Сила тока
Сила тока с точки зрения гидравлики
Думаю, вы не раз слышали такое словосочетание, как «сила тока«. А для чего нужна сила? Ну как для чего? Чтобы совершать полезную или бесполезную работу. Главное, чтобы что-то делать. Каждый из нас обладает какой-либо силой. У кого-то сила такая, что он может одним ударом разбить кирпич в пух и в прах, а другой не сможет поднять даже соломинку. Так вот, дорогие мои читатели, электрический ток тоже обладает силой.
Представьте себе шланг, с помощью которого вы поливаете свой огород
Давайте теперь проведем аналогию. Пусть шланг — это провод, а вода в нем — электрический ток. Мы чуть-чуть приоткрыли краник и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала. Сила струи очень слабая.
А давайте теперь откроем краник на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что можно даже полить соседский огород.
В обоих случаях диаметр шланга одинаков.
А теперь представьте, что вы наполняете ведро. Напором воды из какого шланга вы его быстрее наполните? Разумеется из зеленого, где напор воды очень сильный. Но почему так происходит? Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из желтого и зеленого шланга выйдет тоже разный. Или иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.
Разберем еще один интересный пример. Давайте допустим, что у нас есть большая труба, и к ней заварены две другие, но одна в два раза меньше диаметром, чем другая.
Из какой трубы объем воды будет выходить больше за секунду времени? Разумеется с той, которая толще в диаметре, потому что площадь поперечного сечения S2 большой трубы больше, чем площадь поперечного сечения S1 малой трубы. Следовательно, сила потока через большую трубу будет больше, чем через малую, так как объем воды, который протекает через поперечное сечение трубы S2, будет в два раза больше, чем через тонкую трубу.
Что такое сила тока?
Итак, теперь давайте все что мы тут пописали про водичку применим к электронике. Провод — это шланг. Тонкий провод — это тонкий в диаметре шланг, толстый провод — это толстый в диаметре шланг, можно сказать — труба. Молекулы воды — это электроны. Следовательно, толстый провод при одинаковом напряжении можно протащить больше электронов, чем тонкий. И вот здесь мы подходим вплотную к самой терминологии силы тока.
Все это выглядит примерно вот так. Здесь я нарисовал круглый проводок, «разрезал» его и получил ту самую площадь поперечного сечения. Именно через нее и бегут электроны.
За период времени берут 1 секунду.
Формула силы тока
Формула для чайников будет выглядеть вот так:
I — собственно сила тока, Амперы
N — количество электронов
t — период времени, за которое эти электроны пробегут через поперечное сечение проводника, секунды
Более правильная (официальная) формула выглядит вот так:
Δq — это заряд за какой-то определенный промежуток времени, Кулон
Δt — тот самый промежуток времени, секунды
I — сила тока, Амперы
Итак, теперь можно официально сказать, что если через поперечное сечение проводника за 1 секунду пролетят 6,24151⋅10 18 электронов, то сила тока в таком проводнике будет равна 1 Ампер! Все! Ничего не надо больше придумывать! Так и скажите своему преподавателю по физике).
Если преподу не понравится ваш ответ, то скажите типа что-то этого:
Сила тока — это физическая величина, равная отношению количества заряда прошедшего через поверхность (читаем как через площадь поперечного сечения) за какое-то время. Измеряется как Кулон/секунда. Чтобы сэкономить время и по другим морально-эстетическим нормам, Кулон/секунду договорились называть Ампером, в честь французского ученого-физика.
Сила тока и сопротивление
Давайте еще раз глянем на шланг с водой и зададим себе вопросы. От чего зависит поток воды? Первое, что приходит в голову — это давление. Почему молекулы воды движутся в рисунке ниже слева-направо? Потому, что давление слева, больше чем справа. Чем больше давление, тем быстрее побежит водичка по шлангу — это элементарно.
Теперь такой вопрос: как можно увеличить количество электронов через площадь поперечного сечения?
Первое, что приходит на ум — это увеличить давление. В этом случае скорость потока воды увеличится, но ее много не увеличишь, так как шланг порвется как грелка в пасти Тузика.
Второе — это поставить шланг бОльшим диаметром. В этом случае у нас количество молекул воды через поперечное сечение будет проходить больше, чем в тонком шланге:
Все те же самые умозаключения можно применить и к обыкновенному проводу. Чем он больше в диаметре, тем больше он сможет «протащить» через себя силу тока. Чем меньше в диаметре, то желательно меньше его нагружать, иначе его «порвет», то есть он тупо сгорит. Именно этот принцип заложен в плавких предохранителях. Внутри такого предохранителя тонкий проводок. Его толщина зависит от того, на какую силу тока он рассчитан.
плавкий предохранитель
Как только сила тока через тонкий проводок предохранителя превысит силу тока, на которую рассчитан предохранитель, то плавкий проводок перегорает и размыкает цепь. Через перегоревший предохранитель ток уже течь не может, так как проводок в предохранителе в обрыве.
сгоревший плавкий предохранитель
Поэтому, силовые кабели, через которые «бегут» сотни и тысячи ампер, берут большого диаметра и стараются делать из меди, так как ее удельное сопротивление очень мало.
Сила тока в проводнике
Очень часто можно увидеть задачки по физике с вопросом: какая сила тока в проводнике? Проводник, он же провод, может иметь различные параметры: диаметр, он же площадь поперечного сечения; материал, из которого сделан провод; длина, которая играет также важную роль.
Да и вообще, сопротивление проводника рассчитывается по формуле:
формула сопротивления проводника
Таблица с удельным сопротивлением из разных материалов выглядит вот так.
таблица с удельным сопротивлением веществ
Для того, чтобы найти силу тока в проводнике, мы должны воспользоваться законом Ома для участка цепи. Выглядит он вот так:
закон Ома
Задача
задача на силу тока в проводнике
Как измерить силу тока?
Для того, чтобы измерить значение силы тока, мы должны использовать специальные приборы — амперметры. В настоящее время силу тока можно измерить с помощью цифрового мультиметра, который может измерять и силу тока, и напряжение и сопротивление и еще много чего. Для того, чтобы измерить силу тока, мы должны вставить наш прибор в разрыв цепи вот таким образом.
Более подробно как это сделать, можете прочитать в этой статье.
Также советую посмотреть обучающее видео, где очень умный преподаватель объясняет простым языком, что такое «сила тока».
Как найти силу тока?
Расчет электрических параметров необходим для правильных построений цепей. Поскольку целью использования электричества в электротехнике является задача по выполнению током работы, то встает вопрос о том, как найти силу тока. Данный параметр используют при вычислениях мощности и в расчетах потребления электрической энергии.
Существуют разные способы определения этого важного параметра, которые мы рассмотрим в данной статье.
Формулами
Параметры электрического тока всегда взаимосвязаны. Например, изменение величины нагрузки отображается на показателях других величин. Причем эти изменения подчиняются соответствующим законам, которые выражаются через формулы. Поэтому на практике для нахождения силы тока часто используют соответствующие формулы.
Через заряд и время
Вспомним определение (рис.1): электричество – это величина заряда, движимого силами электрического поля, преодолевающего за единицу времени условную плоскость проводника, называемую поперечным сечением проводника.
Рис. 1. Определение понятия сила тока
Таким образом, если известен электрический заряд, прошедший через проводник за определенное время, то не трудно найти величину этого заряда прошедшего за единицу времени, то есть: I = q/t
Через мощность и напряжение
В паспорте электроприбора обычно указывается его номинальная мощность и параметры электрической сети, для работы с которой он предназначен. Имея в распоряжении эти данные, можно вычислить силу тока по формуле: I = P/U.
Данное выражение вытекает из формулы для расчета мощности: P = IU.
Через напряжение или мощность и сопротивление
Силу электричества на участке цепи определяют по закону Ома. Для этого необходимо знать следующие параметры: сопротивление и напряжение на этом участке. Тогда I = U/R. Если известна мощность нагрузки, то ее можно выразить через квадрат силы тока умноженной на сопротивление участка: P = I 2 R, откуда
Для полной цепи эту величину вычисляют по закону Ома, но с учетом параметров источника питания.
Через ЭДС, внутреннее сопротивление и нагрузку R
Применяя закон Ома, адаптированный для полной цепи, вы можете вычислить максимальный ток по формуле I = ε / (R+r′), если известны параметры:
Примечание! Реальные источники питания обладают внутренним сопротивлением. Поскольку в электрической цепи
показатель силы тока может уменьшаться в связи с возрастанием сопротивления источника питания или в результате падения ЭДС. Именно из-за роста внутреннего сопротивления садится аккумулятор и ослабевает ЭДС элементов питания.
Закон Джоуля-Ленца
Казалось бы, что расчет силы тока по количеству тепла, выделяющегося в результате нагревания проводника, не имеет практического применения. Однако это не так. Рассмотрим это на примере.
Пусть требуется найти силу тока во время работы электрочайника. Для этого доведите до кипения 1 кг воды и засеките время в секундах. Предположим, начальная температура составляла 10 ºС. Тогда Q = Cm(τ – τ0) = 4200 Дж/кг× 1 кг (100 – 10) = 378 000 Дж.
Рис. 2. Закон Джоуля-Ленца
Из закона Джоуля-Ленца (изображение на рис. 2) вытекает формула:
Измерив сопротивление электроприбора и подставив значения в формулу, получим величину потребляемого тока.
Измерительными приборами
Если под руками имеются измерительные приборы, то с их помощью довольно просто найти силу тока. Необходимо лишь соблюдать правила измерений и не забывать о правилах безопасности.
Амперметром
Пользуясь приборами для измерения ампеража, следует помнить, что они подключаются в цепи последовательно. Внутреннее сопротивление амперметра очень маленькое, поэтому прибор легко выводится из строя, если проводить измерения пределами значений, для которых он рассчитан.
Схема подключения амперметра показана на рисунке 3. Обратите внимание на то, что на участке измеряемой электрической цепи обязательно должна быть нагрузка.
Рис. 3. Схема подключения амперметра
Большинство аналоговых амперметров, например, таких, как на рисунке 4, предназначены для измерений параметров в цепях с постоянными токами.
Обратите внимание распределение шкалы амперметра. Цена первого деления 50 А, а всех последующих – 10 А. Максимальная величина, которую можно измерить данным амперметром не должна превышать 300 А. Для измерений электрической величины в меньших либо в больших пределах следует применять соответствующие приборы, предназначенные для таких диапазонов. В этом смысле универсальность амперметра ограничена.
При измерениях постоянных токов необходимо соблюдать полярность щупов при подключении амперметра. Для подключения прибора требуется разрывать цепь. Это не всегда удобно. Иногда вычисление силы тока по формуле является предпочтительней, особенно если приходится проводить измерения в сложных электротехнических схемах.
Мультиметром
Преимущество мультиметра в том, что этот прибор многофункциональный. Современные мультиметры цифровые. У них есть режимы для измерений в цепях постоянных и переменных токов. В режиме измерения силы тока этот измерительный прибор подключается в цепь аналогично амперметру.
Перед включением мультиметра в цепь, всегда проверяйте режим измерений, а пределы измерения выбирайте заведомо большие предполагаемой силы тока. После первого измерения можно перейти в режим с меньшим диапазоном.
Для работы с переменным напряжением переводите прибор в соответствующий режим. Считывайте значения с дисплея после того, как цифры перестанут мелькать.
Примеры
Покажем на простых примерах, как решать задачи на вычисление силы тока по формуле.
Задача 1.
На участке цепи имеются три параллельно включенных резистора (см. рис. 5). Значения сопротивлений резисторов: R1 = 5 Ом; R2 = 25 Ом; R3 = 50 Ом. Требуется рассчитать силу тока для каждого резистора и на всём участке, если на нем поддерживается постоянное напряжение 100 В.
Решение: При параллельном соединении нагрузочных элементов U = const, то есть, напряжение одинаково на всех резисторах и составляет 100 В. Тогда, по закону Ома I = U/R
Для вычисления искомого параметра на всем участке цепи, нам необходимо знать общее сопротивление этого участка. Учитывая тот факт, что при параллельном соединении нагрузочных элементов в цепи их общее сопротивление равно:
Имеем: 1/R= 1/5 + 1/25 + 1/50 = 13/50; R = 50/13 ≈ 3.85 (Ом)
Тогда: I = U/R = 100 В/3,85 Ом ≈26 А.
Ответ:
Задача 2.
Мощность электрочайника 2 кВт. Чайник работает от городской сети под напряжением 220 В. Сколько электричества потребляет этот электроприбор?
Решение:
Воспользуемся формулой для нахождения силы тока, включающей напряжение и мощность: I = P/U.
Задача 3.
Вычислить силу тока в цепи, если известно, что сопротивление составляет 5 Ом, ЭДС источника питания 6 В, а его внутреннее сопротивление составляет 1 Ом.
Решение.
Применяя закон Ома для полной цепи, запишем: I = ε / (R+r′)
I = 6 В / (5 Ом + 1 Ом) = 1 А.
Ответ: сила тока 1 А.
Задача 4.
Сколько энергии потребляет электроплита за 2 часа работы, если сопротивление нагревательного элемента 40 Ом?
Решение:
За время t электричество выполнит работу A = U*I*t.
Напряжение сети известно – оно составляет 220 В.Силу тока находим по формуле: I = U/R, тогда A = (U 2 /R)*t или
A = ((220 В) 2 / 40 Ом) * 2 ч = 2420 Втч = 2,42 кВтч
Ответ: За 2 часа работы электроплита потребляет 2,42 кВт часов электроэнергии.
Применяя формулы для вычисления параметров электричества, пользуясь фундаментальными законами физики можно находить неизвестные данные для составных элементов цепей и электроприборов с целью оценки их состояния. В каждом отдельном случае необходимо определить известные параметры тока, которые можно использовать в дальнейших вычислениях. Обычно, это напряжение, мощность или сопротивление нагрузки.
Если можно обойтись без измерений амперметром – лучше прибегнуть к вычислениям, даже если при этом потребуется измерить напряжение. Такое измерение можно проводить без разрыва электрической цепи, чего нельзя сделать при помощи амперметра.
Тесты по физике с ответами на ЕНТ (стр. 2 )
 | Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 |
45.Какой минимальный объем должна иметь надувной плот массой 7 кг, удерживает на воде юного рыболова, вес которого равен 380 Н. Минимальный обьем плота (
)
0,045
.
46.Судно, погруженное в воду до ватерлинии, вытесняет воду объемом 15000. Вес судна 
Н, а вес груза ()
Н.
47.Силу тока можно определить с помощью выражения:
49.Единица электрического сопротивления
50.В электрофорной машине происходит превращение
механической энергии превращается в электрическую.
51.Удельное электрическое сопротивление алюминиевого провода длиной 100 м и поперечным сечением 2 
равно 0,028 мкОм·м. При этом его электрическое сопротивление равно…
=
=-1 нКл.
54.Показания электросчетчика в квартире зависят
от силы тока, напряжения и времени прохождения тока.
56.По проводнику течет ток 5 А, площадь его поперечного сечения 10 , а концентрация свободных электронов 
. Скорость дрейфа свободных электронов в проводнике
0,035 
57.Если длина двужильного алюминиевого провода ℓ, площадь поперечного сечения каждой жилы S, а удельное сопротивление алюминия ρ, то сопротивление провода
R=
58.Если сопротивление медного провода длиной ℓ и площадью поперечного сечения S равно R, то удельное сопротивление меди равно…
ρ = 
59.Закон Ома для участка цепи
60.Сила тока в электрической цепи равна 2 А. Если cопротивление электрической лампы 14 Ом, то напряжение на лампе
61.Электрическая плитка включена в сеть напряжением 220 В. Если сопротивление спирали плитки в рабочем состоянии равно 55 Ом, то сила тока в спирали
62.Сила тока, проходящая через нить лампы, 2 А. Если напряжение на лампе 10 В, то электрическое сопротивление нити лампы
63.Падение напряжения на сопротивлении R=6 Ом, если за 10 с через него протекает заряд 3 Кл, равна
64.Резисторы соединены параллельно. Если через резистор 120Ом проходит ток
6 А, то сила тока, проходящего через резистор сопротивлением 80 Ом
65.Если при двукратном уменьшении сопротивления сила тока возросла в 3 раза, то напряжение на участке цепи
увеличилось в 1,5 раза.
66.Сопротивление проводника зависит…
от геометрических размеров и материала проводника.
67.При последовательном соединении проводников постоянной величиной является
68.При параллельном соединении проводников постоянной величиной является…
69.В комнате включены одна люстра с тремя электрическими лампами, телевизор и электрический утюг. При этом они включены друг относительно друга
70.Проволоку сопротивлением R разделили на n равных частей и полученные куски соединили параллельно. Общее сопротивление проволоки при этом
уменьшилось в 
раз.
72.Пять проводников сопротивлением по 10 Ом каждое соединены параллельно друг с другом. Общее сопротивление такого соединения равно
73.Пять проводников сопротивлением по 10 Ом каждое соединены последовательно друг с другом. Общее сопротивление такого соединения равно…
74.Проволоку сопротивлением 36 Ом разрезали на несколько равных частей и соединили их параллельно. Электрическое сопротивление такого соединения
1 Ом. Чтобы выполнить данное условие, эту проволоку нужно разрезать на
75.Даны три одинаковых сопротивления величиной по 12 Ом каждое. При параллельном соединении их общее сопротивление равно
76.Даны три одинаковых сопротивления величиной по 12 Ом каждое. При их последовательном соединении общее сопротивление равно
77.Закон Джоуля-Ленца выражается формулой…
78.Единица мощности тока
79.Мощность электрического тока вычисляется по формуле…
80.При напряжении 200 В и силе тока 2 А работа силы тока за 2 минуты в электрической плите равна
81.При напряжении 5 В и силе тока 0,01 А количество теплоты, выделившееся в неподвижном проводнике за 20 минут равно
82.При увеличении силы тока в 4 раза, количество теплоты, выделяемого за единицу времени резистором с постоянным сопротивлением
увеличится в 16 раз.
83.Количество теплоты, выделяемое за единицу времени в проводнике при постоянном напряжении на концах проводника, при увеличении сопротивления в 3 раза…
уменьшится в 3 раза.
84.Сопротивление лампы считать неизменным. Если напряжение на ее клеммах уменьшить в 5 раз, то мощность, потребляемая электрической лампой
уменьшится в 25 раз.
85.Если ток протекающий через резистор увеличивается с 1А до 3 А, то мощность, выделяемая на сопротивлении 10 Ом
увеличится в 9 раз.
86.Если сопротивление уменьшить от 10 Ом до 5 Ом при постоянном токе 2 А, то мощность, выделяемая на резисторе
уменьшится в 2 раза.
87.Стоимость электроэнергии, расходуемой электрическим утюгом мощностью 600 Вт за 40 минут непрерывной работы, при тарифе на электроэнергию 3 
составит…
88.Перегоревшую спираль электрического утюга мощностью 300 Вт укоротили на 
. При этом мощность стала равной
89.Стоимость работы сварочного агрегата в течении 8 ч, если напряжение на его клеммах 100 В, а сила тока 200 А. (1кВтч электроэнергии стоит 4 тенге).
90.Проводник цилиндрической формы длиной l и диаметром d был подключен к источнику тока. При этом на нем выделилась мощность Р. Затем к этому же источнику был подключен цилиндрический проводник из того же материала, что и первый, но длиной 
и диаметром 
. Определите, какая На этом проводнике выделилась мощность 
.
= P.
91.Если сопротивление увеличить от 10 до 20 Ом при постоянном напряжении на нем, то мощность, выделяемая на сопротивлении
уменьшится в 2 раза.
92.При протекании электрического тока 1 А на сопротивлении за 3 с выделяется 30 Дж теплоты. Теплота, выделившаяся на этом сопротивлении при протекании тока 2 А за 2 с, будет равна…
93.Спираль электрической плитки перегорела и после соединения концов оказалась несколько короче. Количество теплоты, выделяемое плиткой за определенное время при этом
94.Основными носителями тока в металлах являются
95.Основными носителями тока в полупроводниках с собственной проводимостью являются
96.Основными носителями тока в полупроводниках n-типа являются
97.Основными носителями тока в полупроводниках р-типа являются
98.При добавлении донорной примеси к полупроводнику образуется
99.Сопротивление проводников с ростом температуры…
100.Сопротивление полупроводников с ростом температуры…
101.График вольтамперной характеристики проводников имеет вид