Сила тока: определение, как найти, расчет в проводнике

Природа происхождения

В качестве частиц выступают:

• в металлических проводниках — электроны;
• в полупроводниках — дырки или электроны;
• в вакууме — электроны (при определенных условиях);
• в газах — электроны и ионы;
• в растворах и расплавах электролитов — ионы.

Пока по проводнику не течет электрический ток частицы движутся хаотично. И их количество перетекших в одном направлении примерно соответствует и количеству частиц, перетекших в противоположном направлении.

Но ситуация меняется после того, как по проводнику пускают ток. В этом случае количество движущихся в одном направлении частиц значительно возрастает. И чем больше их проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше и сила тока.

Модель электрической цепи

Лучше понять физический смысл рассматриваемой величины можно на примере механической модели электрической цепи. В качестве ее возьмем водопроводную сеть частного дома.

Для того, чтобы вода начала поступать в водопровод из скважины или колодца необходим насос. Поэтому его можно рассматривать в качестве аналога батареи или иного источника тока. Он создает в системе давление, которое и приводит воду в движение. Соответственно трубы выступают роли проводников, молекулы воды —  электронов, а краны — электрических переключателей.

Чем сильнее напор в водопроводной системе, тем большее количество воды, а вернее ее молекул, протекает через поперечное сечение трубы за каждую секунду. Отсюда можно сделать вывод, что чем больше сила тока, тем сильнее и его действие.

Единица измерения

Так как сила тока — это количественная величина, то в физике есть и единица ее измерения. Она позволяет проводить сравнительный анализ различных токов и их действий.

В чем измеряется

Формула силы тока записывается так:

\(I=\frac{\triangle q}{\triangle t}\)

где \(\triangle t\) — это единица времени, а \(\triangle q\) — количества электрического заряда, протекшего за указанный промежуток времени через поперечное сечение проводника.

В Интернациональной системе (СИ) заряд измеряется в Кулонах, а время — в секундах. В соответствии с этим единица измерения силы тока — Кулон/секунду. По международному соглашению ее стали называть Ампером.

За силу тока в 1 A принимают такой ток, при котором два проводника притягиваются друг к другу (ток течет в одном направлении) или отталкиваются (ток течет в разных направлениях) с силой 0,0000002 H.

На практике очень часто применяются кратные единицы силы тока:

1 кА = 103 А, 1 мкА = 10-6 А, 1 мА = 10-3 А

В честь кого названа единица измерения

Единица измерения силы тока была названа в честь французского ученого Андрэ-Мари Ампер. Его называют «отцом» учения о электромагнетизме. Именно он ввел в науку такие термины как электрический ток, электростатика и электродинамика, гальванометр, напряжение, электродвижущая сила, соленоид. Амперу удалось найти доказательство теоремы «О циркуляции магнитного поля» и описать математически силу взаимодействия между токами.

Как найти силу тока

С проблемой определения силы тока сталкиваются и при решении задач, и в повседневной жизни. Вычислить этот параметр для проводника или электрической цепи можно не только путем проведения измерений, но и при помощи формул.

В проводнике

Основными величинами, характеризующими электрический ток, являются сила, напряжение и сопротивление. Взаимосвязь между ними была установлена экспериментальным путем в 1826 году Георгом Омом. В последствии она была сформулирована в виде закона, который и был назван в честь ученого.

Рассчитать силу тока в проводнике также можно, если разделить мощность на напряжение.

При протекании тока происходит нагревание проводника. И по количеству выделившегося тепла на основании закона Джоуля-Ленца возможно провести вычисление силы тока.

В цепи

Реальный источник тока всегда обладает своим внутренним сопротивлением.

Формулы

Закон Ома для участка цепи:

\(I=\frac UR\)

где R — сопротивление проводника, а U — напряжение.

Закон Ома для полной цепи:

\(I=\frac\Sigma{R+r}\)

где ε — электродвижущая сила источника тока, R + r — сумма сопротивлений источника и внешней нагрузки.

Формула, для определения силы тока по мощности и напряжению:

\(I=\frac PU\)

где P — мощность, а U — напряжение.

Математически формула выглядит так:

\(Q=I^2Rt\)

Исходя из нее можно вывести еще одну формулу для расчета силы тока:

\(I=\sqrt{\frac Q{Rt}}\)

Как можно измерить силу тока

Для измерения силы тока используется прибор, называемый амперметром. На электрических схемах он обозначается буквой А, заключенной в окружность.

В любом проводнике замкнутой цепи, собранной последовательно, протекает электрический ток одинаковой величины. Поэтому для его измерения достаточно просто разомкнуть эту цепь в любом месте и подключить амперметр. Нельзя подключать его к источнику тока при отсутствии устройства потребления.

Ток бывает переменный и постоянный. И для его измерения необходимы разные устройства. На шкале амперметров для постоянного тока имеется одно из следующих обозначений — «-», «DC» или указание на полярность подключения. Амперметры, предназначенные для измерения силы переменного тока обозначаются «\(\sim\)» или «АС».

Амперметр для постоянного тока необходимо включать в цепь с соблюдением полярности, то есть к клемме прибора, имеющей обозначение «+», присоединяют провод, идущий от положительного электрода.

Амперметр для переменного тока не имеет полярности и подключается без ее учета.

Описание прибора

Амперметр — это один из электроизмерительных приборов. Он обладает очень низким сопротивлением, чтобы не оказывать влияния на величину измеряемой силы тока. Ведь закон Ома гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Это означает, что чем больше сопротивление проводников, тем меньше сила тока.

Шкала прибора может быть градуирована не только в А, но и в других кратных единицах — мкА, мА, кА.

Амперметры бывают:

• аналоговые (стрелочные);
• цифровые (электронные).

Измерители стрелочного типа не нуждаются в источнике питания, так как потребляют электрический ток непосредственно из измеряемой цепи. Но они показывают величину силы тока с некоторой задержкой, а не мгновенно.

Электронные амперметры практически полностью лишены такого недостатка как инерционность. Современные процессоры, используемые в этих моделях, обеспечивают частоту обновления показателей до 1000 в минуту. Их недостатком является высокая цена и необходимость отдельного источника питания для функционирования.

Примеры нахождения силы тока в задачах

Задача №1

Определите силу тока проводнике, имеющем сопротивление 55 Ом при напряжении в сети 220В.

Решение

\(I=\frac UR\)

Вычисление

\(I=\frac{220}{50}=4.4\;A\)

Ответ: сила тока в проводнике 4,4 А.

Задача №2

Сила тока в резисторе при напряжении 100В (U1) составляет 4 А (I1). Если напряжение увеличить на 20В (Δ U), как изменится сила тока (I2), протекающего через этот резистор?

Решение

По условию задачи сопротивление резистора не изменяется. Тогда:

\(\frac{U1}{I1}=\frac{U2}{I2}\;\Rightarrow\;I2=\frac{I1\times U2}{U1}\)

\(U2=U1+\triangle U\)

\(I2=\frac{I1\times\left(U1+\triangle U\right)}{U1}\)

Вычисление

\(I2=\frac{4\times\left(100+20\right)}{100}=4.8\;A\)

Ответ: сила тока станет 4,8 А.

Задача №3

Определите силу тока в цепи с внешним сопротивлением 10 Ом и источником постоянного тока, ЭДС которого составляет 15В, а внутреннее сопротивление – 1 Ом.

Решение

\(I=\frac\varepsilon{R+r}\)

Вычисление

\(I=\frac{15}{10+1}=1.37A\)

Ответ: 1,37 А.

Задача №4

При какой силе тока (I) проволока с сопротивлением (R) 20 Ом за 300 секунд (t) выделит 6 кДж теплоты (Q)?

Решение

\(I=\sqrt{\frac Q{Rt}}\)

Вычисление

\(I=\sqrt{\frac{6000}{20\ast300}}=1A\)

Ответ: 1 А.