Как найти i зная q и t

1. Сила тока. Амперметр

В процессе своего движения вдоль проводника заряженные частицы (в металлах это электроны) переносят некоторый заряд. Чем больше заряженных частиц, чем быстрее они движутся, тем больший заряд будет ими перенесён за одно и то же время. Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 секунду, определяет силу тока в цепи.

Сила тока \(I\) — скалярная величина, равная отношению заряда \(q\), прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени \(t\), в течение которого шёл ток.
I = q t , где \(I\) — сила тока, \(q\) — заряд, \(t\) — время.
Единица измерения силы тока в системе СИ — \([I]~=~1~A\) (ампер).

В 1948 г. было предложено в основу определения единицы силы тока положить явление взаимодействия двух проводников с током:

при прохождении тока по двум параллельным проводникам в одном направлении проводники притягиваются, а при прохождении тока по этим же проводникам в противоположных направлениях — отталкиваются.

За единицу силы тока \(1~A\) принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной \(1\) м, расположенные на расстоянии \(1\) м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой \(0,0000002\) H (рис. 1 .).

Рис. 1 . Определение единицы силы тока
Единица силы тока называется ампером (\(A\)) в честь французского учёного А.-М. Ампера (рис. 2 ).

Андре-Мари Ампер
(1775 — 1836)
Рис. 2 . Ампер Андре-Мари

А.-М. Ампер ввёл термины: электростатика, электродинамика, соленоид, ЭДС, напряжение, гальванометр, электрический ток.

Ампер — довольно большая сила тока. Например, в электрической сети квартиры через включённую \(100\) Вт лампочку накаливания проходит ток с силой, приблизительно равной \(0,5A\). Ток в электрическом обогревателе может достигать \(10A\), а для работы карманного микрокалькулятора достаточно \(0,001A\).

Помимо ампера на практике часто применяются и другие (кратные и дольные) единицы силы тока, например, миллиампер (мА) и микроампер (мкА):
\(1 мA = 0,001 A\) , \(1 мкA = 0,000001 A\) , \(1 кA =1000 A\).
То есть \(1 A = 1000 мA\) , \(1 A = 1000000 мкA\) , \(1 A = 0,001 кA\).

Если электроны перемещаются в одном направлении, т.е. — от одного полюса источника тока к другому, то такой ток называют постоянным .

Переменным называется ток, сила и направление которого периодически изменяются.

В бытовых электросетях используют переменный ток напряжением \(220\) В и частотой \(50\) Гц. Это означает, что ток за \(1\) секунду \(50\) раз движется в одном направлении и \(50\) раз — в другом. У многих приборов имеется блок питания, который преобразует переменный ток в постоянный (у телевизора, компьютера и т.д.).

2. Работа и мощность тока

При прохождении тока в цепи электрическое поле совершает работу по перемещению заряда. В этом случае работу электрического поля называют работой электрического тока.

При прохождении заряда \(q\) по участку цепи электрическое поле будет совершать работу: \(A=q\cdot U\), где \(U\) — напряжение электрического поля, \(A\) — работа, совершаемая силами электрического поля по перемещению заряда \(q\) из одной точки в другую.

Для выражения любой из этих величин можно использовать приведённый ниже рисунок.
Рис. \(1\). Зависимость между работой, напряжением и зарядом

Количество заряда, прошедшее по участку цепи, пропорционально силе тока и времени прохождения заряда: q = I ⋅ t .

Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна напряжению на её концах и количеству заряда, проходящего по этому участку: A = U ⋅ q .

Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна силе тока, времени прохождения заряда и напряжению на концах участка цепи: A = U ⋅ I ⋅ t .

Чтобы выразить любую из величин из данной формулы, можно воспользоваться рисунком.

Рис. \(2\). Зависимость между работой, силой тока и временем прохождения заряда
Единицы измерения величин:
работа электрического тока \([A]=1\) Дж;
напряжение на участке цепи \([U]=1\) В;
сила тока, проходящего по участку \([I]=1\) А;
время прохождения заряда (тока) \([t]=1\) с.

Для измерения работы электрического тока нужны вольтметр, амперметр и часы. Например, для определения работы, которую совершает электрический ток, проходя по спирали лампы накаливания, необходимо собрать цепь, изображённую на рисунке. Вольтметром измеряется напряжение на лампе, амперметром — сила тока в ней. А при помощи часов (секундомера) засекается время горения лампы.

Рис. \(3\). Схема и часы для измерения
I = 1 , 2 А U = 5 В t = 1 , 5 мин = 90 с А = U ⋅ I ⋅ t = 5 ⋅ 1 , 2 ⋅ 90 = 540 Дж
Обрати внимание!
Работа чаще всего выражается в килоджоулях или мегаджоулях.

\(1\) кДж = 1000 Дж или \(1\) Дж = \(0,001\) кДж;
\(1\) МДж = 1000000 Дж или \(1\) Дж = \(0,000001\) МДж.

Для потребителей электрической энергии существуют приборы, позволяющие в пределах ошибки измерения получать числовые данные о ее расходе в единицу времени.

Рис. \(4\). Электросчетчик

Механическая мощность численно равна работе, совершённой телом в единицу времени: N = А t . Чтобы найти мощность электрического тока, надо поступить точно также, т.е. работу тока, A = U ⋅ I ⋅ t , разделить на время.

Мощность электрического тока обозначают буквой \(Р\):
P = A t = U ⋅ I ⋅ t t = U ⋅ I . Таким образом:
Мощность электрического тока равна произведению напряжения на силу тока: P = U ⋅ I .

Из этой формулы можно определить и другие физические величины.
Для удобства можно использовать приведённый ниже рисунок.

Рис. \(5\). Зависимость между мощностью, напряжением и силой тока
За единицу мощности принят ватт: \(1\) Вт = \(1\) Дж/с.
Из формулы P = U ⋅ I следует, что

\(1\) ватт = \(1\) вольт ∙ \(1\) ампер, или \(1\) Вт = \(1\) В ∙ А.
Обрати внимание!

Используют также единицы мощности, кратные ватту: гектоватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт).
\(1\) гВт = \(100\) Вт или \(1\) Вт = \(0,01\) гВт;
\(1\) кВт = \(1000\) Вт или \(1\) Вт = \(0,001\) кВт;
\(1\) МВт = \(1 000 000\) Вт или \(1\) Вт = \(0,000001\) МВт.

Измерим силу тока в цепи с помощью амперметра, а напряжение на участке — с помощью вольтметра.
Рис. \(6\). Схема

Так как мощность тока прямо пропорциональна напряжению и силе тока, протекающего через лампочку, то перемножим их значения:

I = 1 , 2 А U = 5 В P = U ⋅ I = 5 ⋅ 1 , 2 = 6 Вт .

Ваттметры измеряют мощность электрического тока, протекающего через прибор. По своему назначению и техническим характеристикам ваттметры разнообразны.

В зависимости от сферы применения у них различаются пределы измерения.
Аналоговый ваттметр
Аналоговый ваттметр
Аналоговый ваттметр
Цифровой ваттметр

Рис. \(7\). Приборы для измерения

Подключим к цепи по очереди две лампочки накаливания, сначала одну, затем другую и измерим силу тока в каждой из них. Она будет разной.

Рис. \(8\). Лампы различной мощности в цепи

Сила тока в лампочке мощностью \(25\) ватт будет составлять \(0,1\) А. Лампочка мощностью \(100\) ватт потребляет ток в четыре раза больше — \(0,4\) А. Напряжение в этом эксперименте неизменно и равно \(220\) В. Легко можно заметить, что лампочка в \(100\) ватт светится гораздо ярче, чем \(25\)-ваттовая лампочка. Это происходит оттого, что её мощность больше. Лампочка, мощность которой в \(4\) раза больше, потребляет в \(4\) раза больше тока. Значит:

Обрати внимание!
Мощность прямо пропорциональна силе тока.

Что произойдёт, если одну и ту же лампочку подсоединить к источникам различного напряжения? В данном случае используется напряжение \(110\) В и \(220\) В.

Рис. \(8\). Лампа, подключенная к источнику тока с различным напряжением

Можно заметить, что при большем напряжении лампочка светится ярче, значит, в этом случае её мощность будет больше. Следовательно:

Обрати внимание!
Мощность зависит от напряжения.
Рассчитаем мощность лампочки в каждом случае:

I = 0 , 2 А U = 110 В P = U ⋅ I = 110 ⋅ 0 , 2 = 22 Вт

I = 0,4 А U = 220 В P = U ⋅ I = 220 ⋅ 0,4 = 88 Вт .

Можно сделать вывод о том, что при увеличении напряжения в \(2\) раза мощность увеличивается в \(4\) раза.
Не следует путать эту мощность с номинальной мощностью лампы (мощность, на которую рассчитана лампа). Номинальная мощность лампы (а соответственно, ток через нить накала и её расчётное сопротивление) указывается только для номинального напряжения лампы (указано на баллоне, цоколе или упаковке).

Формула силы тока

Электрическим током называют упорядоченное движение носителей зарядов. В металлах таковыми являются электроны, отрицательно заряженные частицы с зарядом, равным элементарному заряду. Направлением тока считают направление движения положительно заряженных частиц.

Силой тока (током) через некоторую поверхность S называют скалярную физическую величину, которую обозначают I, равную:

где q – заряд, проходящий сквозь поверхность S, t – время прохождения заряда. Выражение (1) определяет величину силы тока в момент времени t (мгновенное значение величины силы тока).

Некоторые виды силы тока

Ток носит название постоянного, если его сила и направление с течением времени не изменяются, тогда:

Формула (2) показывает, что сила постоянного тока равна заряду, который проходит сквозь поверхность S в единицу времени.

Если ток является переменным, то выделяют мгновенную силу тока (1), амплитудную силу тока и эффективную силу тока. Эффективной величиной силы переменного тока (I_eff) называют такую силу постоянного тока, которая выполнит работу равную работе переменного тока в течение одного периода (T):

Если переменный ток можно представить как синусоидальный:

$$I=I_ \sin \omega t$$

то I_m – амплитуда силы тока ($\omega$ – частота силы переменного тока).

Плотность тока

Распределение электрического тока по сечению проводника характеризуют при помощи вектора плотности тока ($\bar$). При этом:

где $\alpha$ – угол между векторами $\bar$ и $\bar$ ( $\bar$ – нормаль к элементу поверхности dS), j_n – проекция вектора плотности тока на направление нормали ($\bar$).

Сила тока в проводнике определяется при помощи формулы:

где интегрирование в выражении (6) проводится по всему поперечному сечению проводника S ($\alpha \equiv 0$)

Для постоянного тока имеем:

Если рассматривать два проводника с сечениями S₁ и S₂ и постоянными токами, то выполняется соотношение:

Сила тока в соединениях проводников

При последовательном соединении проводников сила тока в каждом из них одинакова:

При параллельном соединении проводников сила тока (I) вычисляется как сумма токов в каждом проводнике (I_i):

Закон Ома

Сила тока входит в один из основных законов постоянного тока – закон Ома (для участка цепи):

где $\varphi_$ — $\varphi_$ – разность потенциалов на концах, рассматриваемого участка, $\varepsilon$ — ЭДС источника, который входит в участок цепи, R – сопротивление участка цепи.

Единицы измерения силы тока

Основной единицей измерения силы тока в системе СИ является: [I]=A(ампер)=Кл/с

Примеры решения задач

Задание. Какой заряд (q) проходит через поперечное сечение проводника за промежуток времени от t₁=2c до t₂=6c, если сила тока изменяется в соответствии с уравнением: I=2+t, где сила тока в амперах, время в секундах?

Решение. За основу решения задачи примем определение мгновенной силы тока:

В таком случае, заряд, который проходит через поперечное сечение проводника, равен:

Подставим в выражение (1.2) уравнение для силы тока из условий задачи, примем во внимания границы изменения участка времени:

Ответ. q=24 Кл

проверенных автора готовы помочь в написании работы любой сложности

Мы помогли уже 4 430 ученикам и студентам сдать работы от решения задач до дипломных на отлично! Узнай стоимость своей работы за 15 минут!

Задание. Плоский конденсатор составлен из двух квадратных пластин со стороной A, находящихся на расстоянии dдруг от друга. Этот конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения U. Конденсатор погружают в сосуд с керосином (пластины конденсатора вертикальны) со скоростью v=const. Какова сила тока, которая будет течь по подводящим проводам в описанном выше процессе. Считать, что диэлектрическая проницаемость керосина равна $\varepsilon$.

Решение. Основой для решения задачи станет формул для вычисления силы тока вида:

При погружении в керосин на глубину xописанной выше системы мы получаем два конденсатора, соединенных параллельно (над керосином и в керосине) рис. 2. Для такой системы конденсаторов напряжение на каждом из них одинаково, поэтому уравнение для изменения заряда при движении удобно искать в виде:

Емкость при параллельном соединении конденсаторов равна:

Формула для расчета емкостей C₁ и C₂ плоских конденсаторов имеет вид:

где $\varepsilon_$ – электрическая постоянная, переменной величиной при погружении системы в керосин является площадь обкладок S:

$$S_=A \cdot v \cdot t ; S_=A \cdot(A-v t)$$

Из выражений (2.4), (2.5) и условий задачи имеем:

Тогда подставив dC в формулу для силы тока (2.1) получаем:

Ответ. $I=\frac U A v>(\varepsilon-1)$

Количество электричества (электрический заряд)

Количество электричества или электрический заряд — это произведение силы тока на время протекания тока.

Если:
Q — заряд, протекающий за время t через поперечное сечение проводника,
t — продолжительность протекания тока,
I — сила постоянного тока (не изменяющегося за время t),
То:

Единица СИ заряда:

\[ [Q] = ампер-секунда \enspace (А \cdot с) = кулон \enspace (Кл) \]

Если сила тока не постоянна во времени, т.е. ток есть функция от времени, то