Что называют силой тока: Сила тока. Амперметр — урок. Физика, 8 класс.

Электричество и магнетизм

 В проводниках часть валентных электронов  не связана с определенными атомами и может свободно перемещаться по всему его объему. В отсутствие приложенного к проводнику электрического поля такие свободные электроны — электроны проводимости — движутся хаотично, часто сталкиваясь с ионами и атомами, и изменяя при этом энергию и направление своего движения. Через любое сечение проводника в одну сторону проходит столько же электронов, сколько и в противоположную. Поэтому результирующего переноса электронов через такое сечение нет, и электрический ток равен нулю. Если же к концам проводника приложить разность потенциалов, то под действием сил электрического поля свободные заряды в проводнике начнут двигаться из области большего потенциала в область меньшего — возникнет электрический ток. Исторически сложилось так, что за направление тока принимают направление движение положительных зарядов, которое соответствует их переходу от большего потенциала к меньшему.  

Электрический ток характеризуется силой тока I  (рис. 4.1).

 

Сила тока есть скалярная величина, численно равная заряду переносимому через поперечное сечение проводника в единицу времени                  (4.1)

 

 

Рис. 4.1. Сила тока в проводнике 

Согласно (4.1), сила тока в проводнике равна отношению заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время  к этому времени.

Замечание: В общем случае сила тока через некоторую поверхность равна потоку заряда через эту поверхность.

Если сила тока с течением времени не изменяется, то есть за любые равные промежутки времени через любое сечение проводника проходят одинаковые заряды, то такой ток называется постоянным, и тогда заряд, протекший за время t, может быть найден как (рис. 4.2)

(4.2)

  

Рис. 4.2. Постоянный ток, протекающий через разные сечения проводника 

Величина , численно равная заряду, проходящему через единицу площади поперечного сечения проводника за единицу времени, называется плотностью тока.

 С учетом определения силы тока плотность тока через данное сечение может быть выражена через силу тока , протекающего через это сечение

(4.3)

 

При равномерном распределении потока зарядов по всей площади сечения проводника плотность тока равна

(4. 4)

 

 

В СИ единицей измерения силы тока является ампер (А). В СИ эта единица измерения является основной.

Уравнение (4.1) связывает единицы измерения силы тока и заряда

В СИ единицей измерения плотности тока является ампер на квадратный метр (А/м2):

Это очень малая величина, поэтому на практике обычно имеют дело с более крупными единицами, например

 

Плотность тока можно выразить через объемную плотность зарядов  и скорость их движения v (рис. 4.3).

Рис. 4.3. К связи плотности тока j  с объемной плотностью зарядов    и дрейфовой скоростью v носителей заряда. За время dt  через площадку S  пройдут все заряды из объема dV = vdt S  

Полный заряд, проходящий за время dt через некоторую поверхность S, перпендикулярную вектору скорости v, равен

(4.5)

Так как dq/(Sdt) есть модуль плотности тока j, можно записать

(4.6)

Поскольку скорость v есть векторная величина, то и плотность тока также удобно считать векторной величиной, следовательно

 

Здесь  плотность заряда, скорость направленного движения носителей заряда.

Замечание: Для общности использован индекс , так как носителями заряда, способными участвовать в создании тока проводимости, могут быть не только электроны, но, например, протоны в пучке, полученном из ускорителя или многозарядные ионы в плазме, или так называемые «дырки» в полупроводниках «р» типа, короче, любые заряженные частицы, способные перемещаться под воздействием внешних силовых полей. 

Кроме того, удобно выразить плотность заряда  через число  носителей заряда в единице объема — (концентрацию носителей заряда) . В итоге получаем:

(4.7)

Следует подчеркнуть, что плотность тока, в отличие от силы тока — дифференциальная векторная величина. Зная плотность тока, мы знаем распределение течения заряда по проводнику. Силу тока всегда можно вычислить по его плотности. Соотношение (4.4) может быть «обращено»: если взять бесконечно малый элемент площади , то сила тока через него определится как . Соответственно, силу тока через любую поверхность S можно найти интегрированием

(4.8)

Что же понимать под скоростью заряда v, если таких зарядов — множество, и они заведомо не движутся все одинаково? В отсутствие внешнего электрического поля, скорости теплового движения носителей тока  распределены хаотично, подчиняясь общим закономерностям статистической физики. Среднее статистическое значение  ввиду изотропии распределения по направлениям теплового движения. При наложении поля возникает некоторая дрейфовая скорость — средняя скорость направленного движения носителей заряда:

которая будет отлична от нуля. Проведем аналогию. Когда вода вырывается из шланга, и мы интересуемся, какое ее количество поступает в единицу времени на клумбу, нам надо знать скорость струи и поперечное сечение шланга. И нас совершенно не волнуют скорости отдельных молекул, хотя они и очень велики, намного больше скорости струи воды, как мы убедились в предыдущей части курса.

Таким образом, скорость  в выражении (4.7) — это дрейфовая скорость носителей тока в присутствии внешнего электрического поля или любого другого силового поля, обуславливающего направленное (упорядоченное) движение носители заряда. Если в веществе возможно движение зарядов разного знака, то полная плотность тока определяется векторной суммой плотностей потоков заряда каждого знака.

Как уже указывалось, в отсутствие электрического поля движение носителей заряда хаотично и не создает результирующего тока. Если, приложив электрическое поле, сообщить носителям заряда даже малую (по сравнению с их тепловой скоростью) скорость дрейфа, то, из-за наличия в проводниках огромного количества свободных электронов, возникнет значительный ток.

Поскольку дрейфовая скорость носителей тока создается электрическим полем, логично предположить пропорциональность

так что и плотность тока будет пропорциональна вектору напряженности (рис. 4.4)

(4.9)

Более подробно этот вопрос обсуждается в Дополнении

Входящий в соотношение (4.9) 

Коэффициент пропорциональности   называется проводимостью вещества проводника.

Проводимость связывает напряженность поля в данной точке с установившейся скоростью «течения» носителей заряда. Поэтому она может зависеть от локальных свойств проводника вблизи этой точки (то есть от строения вещества), но не зависит от формы и размеров проводника в целом. Соотношение (4.9) носит название закона Ома для плотности тока в проводнике (его называют также законом Ома в дифференциальной форме).

Рис. 4.4. Силовые линии электрического поля совпадают с линиями тока 

Чтобы понять порядки величин, оценим дрейфовую скорость носителей заряда в одном из наиболее распространенных материалов — меди. Возьмем для примера силу тока I = 1 А, и пусть площадь поперечного сечения провода составляет

1 мм² = 10^–6 м². Тогда плотность тока равна j = 10⁶ А/м². Теперь воспользуемся соотношением (4.7)

Носителями зарядов в меди являются электроны (е = 1.6·10^-19 Кл), и нам осталось оценить их концентрацию . В таблице Менделеева медь помещается в первой группе элементов, у нее один валентный электрон, который может быть отдан в зону проводимости. Поэтому число свободных электронов примерно совпадает с числом атомов. Берем из справочника плотность меди — r _Cu=8,9·10³ кг/м3. Молярная масса меди указана в таблице Менделеева — M_Cu = 63,5·10^–3 кг/моль. Отношение 

 

— это число молей в 1 м³. Умножая на число Авогадро Na = 6,02·10²³ моль^–1, получаем число атомов в единице объема, то есть концентрацию электронов

Теперь получаем искомую оценку дрейфовой скорости электронов

Для сравнения: скорости хаотического теплового движения электронов при 20°С в меди по порядку величины составляют 10⁶ м/с, то есть на одиннадцать порядков величины больше. 

Возьмем произвольную воображаемую замкнутую поверхность S, которую в разных направлениях пересекают движущиеся заряды. Мы видели, что полный ток через поверхность равен

где dq — заряд, пересекающий поверхность за время dt. Обозначим через q ‘ заряд, находящийся внутри поверхности. Его можно выразить через плотность заряда , проинтегрированную по всему объему, ограниченному поверхностью

Из фундаментального закона природы — закона сохранения заряда — следует, что заряд dq, вышедший через поверхность за время dt, уменьшит заряд q ‘ внутри поверхности точно на эту же величину, то есть dq ‘ = –dq  или

Подставляя сюда написанные выше выражения для скоростей изменения заряда внутри поверхности , получаем математическое соотношение, выражающее закон сохранения заряда в интегральной форме

(4.10)

Напомним, что интегрирования ведутся по произвольной поверхности S и ограниченному ею объему V.

Сила тока. Единицы силы тока 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Тема 12: Электромагнитные явления. Повторение

• Видео
• Тренажер
• Теория

Заметили ошибку?

Действия электрического тока

 

Вспомним основные понятия, связанные с электрическим током.

 

Определение. Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц.

За направление тока принято считать направление движения положительно заряженных частиц, т. е. ток течет от положительного полюса источника тока (плюс) к отрицательному (минус).

Действия электрического тока: тепловое, магнитное, химическое. Для характеристики действий электрического тока необходима величина, которая бы их описывала. На сегодняшнем занятии мы ее введем.

 

Понятие силы тока

 

 

Для улучшения понимания процессов протекания электрического тока часто говорят о том, что это напоминает течение воды в трубе. При этом в роли зарядов выступает вода, а в роли проводника – труба. Для описания движения воды в таком случае используется величина, указывающая количество воды, протекающей через сечение трубы в единицу времени. Аналогичную величину используют и для описания протекания электрического тока, а именно величину, характеризующую протекание заряда в проводнике. Такую величину называют силой тока.

 

Определение. Сила тока – величина, показывающая электрический заряд, протекающий через поперечное сечение проводника, за единицу времени.

Обозначение силы тока: .

Единица измерения силы тока: А (ампер).

Обозначения:

 заряд, Кл;

 время, с.

Сила тока определяет действие электрического тока, и можно говорить, что чем значение силы тока больше, тем действие электрического тока более существенно. Простейшим примером такой зависимости действия электрического тока от величины силы тока может быть накал электрической лампочки. Если сила тока велика, то лампочка светит ярко, если невелика, то более тускло.

Формула для вычисления силы тока удобна тем, что позволяет выражать и вычислять количество заряда, который протекает за определенное время через сечение проводника при заданной силе тока.

 

Единица измерения силы тока

 

 

Для введения единицы измерения величины силы тока используют магнитное взаимодействие, которое возникает между параллельными проводниками, по которым течет ток. Такой опыт впервые был проведен французским физиком Ампером (рис. 1), который получил название «Взаимодействие параллельных токов» (рис. 2). Согласно эксперименту, при протекании тока одинакового значения по двум параллельным проводам в одну сторону наблюдается их притяжение (рис. 2-а), при противоположном протекании наблюдается отталкивание (рис. 2-б), а при отсутствии тока в проводах никакого взаимодействия не наблюдается (рис. 2-в). Сила взаимодействия токов в проводах зависит в таком случае от многих факторов: длины проводов, расстояния между ними, величины тока и от среды, в которой они находятся.

 

Рис. 1. Андре-Мари Ампер (1775-1836) (Источник)	Рис. 2. Взаимодействие параллельных токов (Источник)

В 1948 году на IX Генеральной конференции по мерам и весам было принято следующее определение одного ампера.

Определение. Ампер – это сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную .

Если говорить об используемых зачастую значениях силы тока в бытовых условиях, то величина в 1 А является достаточно большой и чаше используются ее уменьшенные значения: мА, мкА и т.п.

Следует отдельно отметить, что электрический ток является опасным для человека, и при работе с ним следует прибегать к мерам особой предосторожности (использование резиновых перчаток, сапог и т.  д.) Сила тока величиной в 100 мА уже является крайне опасной для человека.

На следующем уроке мы поговорим о приборе для измерения силы тока в цепи – амперметре.

 

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Академик (Источник)
2. Классная физика (Источник)
3. YouTube (Источник)

 

Домашнее задание

1. Стр. 87: вопросы № 1–6, упражнение № 14. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Вычислите силу тока в проводнике, по которому прошел заряд 24 Кл за 96 с.
3. При протекании электрического тока через водный раствор кислоты выделяется водород. Какой электрический заряд проходит через раствор кислоты, если при силе тока 2 А процесс получения необходимого количества водорода длится 5 часов?
4. Проведите с учителем опыт по взаимодействию параллельных токов. Составьте доклад на тему «Магнитное поле. Действие магнитного поля на проводник с током».

 

Заметили ошибку?

Расскажите нам об ошибке, и мы ее исправим.

Видеоурок по физике (8 класс): «Сила тока. Электрический ток.»

Электрическое обучение | BrightRidge

Что такое электричество?
Электричество — это форма энергии, производящая тепло и свет. Электричество может также упоминаться как «электрическая энергия».

Где начинается электричество?
Электричество начинается с атома. Атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов. Электричество создается, когда внешняя сила заставляет электроны двигаться от атома к атому. Поток электронов называется «электрическим током».

Что заставляет электроны двигаться?
Напряжение — это «внешняя сила», которая заставляет электроны двигаться. Напряжение – это потенциальная энергия. Потенциальная энергия обладает способностью совершать работу. Примером потенциальной энергии является топор, который держат над куском дерева. Если топор упадет на кусок дерева, то дерево расколется. Обратите внимание на слово «если». Потенциальная энергия работает, ТОЛЬКО если ей это разрешено.

Что такое напряжение?

Напряжение — это «внешняя сила», которая заставляет электроны двигаться. Напряжение – это потенциальная энергия. Некоторые характеристики напряжения:

• Напряжение не видно и не слышно.
• Напряжение — это толчок или сила.
• Напряжение само по себе ничего не делает.
• Напряжение может выполнять работу.
• Между двумя точками появляется напряжение.
• Напряжение есть всегда.

  Какие два вида электричества существуют?

Статическое электричество возникает при дисбалансе положительно и отрицательно заряженных атомов. Затем электроны перескакивают с атома на атом, высвобождая энергию. Два примера статического электричества — молния и трение ног о ковер, а затем прикосновение к дверной ручке.

Текущее электричество представляет собой постоянный поток электронов. Существует два вида электрического тока: постоянный ток (DC) и переменный ток (AC). При постоянном токе электроны движутся в одном направлении. Батареи производят постоянный ток. В переменном токе электроны движутся в обоих направлениях. Электростанции производят переменный электрический ток. Переменный ток (AC) — это тип электроэнергии, которую BrightRidge распределяет между вами для использования.

Что такое проводники и изоляторы?

Проводники — это все, через что легко проходит электричество. Примерами электрических проводников являются медь, алюминий и вода.

Изоляторы — это материалы, которые не пропускают электричество. Некоторыми примерами изоляторов являются резина, стекло и пластик.

От завода к розетке

Электричество, которое мы используем дома и на работе, производится или генерируется на электростанциях. BrightRidge покупает электроэнергию, которую мы продаем, у Управления долины Теннесси (TVA). Независимо от того, на каком типе электростанции производится электричество, оно все равно идет по одному и тому же пути к вашему дому. Узнайте, как электричество проходит от растения к розетке!

Узнать больше

Основные термины, касающиеся электричества

Первая электростанция, принадлежащая Томасу Эдисону, была открыта в Нью-Йорке в 1882 году. выключатели, предохранители, розетки и счетчики. Изучение электричества может быть увлекательным и увлекательным. Узнайте о терминах, характерных для электротехнической промышленности!

Узнать больше

Какие материалы проводят электричество? — Scientific American

Принеси науку домой

Захватывающий научный проект

• Поделиться в Facebook

• Поделиться в Twitter

• Поделиться на Reddit 90 006

• Поделиться на LinkedIn

• Поделиться по электронной почте

• Версия для печати

Сделайте свой собственный фонарик и посмотрите, сможете ли вы заставить лампочку ярко светить! Кредит: Джордж Рецек

Ключевые понятия
Электричество
Проводник
Изолятор

Введение
Электричество питает многие устройства, которыми вы пользуетесь каждый день. Эти устройства состоят из цепей, от очень простых (например, лампа с одной лампочкой) до очень сложных (например, в компьютере). Попробуйте этот проект, чтобы построить собственную простую схему и использовать ее для проверки того, какие обычные бытовые материалы проводят электричество.

Фон
Вы, наверное, часто слышите слово «электричество», но что оно на самом деле означает? В повседневном использовании электричество обычно относится к электрически заряженным частицам (называемым электронами), движущимся по металлическим проводам. Поток электричества называется током. Металлы, как правило, очень хорошие проводники, то есть они легко пропускают ток. Материалы, которые не пропускают ток, называются изоляторами. Большинство неметаллических материалов, таких как пластик, дерево и резина, являются изоляторами. Вы заметите это, если когда-либо подключали что-то к сетевой розетке. Штыри на вилке и провод внутри шнура металлические, но они окружены пластиковой или резиновой изоляцией, чтобы вас не ударило током при прикосновении к шнуру!

Электричество требует полной «петли» для протекания тока. Это называется замкнутой цепью. Вот почему настенные розетки имеют два штыря, а аккумуляторы имеют два конца (положительный и отрицательный) вместо одного. Вы подключаете их обоих к цепи, и это создает полный цикл. Если петля вообще разорвется, она станет разомкнутой, и ток не будет течь.

В этом проекте вы создадите собственную простую схему, разобрав фонарик (конечно, с разрешения). Вы будете использовать свою схему в качестве тестера, чтобы определить, являются ли бытовые материалы проводниками или изоляторами. Когда вы соедините цепь с проводником, вы создадите замкнутую цепь, и лампочка фонарика включится. Если вы подключите цепь к изолятору, у вас все равно будет разомкнутая цепь, поэтому лампочка останется выключенной.

Материалы

• Фонарик (можно разобрать)
• Батарейки для фонарика
• Три куска провода, которые можно разрезать и зачистить (дополнительную информацию см. в разделе Процедура).
• Линейка с метрическими размерами
• Изолента (и/или резиновые ленты)
• Ножницы или нож (и помощь взрослого)
• Ассортимент металлических и неметаллических бытовых материалов, которые можно протестировать в вашей схеме

Подготовка

• Для выполнения этого проекта вам понадобится три куска провода от старого электронного устройства. У вас может быть ящик для мусора, полный старых зарядных устройств для сотовых телефонов — они отлично подойдут. Вы также можете купить проволоку в скобяных лавках или в магазинах для рукоделия.
• Отрежьте три куска проволоки длиной не менее 10 сантиметров каждый.
• Попросите взрослого срезать ножницами или острым ножом около одного сантиметра изоляции с концов каждого провода, обнажая металл внутри. (Есть также специальный инструмент для этого, называемый инструмент для зачистки проводов. Вы или взрослый можете использовать их, если они доступны.)
• Разберите фонарик. Извлеките батареи. Если возможно, открутите «голову» (часть, которая держит лампочку) и снимите выключатель. Большинство фонариков можно легко разобрать вручную, но для этого вам может понадобиться другой инструмент (например, отвертка) и/или помощь взрослого.
• Осторожно: Электричество от стенных розеток очень опасно и может быть смертельным. Никогда не перерезайте провод и не открывайте электронное устройство, когда оно подключено к сетевой розетке.

Процедура

• Осмотрите фонарик изнутри и попытайтесь проследить цепь. Помните, что электричеству требуется замкнутая цепь для протекания. Цепь в фонаре обычно идет от одного конца батарейного отсека через выключатель, затем через лампочку и обратно к другому концу батарейного отсека. Сможете ли вы найти схему?
• Ваша первая цель — с помощью двух проводов соединить батарейный отсек напрямую с лампочкой. Это может потребовать некоторых усилий с вашей стороны — не все фонарики одинаковы. Сложно ли создать свой новый замкнутый контур?
• Батарейный отсек должен иметь положительный (+) и отрицательный (–) концы. Используйте изоленту, чтобы прикрепить один конец провода к металлическим частям на каждом конце батарейного отсека. Убедитесь, что провода плотно прижаты, чтобы обеспечить хороший контакт. ( Совет: Если батареи просто вставляются в корпус фонарика, а не удерживаются на месте зажимами или пружинами, используйте резиновые ленты, чтобы скрепить их вместе встык. когда вы снимаете их с фонарика.)
• Теперь отыщите два металлических контакта на корпусе лампочки и соедините с ними другие концы проводов изолентой. Совет: Иногда вся внутренняя часть корпуса фонаря металлическая, и это служит одним из контактов. Удалось ли вам создать цепь и заставить лампочку загореться?
• Если вы сделали контакты правильно, то лампочка должна загореться. Если лампочка не горит, не волнуйтесь! Есть несколько вещей, которые вы можете проверить:
• Возможно, у вас есть светодиодный фонарик. LED означает светоизлучающий диод. Светодиод — это особый тип лампочки, который действует как односторонний клапан для электричества. Он загорается только тогда, когда его положительные (+) и отрицательные (–) стороны соединены правильно. Попробуйте поменять местами два провода, подключенных к аккумулятору, и посмотрите, загорится ли он.
• Другая причина, по которой вы можете не получать света, заключается в том, что ваши провода могут плохо контактировать с металлом в цепи фонарика. Попробуйте зажать контактные точки пальцами или используйте что-то вроде мини-прищепок или зажимов для переплета, чтобы сжать соединения.
• Теперь у вас должна быть работающая схема. По сути, вы удалили аккумулятор и лампочку из корпуса фонарика и воссоздали цепь, используя два провода. Вы можете использовать эту схему для проверки проводимости бытовых материалов, добавив третий провод.
• Отсоедините провод от одного конца аккумуляторной батареи. Это создает разомкнутую цепь, и ваша лампочка должна погаснуть.
• Прикрепите один конец третьего провода к этому концу аккумуляторной батареи. Ваша схема теперь должна состоять из трех проводов, два из которых имеют свободные концы.
• Соедините два свободных конца проводов вместе. Это должно снова создать замкнутую цепь, и ваша лампочка должна включиться.
• Проверьте, являются ли материалы проводящими, прикоснувшись к ним обоими свободными концами провода одновременно.
• Что произойдет, если вы коснетесь металлических предметов, таких как скрепки или алюминиевая фольга? Если лампочка загорается, значит ли это, что материал является проводником или изолятором?
• Что произойдет, если вы коснетесь неметаллических предметов, таких как дерево, пластик или резина? Лампочка горит или не горит?
• Дополнительно: Есть ли у вас дома неметаллические проводящие материалы?

Наблюдения и результаты
Может потребоваться немного усилий, чтобы перепроектировать фонарик после того, как вы его разобрали. Однако вы должны иметь возможность заставить фонарик работать без выключателя питания, подключив аккумуляторный отсек напрямую к лампочке с помощью двух проводов. Добавление третьего провода позволяет создать «тестер». Когда вы касаетесь металлического предмета свободными концами провода, лампочка должна загореться, как обычно. Это работает, потому что металлические предметы являются проводниками, поэтому они создают замкнутую цепь. Когда вы прикасаетесь к изоляционным материалам, таким как пластик, резина и дерево, цепь остается разомкнутой, поэтому лампочка остается выключенной, потому что ток не течет.

Неметаллические проводящие материалы бывает трудно найти. Для некоторых фонариков может подойти графитовый сердечник. Но графит имеет очень высокое сопротивление по сравнению с металлами, поэтому лампочка может казаться очень тусклой или вообще не гореть.

Очистка
Соберите свой фонарик, если вам нужно использовать его снова, или сохраните самодельный тестер электропроводности!

Еще для изучения
Какие материалы являются лучшими проводниками, от Science Buddies
Движущиеся электроны и заряды, от Physics4Kids
Генерация электричества с помощью лимонной батарейки, от Scientific American
Научные мероприятия для всех возрастов, от Science Buddies

Это задание было предложено вам в сотрудничестве с Science Buddies

ОБ АВТОРЕ(АХ) 90 243

Бен Финио — старший научный сотрудник организации Science Buddies и преподаватель Школы машиностроения и аэрокосмической инженерии Сибли Корнелльского университета.