Сила и плотность тока. Линии тока
Сила тока I для тока, протекающего через некоторую площадь сечения проводника S эквивалентна производной заряда q по времени t и количественно характеризует электрический ток.
Направления движения положительных зарядов также определяются в качестве направлений линий тока. Изобразив линии тока, можно получить наглядное представление о движении электронов и ионов, которые формируют собой ток. Если внутри проводника выделить трубку с током, у которой боковая поверхность состоит из линий тока, то движущиеся заряженные частицы не будут пересекать боковую поверхность данной трубки. Такую трубка представляет собой так называемую трубку тока. К примеру, поверхность металлической проволоки в изоляторе будет определяться как труба тока.
Сила тока в проводнике равномерно возрастает от 0 до 5 А на протяжении 20 с . Определите заряд, который прошел через поперечное сечение проводника за данный отрезок времени.
Решение
В качестве основы решения данной задачи возьмем формулу, которая характеризует собой силу тока, то есть:
Таким образом, заряд будет найден как:
q = ∫ t 1 t 2 I d t .
В условии задачи сказано, что сила тока изменяется равномерно, а это означает то, что мы можем записать закон изменения силы тока в следующем виде:
Найдем коэффициент пропорциональности в приведенном выражении, для чего необходимо запишем закон изменения силы тока еще раз для момента времени, при котором сила тока эквивалентна I 2 = 3 А ( t 2 ) :
I 2 = k t 2 → k = I 2 t 2 .
Подставим выражение выше в I = k t и проинтегрируем в соответствии с q = ∫ t 1 t 2 I d t , получим формулу такого вида: q = ∫ t 1 t 2 k t d t = ∫ t 1 t 2 I 2 t 2 t d t = I 2 t 2 ∫ t 1 t 2 t d t = t 2 2 t 1 t 2 = I 2 2 t 2 t 2 2 — t 1 2 .
В качестве начального момента времени возьмем момент, когда сила тока эквивалентна нулю, другими словами t 1 = 0 , I 1 = 0 A ; t 2 = 20 , I 2 = 5 А . Проведем следующие вычисления:
q = I 2 2 t 2 t 2 2 = I 2 t 2 2 = 5 · 20 2 = 50 ( К л ) .
Ответ: q = 50 К л .
Определите среднюю скорость движения электронов в проводнике, молярная масса вещества которого эквивалентна μ , поперечное сечение проводника S . Сила тока в проводнике I . Примем, что на каждый атом вещества в проводнике приходится два свободных электрона.
Решение
Силу тока ( I ) в проводнике можно считать постоянной, что позволяет нам записать следующее выражение:
I = q ∆ t = N q e ∆ t ,
где заряд q определим как произведение числа электронов проводимости в проводнике, на заряд одного электрона q e , представляющего собой известную величину. ∆ t играет роль промежутка времени, за который через поперечное сечение проводника проходит заряд q . Найти N можно, если применять известное в молекулярной физике соотношение:
N ‘ N А = m μ = ρ V μ ,
где N ′ играет роль количества атомов в проводнике, объем которого V , плотность ρ , а молярная масса μ . N A представляет собой число Авогадро. По условию задачи N = 2 N ′ . Найдем из N ‘ N А = m μ = ρ V μ число свободных электронов: N = 2 ρ V μ N A .
Подставим выражение, приведенное выше, в I = q ∆ t = N q e ∆ t , в результате чего получим:
I = 2 ρ V μ N A q e ∆ t = 2 ρ q e N A S l μ ∆ t ,
где объем проводника найден как V = S l , где l — длина проводника. Выразим ее.
l = μ ∆ t I 2 ρ q e N A S .
Среднюю скорость движения электронов или, другими словами, скорость тока в проводнике можно определить следующим образом: υ = l ∆ t = μ I 2 ρ q e N A S .
Ответ: υ = μ I 2 ρ q e N A S .
Что такое сила тока, формулы
Электрическим током является упорядоченное движение заряженных частиц под воздействием электрического поля.
Заряженными частицами могут быть электроны, протоны, ионы и прочее. Например, в проводниках – это электроны.
Таким образом, силой тока является направленное движение заряженных частиц.
Основные понятия
Силой электрического тока является величина, характеризующая движение электрических зарядов и равная числу заряда \(δq\) , протекающего через сечение проводника \(S\) в единицу времени \(δt\) :
\(I=<δq\over δt>\)
То есть, для определения силы тока \(I\) необходимо разделить заряд \(δq\) , прошедший через определённое сечение проводника на время \(δt\) , за которое он пересек это сечение.
Величина силы тока зависит от количества заряда, который переносят все частицы, площади сечения проводника и скорости их направленного движения.
Рассмотрим основные формулы на примере проводника с поперечным сечением \(S\) . Обозначим буквой \(q_0\) заряд всех частиц. Если ограничить объём проводника двумя сечениями, то в нем будет содержаться \(nSδl\) частиц, где n является их концентрацией. Тогда их общий заряд будет рассчитываться по формуле:
\(q=q_0 nSδl\)
Не нашли то, что искали?
Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям
Тип работы
Узнать стоимость
это быстро и бесплатно
Если частицы движутся со средней скоростью v, то за время δt=δI/v они пройдут весь заданный объем. В данном случае сила тока рассчитается таким образом:
где \(I\) – сила тока, А (Ампер);
\(q_0\) – заряд, Кл (Кулон).
Силу тока измеряют при помощи амперметра, принцип действия которого основан на магнитном действии тока.
Замечание 1
Скорость упорядоченного движения электронов, проходящих через площадь поперечного сечения медного проводника, размером 1 миллиметр квадратный, равняется 0,1 мм/с.
Чем сила тока отличается от напряжения
При изучении электрического тока различают понятие силы тока и напряжения. Это разные параметры, но связанные между собой. От их изучения зависит понимание принципов работы электрических цепей.
Силой тока является определенное количество электричества, а напряжение обозначает меру потенциальной энергии. Данные величины зависят одна от другой. К факторам, которые влияют на величину силы тока и напряжения относятся материал проводника, температура и внешняя среда.
Ток и напряжение получают различными способами. Если при воздействии на электрические заряды возникает напряжение, то ток создаётся при этом благодаря потенциалу между точками. Напряжение характеризует потенциальную энергию, а сила тока – кинетическую.
Вычисление силы тока
Силу тока определяют при помощи специальных приборов или с использованием формул, когда есть другие показатели работы электрической цепи. Основная формула для расчета силы тока:
Электрический ток бывает постоянным или переменным. Примером постоянного тока есть батарейка, а переменного – ток в бытовой розетке. Все приборы и освещение происходит за счет действия переменного тока. Переменный ток отличается от постоянного тем, что он лучше трансформируется.
Переменный ток наиболее чаще применяется как в быту, так и на промышленных предприятиях. Согласно закону Ома силу тока участка цепи рассчитывают следующим образом:
То есть сила тока прямо пропорционально зависит от напряжения \(U\) , и обратно пропорционально зависит от сопротивления участка цепи \(R\) .
Сложно разобраться самому?
Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям
Формула электрического тока. По какой формуле можно рассчитать силу тока. Закон Ома.
Электрический ток, это именно та сила, которая течет во всей электротехники заставляя ее работать. Но сводить все к простому течению электротока по электрическим цепям в схемах неразумно, должна быть какая-то мера, определенная величина этой силы тока. Ведь если в электрической схеме пойдет слишком большой ток по проводникам, которые на него не рассчитаны, то просто эта схема выгорит. Из школьных уроков мы помним, что существуют так называемые формулы, которые и позволяют вычислять конкретные неизвестные величины имея при этом известные.
Вот самая базовая, наиболее используемая формула тока, по которой и вычисляется эта самая сила тока. В ней всего лишь три электрических величины (базовые электрические величины) — ток, напряжение и сопротивление.
Итак, сила тока на схемах обычно обозначается большой английской буквой «I». Единицей измерения тока является «Ампер». Формула тока звучит следующим образом — электрический ток равен отношению напряжения (разности потенциалов) к сопротивлению. То есть, чтобы найти силу тока нам нужно просто напряжение разделить на сопротивление. Единицей измерения электрического напряжения является «Вольт», а сопротивления «Ом». Следовательно, известные вольты делим на известные омы и получаем ранее неизвестные амперы.
Эта же формула еще называется законом Ома. Она помогает найти из двух известных величин третью, которая неизвестна. Чтобы найти напряжение, то нужно силу тока перемножить на сопротивление, а для нахождения сопротивления нужно будет напряжение разделить на силу тока. Все достаточно просто. Данная формула тока подходит и для постоянного тока и для переменного, но именно с активным сопротивлением. То есть, по ней можно рассчитать те электрические цепи (участки цепей в схемах), которые содержать сопротивления в виде обычных нагревателей, резисторов, лампочек (не имеющих индуктивную и емкостную составляющую). Индуктивностью обладают все катушки, а емкостью обладают все конденсаторы (они уже имеют реактивное сопротивление и рассчитываются по другой формуле).
Если говорить о формуле тока, которая ближе к научной сфере, то она уже будет иметь вид немного другой. Электрический ток изначально выражается как отношение количества электрических зарядов ко времени их прохождения через проводник.
Электрический ток это упорядоченное движение электрических зарядов (в твердых телах это электроны, а в жидких и газообразных телах это ионы). Так вот ток, это непосредственное движение этих зарядов и, естественно, что он определяется их количеством и временем течения. Электрические заряды измеряются в «Кулонах», ну а время в «секундах». Следовательно, чтобы узнать силу электрического тока нужно количество зарядов разделить на время их прохождения. То есть, кулоны делим на секунды и получаем амперы.
Повторюсь, что на практике при измерении и вычислении силы тока пользуются именно формулой закона Ома, поскольку приходится использовать при расчетах напряжение и сопротивление. Именно они повсеместно будут встречаться в электрических схемах той или иной электротехники. Никаких кулонов (количества зарядов) вы при своей работе электриком не увидите!
Ну, и поскольку выше я затронул тему реактивного сопротивления, то пожалуй приведу формулу для нахождения силы тока именно для цепей, содержащих индуктивное и емкостное сопротивление.
По данной формуле можно найти силу тока, которая будет течь в электрической цепи с переменным, синусоидальным напряжением и содержащая реактивное сопротивление в виде катушки (индуктивности) или конденсатора (емкости). Думаю вы заметили, что в приведенной формуле изменился лишь тип сопротивления. Сама же основа — это все та же формула закона Ома, что была приведена в самом начале. Просто тут для нахождения индуктивного и емкостного сопротивления уже используются такие величины как частота, емкость и индуктивность, ну и еще «ПИ», которое равно 3,14.
P.S. Формулу электрического тока вы просто обязаны знать наизусть (если вы конечно электрик или электронщик). Формула закона Ома будет вам полезна очень много раз. Как только нужно найти силу тока, напряжение или сопротивление (зная любые две величины из трех) вы быстро и без проблем сразу подставляете числа в эту формулу и вычислите неизвестные электрические величины.
Сила тока: основные формулы и их значение
В статье рассматривается понятие силы тока, ее определение и единицы измерения, а также приводятся примеры ее применения.
Сила тока: основные формулы и их значение обновлено: 4 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру
Введение
В физике сила тока является одним из основных понятий, которое помогает нам понять, как электрический ток движется в проводниках. Сила тока измеряется в амперах и определяется как количество электрического заряда, проходящего через проводник за единицу времени. В этой лекции мы рассмотрим определение силы тока, единицы измерения, формулу для расчета, а также рассмотрим некоторые свойства и примеры применения силы тока.
Нужна помощь в написании работы?
Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.
Определение силы тока
Сила тока – это физическая величина, которая характеризует движение электрических зарядов в проводнике. Она показывает, сколько зарядов проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.
Сила тока обозначается символом I и измеряется в амперах (А).
Сила тока может быть постоянной или переменной. В постоянном токе заряды движутся в одном направлении с постоянной скоростью. В переменном токе направление движения зарядов меняется с определенной частотой.
Единицы измерения силы тока
Сила тока измеряется в амперах (А). Ампер – это основная единица измерения электрического тока в Международной системе единиц (СИ).
Ампер определяется как сила тока, при которой два параллельных проводника, бесконечно длинных и с бесконечно малым сечением, расположенных на расстоянии 1 метра друг от друга в вакууме, создают силу взаимодействия в 2 * 10^-7 ньютонов на метр длины.
Для измерения силы тока используются амперметры, которые подключаются к электрической цепи и позволяют измерить величину тока.
Формула для расчета силы тока
Сила тока (I) в электрической цепи может быть рассчитана с использованием формулы:
- I – сила тока, измеряемая в амперах (А)
- Q – количество электричества, протекшее через цепь, измеряемое в кулонах (Кл)
- t – время, в течение которого прошло данное количество электричества, измеряемое в секундах (с)
Эта формула показывает, что сила тока пропорциональна количеству электричества, протекшему через цепь, и обратно пропорциональна времени, в течение которого это произошло.
Таким образом, если количество электричества, протекшее через цепь, увеличивается, то сила тока также увеличивается. Если время увеличивается, то сила тока уменьшается, и наоборот.
Свойства силы тока
Сила тока – это основное понятие в электрической цепи. Она имеет несколько свойств, которые помогают нам понять ее характеристики и влияние на работу электрических устройств.
Направление тока
Сила тока имеет направление, которое определяется положительным и отрицательным зарядами. В электрической цепи ток течет от положительного заряда к отрицательному заряду. Это направление обозначается стрелкой в схеме электрической цепи.
Закон сохранения заряда
Сила тока является проявлением закона сохранения заряда. Согласно этому закону, заряд не может быть создан или уничтожен, он может только перемещаться внутри электрической цепи. Таким образом, сумма зарядов, входящих и выходящих из участка цепи, должна быть равной нулю.
Зависимость от сопротивления
Сила тока также зависит от сопротивления в электрической цепи. Сопротивление (R) измеряется в омах (Ω) и определяет, насколько трудно электрическому току протекать через цепь. Чем больше сопротивление, тем меньше сила тока будет протекать через цепь при заданном напряжении.
Зависимость от напряжения
Сила тока также зависит от напряжения (U) в электрической цепи. Напряжение измеряется в вольтах (В) и определяет разность потенциалов между двумя точками цепи. Чем больше напряжение, тем больше сила тока будет протекать через цепь при заданном сопротивлении.
Зависимость от мощности
Сила тока также связана с мощностью (P) в электрической цепи. Мощность измеряется в ваттах (Вт) и определяет количество энергии, которое передается или потребляется в цепи за единицу времени. Сила тока может быть рассчитана с использованием формулы: P = I * U, где I – сила тока, U – напряжение.
Эти свойства силы тока помогают нам понять, как она влияет на работу электрических устройств и как ее можно контролировать и использовать в различных ситуациях.
Примеры применения силы тока
Освещение
Одним из наиболее распространенных примеров применения силы тока является освещение. В домах, офисах и общественных местах мы используем электрические лампы, которые работают благодаря силе тока. При подключении лампы к электрической цепи, сила тока протекает через него, и лампа начинает светиться.
Нагревание
Сила тока также может использоваться для нагревания. Это применяется в электрических плитах, водонагревателях, утюгах и других устройствах. При подключении этих устройств к электрической цепи, сила тока протекает через них, и они начинают нагреваться. Это происходит из-за сопротивления материала внутри устройства, которое преобразует электрическую энергию в тепловую энергию.
Электромоторы
Силу тока можно использовать для привода электромоторов. Электромоторы применяются во многих устройствах, таких как стиральные машины, холодильники, вентиляторы и автомобильные двигатели. При подключении электромотора к электрической цепи, сила тока протекает через обмотки мотора, создавая магнитное поле, которое вызывает вращение ротора и приводит в движение устройство.
Зарядка устройств
Сила тока также используется для зарядки различных устройств, таких как мобильные телефоны, ноутбуки, планшеты и другие электронные устройства. При подключении зарядного устройства к электрической цепи, сила тока протекает через него и заряжает аккумулятор устройства, пополняя его электрическую энергию.
Электролиз
Сила тока может использоваться для проведения электролиза, процесса, при котором электрический ток применяется для разложения химических соединений. Это применяется в производстве металлов, хлора, водорода и других веществ. При прохождении силы тока через электролитическую ячейку, происходит разложение вещества на положительные и отрицательные ионы, которые перемещаются к электродам и образуют новые соединения.
Это лишь некоторые примеры применения силы тока. Она играет важную роль в нашей повседневной жизни и в функционировании множества электрических устройств и систем.
Таблица сравнения свойств силы тока
| Свойство | Определение | Пример |
|---|---|---|
| Направление | Сила тока имеет определенное направление, которое определяется положительным и отрицательным зарядами. | Ток в проводнике может течь от положительного к отрицательному заряду. |
| Интенсивность | Сила тока измеряется в амперах (А) и показывает, сколько зарядов проходит через сечение проводника за единицу времени. | Если через проводник проходит 1 Кулон заряда за 1 секунду, то сила тока равна 1 Ампер. |
| Закон Ома | Сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. | При увеличении напряжения в цепи, сила тока также увеличивается, при увеличении сопротивления, сила тока уменьшается. |
Заключение
Сила тока – это физическая величина, которая описывает движение электрических зарядов в проводнике. Она измеряется в амперах и рассчитывается по формуле, которая учитывает напряжение и сопротивление в цепи. Сила тока имеет несколько свойств, включая то, что она создает магнитное поле и может вызывать различные эффекты, такие как нагрев проводника. Понимание силы тока важно для понимания электрических цепей и их применения в различных устройствах и системах.