Один Ампер представляет собой величину силы тока, при которой через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит электрический заряд, равный одному Кулону. Это соответствует заряду, который немного превышает шесть квинтиллионов (миллиард миллиардов) электронов, что делает эту единицу измерения довольно значимой в электротехнике.
Закон Ома для чайников: понятие, формула, объяснение
Часто слышите выражение: «Не знаешь закон Ома – сиди дома.» Давайте разберемся, что именно подразумевается под этим законом, и уверенно двинемся дальше, готовые к новым знаниям.
Чтобы понять суть закона Ома, важно разобраться в терминах и явлениях, которые он описывает. Начнем с определения нам нужных физических величин: силы тока, напряжения и сопротивления.
Сила тока I
Рассмотрим проводник, в котором течет ток. Это означает, что происходит организованное движение заряженных частиц; наиболее часто это электроны. Каждый из этих электронов обладает элементарным электрическим зарядом, который равен приблизительно -1,60217662 × 10-19 Кулона. Если рассмотреть некоторую поверхность, то за определенный период времени через неё будет проходить определенный электрический заряд, равный сумме всех зарядов тех электронов, которые прошли через эту поверхность.
Сила тока определяется как отношение любого электрического заряда к времени, за которое этот заряд прошел. Чем больший заряд протекает через проводник за фиксированный период времени, тем выше значение силы тока. Основной единицей измерения силы тока является Ампер.
Напряжение U, или разность потенциалов
Напряжение — это то, что заставляет электроны перемещаться в проводнике. Оно представляет собой электрический потенциал, который характеризует способность электрического поля выполнять работу по перемещению заряда из одной точки в другую. Таким образом, между двумя точками в проводнике существует разница потенциалов, и происходит работа электрического поля, которое переносит заряд между этими точками.
Физическая величина, равная работе, выполненной электрическим полем при перемещении электрического заряда, называется напряжением. Измеряется оно в Вольтах. Один Вольт равен напряжению, которое создает работу в 1 Джоуль при перемещении заряда в 1 Кулон.
Сопротивление R
Электрический ток, как известно, течет в проводнике. Рассмотрим, к примеру, провод. Когда электроны движутся по нему под воздействием электрического поля, они сталкиваются с атомами материала провода, что вызывает его нагрев. В результате атомы в кристаллической решетке начинают колебаться, и это создает дополнительные трудности для движущихся электронов. Данное явление мы называем сопротивлением. Сопротивление зависит от температуры, материала проводника, его длины и площади поперечного сечения и измеряется в Омах.
Формулировка и объяснение закона Ома
Закон, предложенный немецким ученым Георгом Омом, достаточно прост. Он звучит так:
Сила тока на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.
Георг Ом вывел этот закон в 1826 году на основе проведенных опытов. Это означает, что при увеличении сопротивления участка цепи сила тока на нём снижается, в то время как при росте напряжения — сила тока увеличивается.
Важно помнить, что данная формулировка закона Ома применима для участка цепи, который является однородным и не содержит источников тока с электродвижущей силой. Иными словами, этот участок имеет какое-то сопротивление, но при этом не содержит батарей или подобных источников, обеспечивающих ток.
Когда мы говорим о законе Ома в контексте полной электрической цепи, его формулировка будет несколько иначе.
Предположим, у нас имеется электрическая цепь, в которой присутствует источник тока, который создает напряжение, и некоторый элемент, представляющий собой сопротивление.
Формула закона Ома в этом случае будет выглядеть следующим образом:
Хотя объяснение закона Ома для полной цепи не имеет значительных отличий от его объяснения для участка цепи, важно отметить, что здесь сопротивление складывается из собственного сопротивления элемента и внутреннего сопротивления источника тока, а вместо напряжения в формуле выступает электродвижущая сила источника.
Если вас интересует, что такое ЭДС, советуем ознакомиться с нашей отдельной статьей на эту тему.
Сила тока и сопротивление
Как можно усилить поток воды в шланге? Одним из способов является повышение давления. Однако следует быть осторожным, так как слишком большое давление может привести к разрыву шланга.
Это аналогично тому, как работает кондуктивный проводник. Чем больше его сечение, тем больший поток электронов он может пропустить. Однако если сила тока становится слишком величиной, то проводник начинает перегреваться и может даже сгореть.
Такова работа плавких предохранителей в электрических устройствах: при резком скачке силы тока, тонкая проволока предохранителя перегорает, тем самым защищая устройство от повреждений, отключая его от сети.
Длина и ширина шланга напрямую влияют на объем жидкости, который он может пропустить за единицу времени. С аналогичной точки зрения можно рассматривать и электричество: сила тока, проходящего через проводник в течение одной секунды, зависит от сопротивления проводника. Однако на сопротивление влияют не только его длина и площадь поперечного сечения, но также и материал, из которого он изготовлен.
Формула для вычисления сопротивления выглядит следующим образом:
R = ρ·l/S, где l — это длина проводника, S — площадь его поперечного сечения, а ρ — удельное сопротивление. Каждый материал обладает своим значением этого параметра.
Материалы с низким удельным сопротивлением называются проводниками, так как они наиболее эффективно проводят электричество. В то время как материалы с высоким удельным сопротивлением вы называете диэлектриками, их часто используют в качестве изоляторов. Между этими группами находятся полупроводники, которые могут проводить электрический ток, но с меньшей эффективностью, чем проводники.
Сопротивление измеряется в Омах. Проводник имеет сопротивление в 1 Ом, если на его концах возникает напряжение в 1 Вольт при силе тока в 1 Ампер.
Как измерить силу постоянного тока
Для измерения силы тока используется специальный прибор, называемый амперметр. Он подключается последовательно к проводнику, в котором осуществляется измерение силы тока. Для этого необходимо отсоединить один из концов проводника от электрической цепи и вставить амперметр в получившийся разрыв, используя две клеммы — одну с знаком +, другую со знаком -. Клемма с знаком + должна подключаться к той точке, которая сохранила связь с положительным полюсом источника тока.
Так как сила тока одинакова на всех последовательных участках цепи (ток не задерживается в каком-либо месте), амперметр можно устанавливать как до потребителя, так и после него.
На схемах амперметр обозначается буквой A в круге.
Существует множество различных типов амперметров, которые различаются по принципу работы. Наиболее простым является тепловой амперметр. В этом приборе между двумя контактами находится проволока, соединенная с пружиной. Нить пружины обвивает неподвижную ось, к которой прикреплена стрелка. Когда ток проходит через проволоку, она нагревается, и, следовательно, увеличивается в длине, что вызывает вытяжение пружины. Изменение длины нити приводит к повороту оси с фиксированной стрелкой, показывающей значение силы тока.
Современные электрики предпочитают использовать мультиметры — приборы, позволяющие измерять как силу тока, так и напряжение, и сопротивление. Они обеспечивают большую удобство и точность в измерениях.
Или, если у вас возникли сложности, напишите на почту, и мы поможем.
Амперметр — прибор для измерения силы тока
Принцип работы всех амперметров основан на явлениях электромагнетизма. Внутри прибора находится стрелка, привязанная к катушке, которая получает вращающий момент в магнитном поле при протекании через неё измеряемого тока. Ключевым требованием для всех этих приборов является то, что весь электрический заряд, протекающий по проводнику, должен пройти через амперметр.
Среди основных характеристик амперметров, общих для всех моделей, можно выделить:
- На измерительной шкале должна быть присутствовать буква «A»;
- Для амперметров, предназначенных для постоянного тока, рядом с контактными клеммами присутствуют обозначения “+” и “-”. Если знак “-” отсутствует, то также по умолчанию считается, что это прибор для постоянного тока;
- Клемма “+” подключается к проводу, который идет от положительного полюса источника тока, а клемму “-” — к проводу от отрицательного полюса;
- На амперметрах для переменного тока следует отмечать символ “~”. Для этой маркировки также могут использоваться обозначения на основе английских слов AC/DC (Alternating Current – переменный ток, Direct Current – постоянный ток);
- Все амперметры необходимо подключать к электрической цепи последовательно. Схематически это можно изобразить так: амперметр должен быть включен в разрыв цепи, чтобы пройти через себя весь ток, который течёт в цепи;
Рис. 2. Принципиальная схема подключения амперметра
Обратите внимание: подключение амперметра в цепь без нагрузки (потребителей тока) не допустимо, так как это может привести к повреждению прибора.
Цифровые измерители тока
В последние годы весьма популярными стали цифровые измерители тока, которые входят в состав компактных устройств, называемых мультиметрами. Мультиметры могут быть использованы также для измерения напряжения и сопротивления. Отображение результата измерения происходит в цифровом виде, что обеспечивает высокую точность. В качестве индикаторов могут использоваться как светодиоды, так и жидкокристаллические дисплеи.
Сила взаимодействия проводников с током как основа для определения единицы силы тока
Чтобы установить единицу измерения силы тока, были проведены эксперименты, которые мы сейчас рассмотрим. Эти эксперименты заключались в исследовании взаимодействия двух проводников, через которые проходит ток.
Представим два гибких прямых проводника, которые расположены параллельно друг другу и подключены к источнику тока (смотрите рисунок 2).
После замыкания цепи через них пойдет электрический ток, и ток будет течь через оба проводника.
Что мы можем наблюдать? Они начнут взаимодействовать друг с другом. В зависимости от направления тока в проводниках, они либо притягиваются, либо отталкиваются (см. рисунок 2, а и б).
Возникает вопрос, как же измерить силу, с которой взаимодействуют проводники. Эксперименты показали, что
Сила взаимодействия между проводниками с током зависит от следующих факторов:
длиной проводников;
расстоянием между ними;
средой, в которой находятся проводники;
силы тока в проводниках.
В данный момент для нас важен последний пункт. Если взять проводники, в которых все остальные условия идентичны, кроме силы тока, у нас получится, что чем выше сила тока в каждом проводнике, тем сильнее они взаимодействуют между собой.
Единица измерения силы тока
Теперь представьте себе очень тонкие и длинные проводники, которые располагаются параллельно друг другу и находятся на расстоянии 400 метров друг от друга. Сила тока в них идентична, и все это происходит в вакууме. В таком случае мы получаем определение единицы измерения силы тока (посмотрите рисунок 3).
За единицу силы тока принимается такая сила тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной 400 м взаимодействуют с силой 3500 × 10-6 Н.
Дольные и кратные единицы силы тока
В практическом применении можно встретить несколько различных единиц: миллиампер (мА), микроампер (мкА), килоампер (кА).
Например:
400 мА = 0.001 А = 1 × 10-3 А;
400 мкА = 0.000001 А = 1 × 10-6 А;
400 кА = 1000 А = 1 × 103 А.
Имя этой единицы — ампер (А), названной в честь французского физика Андре Ампера (см. рисунок 4).
Как измерить силу постоянного тока
- Подготовка прибора. Убедитесь, что амперметр исправен и установлен на необходимый диапазон измерений.
- Подключение прибора. Включите амперметр в последовательный контур с элементом цепи, через который вы хотите измерить ток. Это означает, что ток должен проходить через амперметр.
- Измерение. Включите цепь и прочитайте показания амперметра.
При измерении силы тока также крайне важно соблюдать правильную полярность подключения амперметра, особенно в случае постоянного тока. Неправильное подключение может привести к неверным показаниям или даже повредить сам прибор.
Пример измерения силы постоянного тока
Рассмотрим практический пример измерения силы постоянного тока в простой электрической цепи, состоящей из батареи, резистора и амперметра.
- Подготовьте амперметр, выбрав соответствующий диапазон измерений, например, от 0 до 10 А.
- Отключите цепь, затем подключите амперметр последовательно с резистором.
- Включите цепь и посмотрите показания амперметра. Если он показывает, например, 2 А, это и есть сила тока в цепи.
Где сила тока встречается на ОГЭ и ЕГЭ
Вопросы по этой теме часто встречаются на ОГЭ и ЕГЭ по физике. Некоторые типичные задания включают:
- расчет силы тока по его определению;
- изменения силы тока при последовательном и параллельном соединении;
- операции с использованием закона Ома для решения задач;
- анализ графиков зависимости силы тока от напряжения.
Решение:
ЕГЭ
Пример 1
Решение. В начале находим общее сопротивление цепи:
Теперь применим закон Ома:
Пример 2
Решение. Начнем с преобразования минут в секунды:
3 минуты = 3 × 60 = 180 секунд.
Далее воспользуемся формулой:
Понимание силы тока и умение производить измерения являются ключевыми навыками при изучении электрических явлений. Знание закона Ома и формула I = q / t, а также правильное использование амперметра помогут вам не только в учебе, но и в практических ситуациях.
Эта статья предназначена для того, чтобы помочь вам лучше понять природу силы тока, её связь с сопротивлением, напряжением и зарядом. Также вы узнали, как определить силу тока. Углубить свои знания и подготовиться к экзаменам по физике можно на курсах ОГЭ и ЕГЭ в MAXIMUM Education. Опытный преподаватель, который самостоятельно сдал экзамен на высокий балл, объяснит вам теорию доступным языком. Вы также сможете отработать материал на практических заданиях, соответствующих формату экзаменов, которые подготовлены нашими методистами, основываясь на рекомендациях ФИПИ. Места в группах всё еще есть!
