Введение
На предыдущих уроках мы говорили о токе в металле, также обсудили электрическую цепь и её составные части, говорили о направлении тока. Однако мы не касались такого вопроса, как характеристики, с помощью которых можно описать электрический ток. Наверное, все вы слышали о выражении «скачок напряжения» и наблюдали мигание лампочки. То есть мы понимаем, что электрические токи бывают разными, а как же можно сравнивать электрические токи? Какие характеристики тока позволяют оценивать его величину и другие его параметры? Сегодня мы начнем изучать величины, которые характеризуют электрический ток, и начнем мы с такой характеристики, как сила тока.
Сила тока
Вы уже знаете, что в металлическом стержне достаточно большое количество носителей электрического заряда – электронов. Понятно, когда по стержню не течет электрический ток, эти электроны движутся хаотически, то есть можно считать, что количество электронов, которое проходит через сечение стержня слева направо, приблизительно равно количеству электронов, которое проходит через то самое сечение стрежня справа налево за одно и то же время. Если мы пропускаем по стержню электрический ток, то движение электронов становится упорядоченным и количество электронов, которое проходит через сечение стержня за промежуток времени, существенно возрастает (имеется в виду то количество электронов, которое проходит в одном направлении).
Сила тока – это физическая величина, характеризующая электрический ток и численно равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Силу тока обозначают символом 
и определяют по формуле: 
, где 
– заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время 
.
Чтобы лучше понять суть введенной величины, давайте обратимся к механической модели электрической цепи. Если рассмотреть водопроводную систему вашей квартиры, то она может оказаться поразительно похожей на электрическую цепь. Действительно, аналогом источника тока выступает насос, который создает давление и поставляет воду в квартиры (см. рис .1).
Рис. 1. Водопроводная система
Как только он перестанет работать, исчезнет вода в кранах. Краны выступают в роли ключей электрической цепи: когда кран открыт – вода течет, когда закрыт – нет. В роли заряженных частиц выступают молекулы воды (см. рис. 2).
Рис. 2. Движение молекул воды в системе
Если мы теперь введем величину, аналогичную только что введенной силе тока, то есть количеству молекул воды через сечение трубы за единицу времени, то фактически получим количество воды, проходящей через поперечное сечение трубки за одну секунду – то, что в быту часто называют напором. Соответственно, чем больше напор, тем больше воды вытекает из крана, аналогично: чем больше сила тока, тем сильнее ток и его действие.
Единицы силы тока
Единицей силы тока является ампер: 
. Эта величина названа в честь французского ученого Андре-Мари Ампера. Ампер – одна из единиц интернациональной системы. Зная единицы силы тока, легко получить определение единицы электрического заряда в СИ. Поскольку , то 
.
Следовательно, 
. То есть 1 Кл – это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 с при силе тока в проводнике 1 А. Кроме ампера, также применяют такие величины, как миллиампер (
), микроампер (
), килоампер (
). Чтобы представлять себе, что такое малая, а что такое большая сила тока, приведем такие данные: для человека считается безопасной сила тока, меньше 1 мА, а сила тока, больше 100 мА, может привести к существенным проблемам со здоровьем.
Некоторые значения силы тока
Чтобы понимать величину такой силы тока, как 1А, давайте рассмотрим следующую таблицу.
Рентгеновский медицинский аппарат (см. рис. 3) – 0,1 А
Рис. 3. Рентгеновский медицинский аппарат
Лампочка карманного фонаря – 0,1–0,3 А
Переносной магнитофон – 0,3 А
Лампочка в классе – 0,5 А
Мобильный телефон в режиме работы – 0,53 А
Телевизор – 1 А
Стиральная машина – 2 А
Электрический утюг – 3 А
Электродоильная установка – 10 А
Двигатель троллейбуса – 160–220 А
Молния – более 1000 А
Кроме того, рассмотрим эффекты действия тока, которые он оказывает на организм человека, в зависимости от силы тока (в таблице приведена сила тока при частоте 50 Гц и эффект действия тока на человеческий организм).
0–0,5 мА Отсутствует
0,5–2 мА Потеря чувствительности
2–10 мА Боль, мышечные сокращения
10–20 мА Растущее воздействие на мышцы, некоторые повреждения
16 мА Ток, выше которого человек уже не может освободиться от электродов
20–100 мА Дыхательный паралич
100 мА – 3 А Смертельные желудочковые фибрилляции (необходима срочная реанимация)
Более 3 А Остановка сердца, тяжелые ожоги (если шок был кратким, то сердце можно реанимировать)
Вместе с тем большинство приборов рассчитано на значительно большее значение силы тока, поэтому при работе с ними очень важно соблюдать некоторые правила. Остановимся на главных моментах, которые нужно помнить всем, кто имеет дело с электричеством.
Нельзя:
1) Прикасаться к обнаженному проводу, особенно стоя на земле, сыром полу и т.п.
2) Пользоваться неисправными электротехническими устройствами.
Собирать, исправлять, разбирать электротехнические устройства, не отсоединив их от источника тока.
Амперметр
Для измерения силы тока используется прибор – амперметр. Он обозначается буквой А в кружочке при схематическом изображении в электрической цепи. Как и любой прибор, амперметр не должен влиять на значение измеряемой величины, поэтому он сконструирован таким образом, чтобы практически не менять значение силы тока в цепи.
Правила, которые необходимо соблюдать при измерении силы тока амперметром
1) Амперметр включают в цепь последовательно с тем проводником, в котором необходимо измерять силу тока (см. рис. 4).
2) Клемму амперметра, возле которой стоит знак +, нужно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока; клемму со знаком минус – с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока (см. рис. 5).
3) Нельзя подключать амперметр к цепи, где отсутствует потребитель тока (см. рис. 6).
Рис. 4. Последовательное соединение амперметра
Рис. 5. Правильно соединена клемма +
Рис. 6. Неверно подключенный амперметр
Давайте посмотрим на работу амперметра вживую. Перед нами электрическая цепь, которая состоит из источника тока, амперметра, который соединен последовательно, и лампочки, которая также соединена последовательно (см. рис. 7).
Рис. 7. Электрическая цепь
Если сейчас включим источник тока, то сможем пронаблюдать, какая сила в цепи с помощью амперметра. Вначале он указывает 0 (то есть тока в цепи нет), а теперь видим, что сила тока стала почти 0,2 А (см. рис. 8).
Рис. 8. Протекание тока в цепи
Если мы изменим ток в цепи, увидим, что сила тока увеличится (станет примерно 0,26 А), и при этом лампочка загорится ярче (см. рис .9), то есть, чем больше сила тока в цепи, тем ярче лампочка горит.
Рис. 9. Сила тока в цепи больше – лампочка горит ярче
Виды амперметров
Распространение получили амперметры электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, тепловые и индукционные.
В электромагнитных амперметрах (см. рис. 10) измеряемый ток, проходя по катушке, втягивает внутрь ее сердечник из мягкого железа с силой, возрастающей с увеличением силы тока; при этом насаженная на одной оси с сердечником стрелка поворачивается и по градуированной шкале указывает силу тока в амперах.
Рис. 10. Электромагнитный амперметр
В тепловых амперметрах (см. рис. 11) измеряемый ток пропускается по натянутой металлической нити, которая вследствие нагревания током удлиняется и провисает, поворачивая при этом стрелку, указывающую на шкале силу тока.
Рис. 11. Тепловой амперметр
В магнитоэлектрическом амперметре (см. рис. 12) под влиянием взаимодействия измеряемого тока, пропускаемого по проволоке, намотанной на легкую алюминиевую рамку, и магнитного поля постоянного подковообразного магнита рамка вместе с указательной стрелкой поворачивается на больший или меньший угол в зависимости от величины силы тока.
Рис. 12. Магнитоэлектрический амперметр
В электродинамических амперметрах (без железа) (см. рис. 13) измеряемый ток пропускается последовательно по обмотке неподвижной и подвижной катушек; последняя благодаря взаимодействию проходящего по ней тока с током в неподвижной катушке поворачивается вместе со стрелкой, указывающей силу тока.
Рис. 13. Электродинамический амперметр
В индукционных приборах (см. рис. 14) подвижный металлический диск или цилиндр подвергается воздействию бегущего или вращающегося поля, создаваемого неподвижными катушками, соединенными магнитной системой.
Рис. 14. Индукционный амперметр
Тепловые и электродинамические амперметры пригодны для измерения как постоянного, так и переменного токов, электромагнитные – для постоянного тока и индукционные – для переменного
Решение задач
Рассмотрим решение нескольких типовых задач по данной теме.
Задача 1
Сколько электронов каждую секунду проходит через поперечное сечение проводника, если по нему течёт ток 0,32 А?
Решение
Мы знаем не только силу тока I = 0,32 A, время t = 1 c, но и заряд одного электрона: 
.
Воспользуемся определением силы тока: 
, а заряд, который проходит за единицу времени по модулю, равен сумме модулей зарядов электронов, которые проходят через сечение за 1 с. Получаем 
. Откуда 
.
Проверяем единицы искомой величины: 
.
Ответ: 
.
Задача 2
Почему амперметр, который показывает силу тока, идущего через провод, которым аккумулятор автомобиля соединяется с бортовой электрической сетью, имеет на шкале и положительные, и отрицательные значения?
Решение
Дело в том, что в автомобильном аккумуляторе происходят два процесса: иногда он заряжается (см. рис. 15), то есть получает заряд (заряды движутся в одну сторону), а иногда – питает бортовую сеть, то есть отдаёт заряд (соответственно, заряды движутся в другую сторону) (см. рис. 16). В этих двух случаях сила тока будет отличаться знаком.
Рис. 15. Зарядка аккумулятора
Рис. 16. Разрядка аккумулятора
Задача 3
В проводнике в каждом кубическом сантиметре содержится 
свободных электронов. С какой средней скоростью электроны упорядоченно двигаются по проводнику, если сила тока в нём 8 А? Площадь поперечного сечения проводника составляет 1 мм2.
Решение
Мы знаем силу тока I = 8 A, площадь сечения 
, заряд одного электрона , объём 
и количество электронов в этом объёме 
. Найти необходимо скорость 
.
Рассмотрим кубический сантиметр проводника. В нём содержится известное количество свободных электронов. Что такое средняя скорость их движения? 
. Как определить расстояние?
Для начала воспользуемся определением силы тока: , а заряд, который проходит за единицу времени, по модулю равен сумме модулей зарядов электронов, которые проходят через сечение за время. Получаем 
. Откуда 
– количество электронов, которые прошли через сечение проводника за единицу времени. Из несложной пропорции определяем объём, который занимают эти электроны: 
, откуда 
.
Теперь найти расстояние, пройденное электронами, несложно: если весь этот объём прошёл через сечение, то длина пути каждого электрона равна: 
.
Получаем итоговую формулу: 
.
Проверяем единицы измерения: 
.
Ответ: 
На следующем уроке мы поговорим о еще одной характеристике тока – напряжении. На этом наш урок окончен, спасибо за внимание!
Домашнее задание
- Что такое сила тока? В чем она измеряется в СИ?
- Как в цепь подключают амперметр?
- Какие виды амперметров вы знаете? Опишите принцип их работы.
Список рекомендованной литературы
- Соколович Ю.А., Богданова Г.С Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
- Перышкин А.В. Физика: Учебник 8 класс. - Издательство: М.: 2013. – 240 с.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
