Sv1ca-4.ru

Строй журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Какое выражение справедливо для сил токов протекающих через лампу

Задача 1

В магнитное поле помещен проводник, по которому протекает электрический ток. Направление электрического тока перпендикулярно линии магнитной индукции. Длина проводника составляет 5 см. Сила, действующая на этот проводник со стороны магнитного поля, составляет 50 мН. Сила тока 25 А. Определить значение магнитной индукции.

l = 5 cм 5.10 -2 м =

Fa=50 мН 50.10 -3 Н

Ответ: В=0,04 Tl

-?

Переводим длину и силу в систему СИ. Чтобы решить эту задачу, необходимо воспользоваться формулой для вычисления силы Ампера: = .

Нельзя забывать, что эта формула справедлива только тогда, когда магнитная индукция и направление силы тока (т.е. сам проводник) взаимно перпендикулярны. Из этой формулы мы находим выражение для вычисления магнитной индукции: . Подставляем значения и получаем ответ: 0,04 Тл.

Между прочим, Ампер именно таким образом и определил магнитную индукцию: через взаимодействие параллельных токов, проводников, по которым протекает электрический ток.

Единицы измерения: вольт, ампер и ом

Чтобы иметь возможность делать осмысленные утверждения об этих величинах в цепях, нам нужно уметь описывать их количества так же, как мы могли бы количественно определить массу, температуру, объем, длину или любые другие физические величины. Для массы мы можем использовать единицы «килограмм» или «грамм». Для температуры мы можем использовать градусы Фаренгейта или градусы Цельсия. В таблице ниже приведены стандартные единицы измерения электрического тока, напряжения и сопротивления:

Единицы измерения тока, напряжения, сопротивления

ВеличинаСимволЕдиница измеренияСокращение единицы измерения
ТокIАмперА
НапряжениеVВольтВ
СопротивлениеRОмОм

«Символ», присвоенный каждой величине, представляет собой стандартную букву латинского алфавита, используемую для представления этой величины в формулах. Подобные стандартизированные буквы распространены во всех физических и технических дисциплинах и признаны во всем мире. «Сокращение единицы измерения» для каждой величины представляет собой алфавитный символ(ы), используемый в качестве сокращенного обозначения конкретной единицы измерения.

Каждая единица измерения названа в честь известного экспериментатора в области электричества: ампер в честь француза Андре М. Ампера, вольт в честь итальянца Алессандро Вольта, а ом в честь немца Георга Симона Ома.

Математический символ для каждой величины также имеет значение. «R» для сопротивления и «V» для напряжения говорят сами за себя («Resistance» и «Voltage», соответственно), тогда как «I» для тока кажется немного странным. Предполагается, что буква «I» должна представлять «интенсивность» («Intensity»)(потока заряда). Судя по исследованиям, которые мне удалось провести, кажется, что есть некоторые разногласия по поводу значения слова «I». Другой символ напряжения, «E», означает «электродвижущую силу» («Electromotive force»). Символы «E» и «V» по большей части взаимозаменяемы, хотя в некоторых текстах «E» зарезервировано для обозначения напряжения на источнике (таком как батарея или генератор), а «V»– для обозначения напряжения на любом другом элементе.

Все эти символы выражаются заглавными буквами, за исключением случаев, когда величина (особенно напряжение или ток) описывается в терминах короткого периода времени (так называемые «мгновенные» значения). Например, напряжение батареи, которое стабильно в течение длительного периода времени, будет обозначаться заглавной буквой «E», тогда как пиковое напряжения при ударе молнии в тот самый момент, когда она попадает в линию электропередачи, скорее всего, будет обозначаться строчной буквой «е» (или строчной буквой «v»), чтобы отметить это значение как имеющееся в один момент времени. Это же соглашение о нижнем регистре справедливо и для тока: строчная буква «i» представляет ток в некоторый момент времени. Однако большинство измерений в цепях постоянного тока, которые стабильны во времени, будут обозначаться заглавными буквами.

Закон Ома для полной цепи

Любой источник тока обладает своим сопротивлением , которое называется внутренним сопротивлением этого источника. Таким образом, источник тока имеет две важных характеристики: ЭДС и внутреннее сопротивление.

Пусть источник тока с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением подключён к резистору (который в данном случае называется внешним резистором, или внешней нагрузкой, или полезной нагрузкой). Всё это вместе называется полной цепью (рис. 2 ).

Рис. 2. Полная цепь

Наша задача — найти силу тока в цепи и напряжение на резисторе .

За время по цепи проходит заряд . Согласно формуле (1) источник тока совершает при этом работу:

Так как сила тока постоянна, работа источника целиком превращается в теплоту, которая выделяется на сопротивлениях и . Данное количество теплоты определяется законом Джоуля–Ленца:

Итак, , и мы приравниваем правые части формул (2) и (3) :

После сокращения на получаем:

Вот мы и нашли ток в цепи:

Формула (4) называется законом Ома для полной цепи.

Если соединить клеммы источника проводом пренебрежимо малого сопротивления , то получится короткое замыкание. Через источник при этом потечёт максимальный ток — ток короткого замыкания:

Из-за малости внутреннего сопротивления ток короткого замыкания может быть весьма большим. Например, пальчиковая батарейка разогревается при этом так, что обжигает руки.

Зная силу тока (формула (4) ), мы можем найти напряжение на резисторе с помощью закона Ома для участка цепи:

Это напряжение является разностью потенциалов между точками и (рис. 2 ). Потенциал точки равен потенциалу положительной клеммы источника; потенциал точки равен потенциалу отрицательной клеммы. Поэтому напряжение (5) называется также напряжением на клеммах источника.

Мы видим из формулы (5) , что в реальной цепи будет — ведь умножается на дробь, меньшую единицы. Но есть два случая, когда .

1. Идеальный источник тока. Так называется источник с нулевым внутренним сопротивлением. При формула (5) даёт .

2. Разомкнутая цепь. Рассмотрим источник тока сам по себе, вне электрической цепи. В этом случае можно считать, что внешнее сопротивление бесконечно велико: . Тогда величина неотличима от , и формула (5) снова даёт нам .

Смысл этого результата прост: если источник не подключён к цепи, то вольтметр, подсоединённый к полюсам источника, покажет его ЭДС.

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.

Рис. 4. Аналоговый амперметр

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.

Вариант 2

1. Сила тока, идущего по проводнику, равна 2 А. Какой заряд проходит по проводнику за 10 минут?

1) 0,2 Кл
2) 5 Кл
3) 20 Кл
4) 1200 Кл

2. При увеличении напряжения U на участке электрической цепи сила тока I в цепи изменяется в соответствии с графиком (см. рисунок). Электрическое сопротивление на этом участке цепи равно

1) 2 Ом
2) 0,5 Ом
3) 2 мОм
4) 500 Ом

3. Если увеличить в 2 раза напряжение между концами проводника, а его длину уменьшить в 2 раза, то сила тока, протекающего через проводник

1) не изменится
2) уменьшится в 4 раза
3) увеличится в 4 раза
4) увеличится в 2 раза

4. Сопротивление участка цепи, изображенного на рисунке, равно

1) 11 Ом
2) 6 Ом
3) 4 Ом
4) 1 Ом

5. На цоколе лампы накаливания написано: «150 Вт, 220 В». Найдите силу тока в спирали при включении в сеть с номинальным напряжением

1) 0,45 А
2) 0,68 А
3) 22 А
4) 220 000 А

6. Проволочная спираль, сопротивление которой в нагретом состоянии равно 55 Ом, включена в сеть с напряжением 127 В. Какое количество теплоты выделяет эта спираль за 1 минуту?

1) 17,595 кДж
2) 20 кДж
3) 230 кДж
4) 658,5 кДж

7. Установите соответствие между физическими величинами и единицами измерения этих величин. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА

А) Сила тока
Б) Сопротивление
В) Работа электрического тока

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

1) Джоуль
2) Ватт
3) Вольт
4) Ампер
5) Ом

Запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.

8. Электродвигатель подъемного крана подключен к источнику тока напряжением 380 В, при этом сила тока в обмотке 20 А. Определите КПД подъемного крана, если он поднимает груз массой 1 т на высоту 19 м за 50 с.

Виды токов: постоянные и переменные

В зависимости от изменения направления протекания заряженных частиц, различают следующие виды токов:

  • Постоянный – формируется движением заряженных частиц в одном направлении. Его основные характеристики (сила тока, напряжение) имеют постоянные значения и не изменяются во времени;
  • Переменный – направление перемещения зарядов при таком виде движения заряженных частиц периодически меняется. Количество изменений направления движения за единицу времени, равную одной секунде, называется частотой тока и измеряется в Герцах. Так, например, значение данной характеристики в обычной бытовой электрической цепи равно 50 Гц. Это означает, что в течение 1 секунды движущиеся по цепи электроны меняют свое направление 50 раз, вызывая тем самым такое же количество изменений напряжения в фазном проводе от 220 до 0 В.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Электрический ток. Сила тока»

Термин «электрический ток» и определение направления тока были введены Адре Мари Ампером в далёком 1820 году. Электрическим током он назвал упорядоченное движение заряженных частиц.

Обратите внимание на очень важное слово в этом определении: «упорядоченное». Иначе говоря, не всякое движение заряженных частиц является электрическим током. Например, вы знаете, что в металлах свободными носителями зарядов являются электроны. При нормальных условиях эти электроны участвуют в хаотическом тепловом движении. А вот для того чтобы в этом кусочке металла возник электрический ток, электроны должны начать движение в каком-то одном определённом направлении. Чтобы это произошло в проводнике необходимо создать электрическое поле. Тогда заряженные частицы под действием сил поля придут в движение в направлении действия сил, и, следовательно, в проводнике возникнет электрический ток. И он будет существовать так долго, как долго будет действовать электрическое поле на заряженные частицы.

За направление электрического тока в цепи́ принято направление, в котором движутся (или могли бы двигаться) в проводнике положительные заряды.

Как мы упоминали в начале урока, определение направления тока было предложено Андре Мари Ампером в 1820 году, когда ещё не до конца была известна природа электрического тока. Ампер, как и многие другие учёные того времени, считали, что перемещаться могут только положительные заряды. Когда же было установлено, что в большинстве случаев носителем тока являются электроны (то есть отрицательно заряженные частицы), стало понятно, что выбор был сделан неудачно. Однако к этому определению настолько привыкли, что старую договорённость менять не стали.

Движение частиц в проводнике мы, конечно же, не можем увидеть в силу их очень маленьких размеров. Но о наличии тока в проводнике мы можем судить по некоторым очень важным физическим явлениям, которые с большой пользой применяются в практической жизни. Эти явления принято называть действиями электрического тока. К числу самых очевидных принадлежат:

· магнитное действие тока.

Тепловое действие тока проявляется в том, что среда, в которой протекает ток, нагревается. Именно это действие тока человек давно и успешно использует в электрических утюгах, электрических чайниках и кофеварках, а также в обычных электролампах с металлической спиралью.

Тепловое действие тока в жидкостях можно пронаблюдать на таком опыте. Возьмём два угольных электрода и опустим их в сосуд с обычной водой. Подключив электроды к источнику тока, дающем небольшое напряжение, уже через 10—15 секунд мы заметим, как термометр начнёт фиксировать повышение температуры воды.

А проявлением теплового действия тока в газах является обычная молния.

Однако нагревание отсутствует у сверхпроводников (это такие вещества, электрическое сопротивление которых при понижении температуры до некоторой величины становится равным нулю).

Химическое действие тока проявляется, как правило, при его протекании через растворы солей, кислот или щелочей. Например, если опустить угольные электроды, в раствор медного купороса и пустить по цепи ток, то через пару минут мы увидим хорошо заметный красный налёт на электроде, соединённом с отрицательным полюсом источника. Это — чистая медь, которая выделяется из сложного соединения.

Химическое действие ток может производить и в газах. Именно благодаря этому нидерландский физик Мартин Ван Марум открыл озон — особую форму кислорода, молекулы которого состоят из трёх атомов.

Но вот в твёрдых телах, (в которых атомы, молекулы и ионы весьма жёстко связаны друг с другом и ограничены в своих движениях), химические изменения обычно не происходят.

Единственное действие тока, которое проявляется у всех без исключения проводников — это магнитное. Открыто оно было датским физиком Хансом Эрстедом совершенно случайно.

На одной из лекций он демонстрировал студентам нагрев проволоки электричеством от вольтова столба. На демонстрационном столе в этот момент находился компас, поверх стеклянной крышки которого, проходил один из проводов цепи. Когда учёный замкнул цепь, кто-то из студентов случайно заметил, что магнитная стрелка компаса отклонилась в сторону, тем самым фиксируя наличие магнитного поля.

Магнитное действие тока можно пронаблюдать и на таком опыте. Возьмём подковообразный магнит и поместим между его полюсами металлическую рамку, соединённую через ключ с источником тока. Пока цепь не замкнута рамка находится в покое. Однако если по рамке пустить ток, то она начнёт поворачиваться.

В последнее время принято выделять ещё одно действие тока — световое. В простейшем виде световое действие электрического тока можно наблюдать в лампе накаливания, спираль которой разогревается проходящим через неё током до белого каления и излучает свет.

Но для лампы накаливания на световую энергию приходится лишь около 5 % от подведённой электроэнергии. Более эффективно световое действие электрического тока реализуется в люминесцентных лампах (до 20 %) и светодиодах, где КПД доходит до 50 %.

Важнейшей характеристикой электрического тока, от которой зависит эффективность его действий, является сила тока.

Сила тока — это скалярная физическая величина, численно равная электрическому заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени:

Напомним, что обозначается сила тока большой латинской буквой I. А единицей её измерения в СИ является ампер:

Один ампер — это сила такого неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии одного метра друг от друга, вызвал бы на каждом метре проводника силу взаимодействия, равную 2 ∙ 10 –7 Н.

Напомним, что если сила тока не изменяется со временем, то ток называют постоянным.

Давайте для примера найдём силу тока в проводнике по графику зависимости перенесённого заряда от времени. А заодно определим и количество электронов, прошедших через поперечное сечение проводника за 4 с секунды?

Теперь давайте посмотрим, зависит ли сила тока от скорости упорядоченного движения свободных зарядов. Для этого предположим, что у нас есть цилиндрический проводник, площадь поперечного сечения которого равна S. Выделим в этом проводнике небольшой участок, длиной Δl. В выделенном объёме содержится nSΔl частиц, где п — это концентрация носителей тока.

Пусть заряд каждой частицы равен q. Тогда общий заряд всех частиц в выбранном объёме будет определяться выражением, которые вы сейчас видите на экране:

Δq = qnSΔl.

Теперь предположим, что средняя скорость упорядоченного движения свободных зарядов равна υ. Тогда, за промежуток времени t = Δl/υ все частицы, заключённые в рассматриваемом объёме, пройдут через сечение 2. Как мы знаем, сила тока численно равна электрическому заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени:

Подставим в это уравнение выражения для общего заряда всех частиц в выбранном объёме и выражение для промежутка времени.

Сила тока в проводнике зависит от заряда, переносимого одной частицей, их концентрации, средней скорости направленного движения частиц и площади поперечного сечения проводника.

Обратим ваше внимание на то, что скорость направленного движения свободных зарядов очень и очень мала. Для примера, давайте с вами определим среднюю скорость упорядоченного движения свободных электронов в медном проводнике сечением 1 мм 2 , если сила тока в нём равна 1 А. Будем считать, что степень окисления меди равна +2.

Как видим, средняя скорость упорядоченного движения свободных носителей зарядов очень мала. Поэтому запомните: скорость распространения тока и скорость направленного движения свободных зарядов — это не одно и то же. Когда говорят о скорости протекания тока в проводнике, то имеют в виду скорость распространения электрического поля внутри проводника. А оно, как известно, распространяется со скоростью света.

голоса
Рейтинг статьи
Читать еще:  Измерения тока в лампе рисунок
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector