Понятие силы тока. Амперметр и принцип его действия.Электрическое напряжение, единица измерения, формула вычисления.

09.02.2021, 16:58

8 Г класс [Физика]

Учитель: 

Теоретическая часть

Действия электрического тока

Вспомним основные понятия, связанные с электрическим током.

Определение. Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц.

За направление тока принято считать направление движения положительно заряженных частиц, т. е. ток течет от положительного полюса источника тока (плюс) к отрицательному (минус).

Действия электрического тока: тепловое, магнитное, химическое. Для характеристики действий электрического тока необходима величина, которая бы их описывала. На сегодняшнем занятии мы ее введем.

Для улучшения понимания процессов протекания электрического тока часто говорят о том, что это напоминает течение воды в трубе. При этом в роли зарядов выступает вода, а в роли проводника – труба. Для описания движения воды в таком случае используется величина, указывающая количество воды, протекающей через сечение трубы в единицу времени. Аналогичную величину используют и для описания протекания электрического тока, а именно величину, характеризующую протекание заряда в проводнике. Такую величину называют силой тока.

ОпределениеСила тока – величина, показывающая электрический заряд, протекающий через поперечное сечение проводника, за единицу времени.

Обозначение силы тока.

Единица измерения силы тока: А (ампер).

Обозначения:

 заряд, Кл;

 время, с.

Сила тока определяет действие электрического тока, и можно говорить, что чем значение силы тока больше, тем действие электрического тока более существенно. Простейшим примером такой зависимости действия электрического тока от величины силы тока может быть накал электрической лампочки. Если сила тока велика, то лампочка светит ярко, если невелика, то более тускло.

Формула для вычисления силы тока удобна тем, что позволяет выражать и вычислять количество заряда, который протекает за определенное время через сечение проводника при заданной силе тока.

Единица измерения силы тока

Для введения единицы измерения величины силы тока используют магнитное взаимодействие, которое возникает между параллельными проводниками, по которым течет ток. Такой опыт впервые был проведен французским физиком Ампером (рис. 1), который получил название «Взаимодействие параллельных токов» (рис. 2). Согласно эксперименту, при протекании тока одинакового значения по двум параллельным проводам в одну сторону наблюдается их притяжение (рис. 2-а), при противоположном протекании наблюдается отталкивание (рис. 2-б), а при отсутствии тока в проводах никакого взаимодействия не наблюдается (рис. 2-в). Сила взаимодействия токов в проводах зависит в таком случае от многих факторов: длины проводов, расстояния между ними, величины тока и от среды, в которой они находятся.

Рис. 1. Андре-Мари Ампер (1775-1836) (Источник)

Рис. 2. Взаимодействие параллельных токов. (Источник)

В 1948 году на IX Генеральной конференции по мерам и весам было принято следующее определение одного ампера.

ОпределениеАмпер – это сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную .

Если говорить об используемых зачастую значениях силы тока в бытовых условиях, то величина в 1 А является достаточно большой и чаше используются ее уменьшенные значения: мА, мкА и т.п.

Следует отдельно отметить, что электрический ток является опасным для человека, и при работе с ним следует прибегать к мерам особой предосторожности (использование резиновых перчаток, сапог и т. д.) Сила тока величиной в 100 мА уже является крайне опасной для человека.

На данном уроке мы познакомимся с прибором для измерения такой характеристики электрического тока, как сила тока. Этот прибор называется амперметр. Мы узнаем, как амперметр включается в цепь, в каких единицах измеряется сила тока, какие бывают виды амперметров.

Амперметр и принцип его действия

На этом уроке мы рассмотрим измерение силы тока.

На предыдущем уроке мы говорили о том, что главной характеристикой действия электрического тока является сила тока. Поскольку сила тока – это физическая величина, то она может быть измерена. Для того чтобы измерить силу тока, используется прибор, который называется амперметр.

Слово «амперметр» состоит из двух слов. Ампер – это единица измерения силы тока, названная в честь французского учёного Ампера, а «метрио» – измерять, поэтому само название прибора говорит о том, что это – измеритель силы тока.

В основу всех амперметров положено магнитное и электромагнитное действие электрического тока: когда по проводнику протекает электрический ток, вокруг проводника наблюдается магнитное и электромагнитное действие.

Первые измерения силы тока были произведены в начале XIX века. Сам измерительный прибор был крайне примитивным: брали магнитную стрелку (компас), возле него располагали проводник, по которому протекал электрический ток, и по отклонению магнитной стрелки судили о том, электрический ток какой величины протекает по проводнику. То есть, по углу отклонения стрелки компаса делали выводы о величине силы тока.

Конечно, на сегодняшний день все эти приборы претерпели серьёзные изменения. Существует очень много различных видов амперметров. Однако все эти разновидности объединяет общий принцип: весь электрический заряд, который протекает по проводнику, должен проходить через амперметр.

Обозначение амперметра в электрической цепи

Рассмотрим, как обозначается амперметр на схемах. Перед этим вспомним, что сила тока обозначается буквой I. А единицей измерения силы тока является 1 Ампер. Как мы уже говорили, единица силы тока названа в честь французского учёного, который много сделал для исследования электрического тока и его действий (Рис. 1).

  Рис. 1. Ампер

Рис. 1. Ампер (Источник)

Сам амперметр на схемах, т. е. на рисунках, которые изображают соединения частей электрической цепи, обозначают следующим образом: кружок, внутри которого написана буква А (Рис. 2).

Обозначение амперметра 

Рис. 2. Обозначение амперметра

Рассмотрим теперь непосредственно сами амперметры: какие они бывают, из чего состоят, как устроены.

На рис. 3 представлены фотографии различных видов амперметров.

Различные амперметры      Различные амперметры      Различные амперметры

Рис. 3. Различные амперметры (Источник) (Источник) (Источник)

Виды амперметров и отличительные черты амперметра

Амперметры могут быть различных размеров, конструктивных особенностей, однако есть ещё одна вещь, кроме принципа работы, которая их объединяет: амперметры всегда включаются в электрическую цепь последовательно. Говорят так: мы разрываем цепь, и в место разрыва включаем прибор.

Как отличить амперметр от других приборов?

Во-первых, на всех амперметрах мы видим букву А, которая подчёркивает, что этот прибор – амперметр. Кроме того, у всех амперметров есть шкала с делениями, а также зажимы (клеммы), к которым подключаются проводники. При этом одна из клемм всегда подписывается как «+» (чтобы именно она подключалась к положительному полюсу источника тока). Вторая клемма иногда обозначается «-» (в противном случае это подразумевается по умолчанию).

Все приборы, которые представлены на рис. 3, используются для измерения постоянного тока, т. е. того тока, который создают аккумуляторы и гальванические элементы. И на всех этих приборах есть знак, который говорит об этом: горизонтальная прямая линия. Если бы на приборе была изображена волнистая линия, то это означало бы, что этот прибор используется для измерения переменного тока.

Как мы уже говорили, в основе всех амперметров лежит магнитное действие электрического тока. На рис. 4. изображено устройство амперметра: стрелка прибора укреплена на очень легкой рамке. Эта рамка находится в магните, по которому протекает ток и создается магнитное поле. В этом магнитном поле и находится рамка. Она отклоняется в магнитном поле, и стрелка показывает по шкале различные значения силы тока.

Устройство амперметра

Рис. 4. Устройство амперметра (Источник)

Если шкала прибора рассчитана на отрицательные и положительные значения, то с помощью такого амперметра можно измерять не только силу тока, но и его направление.

Как включается в цепь амперметр

Теперь подробнее рассмотрим то, как амперметры включаются в электрическую цепь (Рис. 5).

Включение амперметра в цепь Включение амперметра в цепь

Рис. 5. Включение амперметра в цепь

На рис. 5. изображены две схемы с гальваническими элементами. Короткой палочкой обозначается «-» (отрицательный полюс), а длинной – «+» (положительный полюс). Перечёркнутым кружочком обозначается лампочка накаливания, а ключ, который обозначен наклонной палочкой, в данной цепи замкнут. Кроме того, в цепь включён амперметр (кружочек с буквой А внутри).

Когда мы говорили о том, как включается амперметр, то упоминали, что положительный полюс амперметра (отмечен знаком «+») подключается к положительному полюсу источника тока.

Важен также тот факт, что амперметр можно располагать и так, как указано на левом рисунке, и так, как указано на правом. То есть, от того, что мы поменяли местами амперметр и лампу накаливания, показания амперметра не изменятся.

Дело в том, что, как мы уже говорили, амперметр включается в цепь таким образом, чтобы весь электрический заряд прошел через этот прибор. Соответственно, на любом участке цепи количество электрических зарядов, прошедших по проводнику, одинаково. Следовательно, можно говорить и о том, что амперметр показывает в обеих цепях одинаковое значение.

Краткие выводы урока: амперметр – прибор для измерения силы тока, который включается в цепь последовательно, т. е. в разрыв цепи. Амперметр показывает значение силы тока. Принцип действия любого амперметра основан на магнитном, электромагнитном действии электрического тока.

 В заключение хотелось бы уточнить ещё один немаловажный нюанс: использовать амперметр можно исключительно тогда, когда мы приблизительно знаем значение силы тока. Дело в том, что через амперметр проходит весь заряд, и если этот заряд будет слишком велик, то амперметр просто сгорит.

1. Электрическое напряжение, единица измерения, формула вычисления

На прошлых уроках мы узнали о том, что такое сила тока, и о том, что эта величина характеризует действие электрического тока. Мы уже рассмотрели несколько факторов, от которых она зависит, теперь рассмотрим другие параметры, которые на нее влияют. Для этого достаточно провести простой эксперимент: подключить к электрической цепи сначала один источник тока, потом последовательно два одинаковых, а затем и три одинаковых источника, при этом каждый раз измеряя силу тока в цепи. В результате измерений будет видна простая зависимость: сила тока растет пропорционально количеству подключаемых источников. Почему же так получается? Функция источника тока – создавать электрическое поле в цепи, соответственно, чем больше включено последовательно в цепь источников, тем более сильное электрическое поле они создают. Из этого можно сделать вывод, что электрическое поле влияет на силу тока в цепи. При этом при перемещении зарядов по проводнику совершается работа электрического тока, что говорит о том, что работа электрического поля определяет силу тока в цепи.

С другой стороны, можно вспомнить аналогию между протеканием электрического тока в проводнике и воды в трубе. Когда речь идее о массе воды, протекающей через сечение трубы, то это можно сравнивать с величиной заряда, который прошел через проводник. А перепад высоты в трубе, который и формирует напор и течение воды, можно сравнить с таким понятием, как электрическое напряжение.

Для характеристики работы электрического поля по перемещению заряда введена такая величина, как электрическое напряжение.

ОпределениеЭлектрическое напряжение – физическая величина, которая равна работе электрического поля по перемещению единичного заряда из одной точки в другую.

Обозначение напряжение.

Единица измерения вольт.

Названа единица измерения напряжения в честь итальянского ученого Алессанро Вольта (1745–1827) (рис. 1).

Рис. 1. Алессанро Вольта (Источник)

Если привести стандартный пример о смысле всем известной надписи на любых домашних бытовых приборах «220 В», то она означает, что на участке цепи совершается работа 220 Дж по перемещению заряда 1 Кл.

Формула для расчета напряжения:

Где:

 работа электрического поля по перенесению заряда, Дж;

 заряд, Кл.

Следовательно, единицу измерения напряжения можно представить так:

Между формулами для вычисления напряжения и силы тока существует взаимосвязь, на которую следует обратить внимание:  и . В обеих формулах присутствует величина электрического заряда , что может оказаться полезным при решении некоторых задач.

2. Вольтметр

Для измерения напряжения используют прибор, который называется вольтметр (рис. 2).

Рис. 2. Вольтметр (Источник)

Существуют различные вольтметры по особенностям их применения, но в основе принципа их работы лежит электромагнитное действие тока. Обозначаются все вольтметры латинской буквой , которая наносится на циферблат приборов и используется в схематическом изображении прибора.

В школьных условиях используются, например, вольтметры, изображенные на рисунке 3. С их помощью проводятся измерения напряжения в электрических цепях при проведении лабораторных работ.

Основными элементами демонстрационного вольтметра являются корпус, шкала, стрелка и клеммы. Клеммы обычно подписаны плюсом или минусом и для наглядности выделены разными цветами: красный – плюс, черный (синий) – минус. Сделано это с целью того, чтобы заведомо правильно подключать клеммы прибора к соответствующим проводам, подключенным к источнику. В отличие от амперметра, который включается в разрыв цепи последовательно, вольтметр включается в цепь параллельно.Рис. 3. Вольтметры

Безусловно, любой электрический измерительный прибор должен минимально влиять на исследуемую цепь, поэтому вольтметр имеет такие конструктивные особенности, что его через него идет минимальный ток. Обеспечивается такой эффект подбором специальных материалов, которые способствуют минимальному протеканию заряда через прибор.

3. Вольтметр в электрических схемах

Схематическое изображение вольтметра (рис. 4):

 

 

Рис. 4.

Изобразим для примера электрическую схему (рис. 5), в которой подключен вольтметр.

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5.

В цепи почти минимальный набор элементов: источник тока, лампа накаливания, ключ, амперметр, подключенный последовательно, и вольтметр, подключенный параллельно к лампочке.

Замечание. Лучше начинать сборку электрической цепи со всех элементов, кроме вольтметра, а его уже подключать в конце.

4. Виды вольтметров

Существует множество различных видов вольтметров с различающимися шкалами. Поэтому вопрос о вычислении цены прибора в данном случае очень актуален. Очень распространены микровольтметры, милливольтметры, просто вольтметры и т. д. По их названиям понятно, с какой кратностью производятся измерения.

Кроме того, вольтметры делят на приборы постоянного тока и переменного тока. Хотя в городской сети и переменный ток, но на данном этапе изучения физики мы занимаемся постоянным током, который подают все гальванические элементы, поэтому нас и будут интересовать соответствующие вольтметры. То, что прибор предназначен для цепей переменного тока, принято изображать на циферблате в виде волнистой линии (рис. 6).

 

Рис. 6. Вольтметр переменного тока

Замечание. Если говорить о значениях напряжений, то, например, напряжение 1 В является небольшой величиной. В промышленности используются гораздо большие значения напряжений, измеряемые сотнями вольт, киловольтами и даже мегавольтами. В быту же используется напряжение 220 В и меньшее.