной и по­движ­ной ка­ту­шек; по­след­няя бла­го­да­ря вза­и­мо­дей­ствию про­хо­дя­ще­го по ней тока с током в непо­движ­ной ка­туш­ке по­во­ра­чи­ва­ет­ся вме­сте со стрел­кой, ука­зы­ва­ю­щей силу тока.

Рис. 13. Элек­тро­ди­на­ми­че­ский ам­пер­метр

В ин­дук­ци­он­ных при­бо­рах (см. рис. 14)по­движ­ный ме­тал­ли­че­ский диск или ци­линдр под­вер­га­ет­ся воз­дей­ствию бе­гу­ще­го или вра­ща­ю­ще­го­ся поля, со­зда­ва­е­мо­го непо­движ­ны­ми ка­туш­ка­ми, со­еди­нен­ны­ми маг­нит­ной си­сте­мой.

Рис. 14. Ин­дук­ци­он­ный ам­пер­метр

Теп­ло­вые и элек­тро­ди­на­ми­че­ские ам­пер­мет­ры при­год­ны для из­ме­ре­ния как по­сто­ян­но­го, так и пе­ре­мен­но­го токов, элек­тро­маг­нит­ные – для по­сто­ян­но­го тока и ин­дук­ци­он­ные – для пе­ре­мен­но­го

Ре­ше­ние задач

Рас­смот­рим ре­ше­ние несколь­ких ти­по­вых задач по дан­ной теме.

За­да­ча 1

Сколь­ко элек­тро­нов каж­дую се­кун­ду про­хо­дит через по­пе­реч­ное се­че­ние про­вод­ни­ка, если по нему течёт ток 0,32 А?

Ре­ше­ние

Мы знаем не толь­ко силу тока I = 0,32 A, время t = 1 c, но и заряд од­но­го элек­тро­на: .

Вос­поль­зу­ем­ся опре­де­ле­ни­ем силы тока: , а заряд, ко­то­рый про­хо­дит за еди­ни­цу вре­ме­ни по мо­ду­лю, равен сумме мо­ду­лей за­ря­дов элек­тро­нов, ко­то­рые про­хо­дят через се­че­ние за 1 с. По­лу­ча­ем . От­ку­да .

Про­ве­ря­ем еди­ни­цы ис­ко­мой ве­ли­чи­ны: .

Ответ: .

За­да­ча 2

По­че­му ам­пер­метр, ко­то­рый по­ка­зы­ва­ет силу тока, иду­ще­го через про­вод, ко­то­рым ак­ку­му­ля­тор ав­то­мо­би­ля со­еди­ня­ет­ся с бор­то­вой элек­три­че­ской сетью, имеет на шкале и по­ло­жи­тель­ные, и от­ри­ца­тель­ные зна­че­ния?

Ре­ше­ние

Дело в том, что в ав­то­мо­биль­ном ак­ку­му­ля­то­ре про­ис­хо­дят два про­цес­са: ино­гда он за­ря­жа­ет­ся (см. рис. 15), то есть по­лу­ча­ет заряд (за­ря­ды дви­жут­ся в одну сто­ро­ну), а ино­гда – пи­та­ет бор­то­вую сеть, то есть от­да­ёт заряд (со­от­вет­ствен­но, за­ря­ды дви­жут­ся в дру­гую сто­ро­ну) (см. рис. 16). В этих двух слу­ча­ях сила тока будет от­ли­чать­ся зна­ком.

Рис. 15. За­ряд­ка ак­ку­му­ля­то­ра

Рис. 16. Раз­ряд­ка ак­ку­му­ля­то­ра

За­да­ча 3

В про­вод­ни­ке в каж­дом ку­би­че­ском сан­ти­мет­ре со­дер­жит­ся  сво­бод­ных элек­тро­нов. С какой сред­ней ско­ро­стью элек­тро­ны упо­ря­до­чен­но дви­га­ют­ся по про­вод­ни­ку, если сила тока в нём 8 А? Пло­щадь по­пе­реч­но­го се­че­ния про­вод­ни­ка со­став­ля­ет 1 мм².

Ре­ше­ние

Мы знаем силу тока I = 8 A, пло­щадь се­че­ния , заряд од­но­го элек­тро­на , объём  и ко­ли­че­ство элек­тро­нов в этом объ­ё­ме . Найти необ­хо­ди­мо ско­рость .

Рас­смот­рим ку­би­че­ский сан­ти­метр про­вод­ни­ка. В нём со­дер­жит­ся из­вест­ное ко­ли­че­ство сво­бод­ных элек­тро­нов. Что такое сред­няя ско­рость их дви­же­ния? . Как опре­де­лить рас­сто­я­ние?

Для на­ча­ла вос­поль­зу­ем­ся опре­де­ле­ни­ем силы тока: , а заряд, ко­то­рый про­хо­дит за еди­ни­цу вре­ме­ни, по мо­ду­лю равен сумме мо­ду­лей за­ря­дов элек­тро­нов, ко­то­рые про­хо­дят через се­че­ние за время. По­лу­ча­ем . От­ку­да – ко­ли­че­ство элек­тро­нов, ко­то­рые про­шли через се­че­ние про­вод­ни­ка за еди­ни­цу вре­ме­ни. Из неслож­ной про­пор­ции опре­де­ля­ем объём, ко­то­рый за­ни­ма­ют эти элек­тро­ны: , от­ку­да .

Те­перь найти рас­сто­я­ние, прой­ден­ное элек­тро­на­ми, неслож­но: если весь этот объём про­шёл через се­че­ние, то длина пути каж­до­го элек­тро­на равна: .

По­лу­ча­ем ито­го­вую фор­му­лу: .

Про­ве­ря­ем еди­ни­цы из­ме­ре­ния: .

Ответ:

Далее мы по­го­во­рим о еще одной ха­рак­те­ри­сти­ке тока – на­пря­же­нии. На этом наш урок окон­чен, спа­си­бо за вни­ма­ние!

Вопросы к конспектам