Возможно, ли представить свою жизнь без электричества? Современный человек плотно окружил себя бытовыми приборами, помогающими в жизни. Мы уже не можем представить себя и свою жизнь без умных домашних помощников.
В технике все чаще переходят на использование электроэнергии. Даже транспорт постепенно переводится на электродвигатели, что позволяет уменьшить существенный вред, наносимый природе.
Сегодня мы попытаемся дать ответ на следующие вопросы:
- Что такое электрический ток?
- Что такое электрическое напряжение?
- Как определить напряжение?
- В чем измеряется напряжение?
Что такое ток?
На заре изучения электричества его получали трением одного тела о другое. Больший запас заряда можно было получить во время грозы, используя естественный разряд - молнию. Известно, что этот способ стоил жизни ученику М. В. Ломоносова - Рихтеру.
Сам заряд использовать сложно и нерационально. Необходимо получить его направленное движение - электрический ток. Свойства тока:
- нагревание проводника;
- химическое действие;
- механическое действие;
- магнитное действие.
Их используют в быту и технике. Необходимым условием существования тока считают наличие свободных электрических зарядов и замкнутого проводника.
История вопроса
В 1792 году известный итальянский физик, физиолог и изобретатель заинтересовался выводами соотечественника Луиджи Гальвани о природе импульсов тока в органах животных. Длительное наблюдение за поведением лапок лягушек, закрепленных на металлических крючках, позволило ему сделать вывод, что источником электричества является не живой организм, а контакт разнородных металлов. Именно это обстоятельство способствует протеканию электричества, а реакция нервных окончаний - только физиологическое действие тока.
Уникальное открытие привело к созданию первого в мире источника получившего название «Вольтов столб». Разнородные металлы (Вольта утверждал, что они должны быть удалены друг от друга в ряду химических элементов) прокладываются бумагой, пропитанной жидким «проводником второго рода».
Этот прибор стал первым источником постоянного напряжения. Единица измерения электрического напряжения увековечила имя Алессандро Вольта.
Источник постоянного тока
Основной элемент электрической цепи - источник тока. Его назначение - создавать электрическое поле, под действием которого свободные заряженные частицы (электроны, ионы) приходят в направленное движение. Накапливаемые на отдельных элементах источника заряды (их называют полюсами) имеют различные знаки. Сам заряд перераспределяется внутри источника под действием сил неэлектрической природы (механических, химических, магнитных, тепловых и так далее). Электрическое поле, созданное полюсами вне источника тока, производит работу по передвижению заряда в замкнутом проводнике. О необходимости замкнутой цепи для создания постоянного тока говорил еще Алессандро Вольта.
Поскольку в источниках под действием сил неэлектрической природы происходит движение заряда, значит, можно утверждать, что эти силы совершают работу. Назовем их сторонними. Отношение работы сторонних сил по переносу заряда внутри источника тока к величине заряда называют электродвижущей силой.
Математическая запись этого соотношения:
- Ε = А ст: q,
где Е - электродвижущая сила (ЭДС), А ст - работа сторонних сил, q - заряд, переносимый сторонними силами в источнике.
ЭДС характеризует способность источника создавать ток, но основной характеристикой источника иногда считают электрическое напряжение (разность потенциалов).
Напряжение
Отношение работы поля по передвижению заряда в проводнике к величине заряда получило название электрического напряжения.
Чтобы его определить, нужно величину работы поля разделить на величину заряда. Пусть A - работа, совершенная электрическим полем источника тока по перемещению заряда q. U - Математическая запись соответствующей формулы:
- U = A: q.
Как любая физическая величина, напряжение имеет единицу измерения. В чем измеряется напряжение? По фамилии изобретателя первого в мире источника постоянного тока Алессандро Вольта этой величине дали собственную единицу измерения. В системе интернациональной напряжение измеряется в вольтах (В).
Напряжением в 1 В считается напряжение электрического поля, совершающего работу в 1 Дж по перемещению заряда в 1 Кл.
- В = Дж/Кл = Н.м/(А.с) = кг.м/(А.с 3).
В основных единицах системы СИ единица измерения электрического напряжения:
- кг.м/(А.с 3).
Необходимая величина
Почему недостаточно, характеризуя ток, вводить понятие силы тока? Проведем мысленный эксперимент. Возьмем две различные лампы: обыкновенную бытовую лампу и лампу от карманного фонарика. При подключении их к разным источникам тока (городской сети и батарейке) можно получить абсолютно одинаковое значение силы тока. При этом бытовая лампа дает больше света, то есть работа тока в ней значительно больше.
Разные источники тока имеют различное напряжение. Поэтому эта величина крайне необходима.
Полезная аналогия
Понимание физического смысла электрического напряжения приходит, если вникнуть в интересную аналогию. В жидкость перетекает из трубки в трубку, если в них существует разность давлений. Ток жидкости прекращается в случае равенства давлений.
Если ток жидкости сопоставить с течением электрического заряда, то разность давлений столбов жидкости играет ту же роль, что и разность потенциалов в источнике тока.
Пока внутри источника тока происходят процессы, сопровождающие перераспределение заряда на полюсах, он способен создавать ток в проводнике. Напряжение электрического тока измеряется в вольтах, разность давлений имеет единицу измерения - паскаль.
Переменный ток
Электрический ток, периодически меняющий свое направление, называется переменным. Создается он источником переменного напряжения. Чаще всего это генератор. Попробуем пояснить: в чем измеряется напряжение переменного тока?
Сам принцип генерации тока основан на явлении электромагнитной индукции. Вращение замкнутого контура в магнитном поле приводит к появлению разности потенциалов в проводнике. измеряется в вольтах и в случае меняющегося тока.
Можно ли утверждать, что напряжение не меняется? Очевидно, что вследствие изменения угла между плоскостью контура и нормалью к нему, создаваемое напряжение изменяется с течением времени. Его значение растет от нуля до некоторого максимального значения, затем падает вновь до нуля. Говорить об определенной величине не приходится. Вводят так называемое действующее значение напряжения:
- U д = U: √2.
Каким прибором измеряется напряжение?
Прибор для измерения электрического напряжения - вольтметр. Принцип его действия основан на взаимодействии контура с током и магнитного поля постоянного магнита. Известно, что контур с током вращается в магнитном поле. В зависимости от величины тока в контуре угол поворота меняется.
Если к контуру прикрепить стрелку, то она отклоняется от нулевого значения при протекании тока в контуре (чаще катушке). В зависимости от того, в чем измеряется напряжение, градуируют шкалу прибора. Возможно применение дольных и кратных величин.
В случае низких значений электрическое напряжение измеряется в милливольтах или микровольтах. Наоборот, в высоковольтных сетях используют кратные единицы.
Любой вольтметр подключается параллельно тому участку цепи, на котором проводится измерение напряжения. Основным свойством контура прибора можно назвать высокое омическое сопротивление. Вольтметр, независимо от того, в чем измеряется напряжение, не должен влиять на силу тока в цепи. По нему пропускается незначительный ток, существенно не влияющий на основное значение.
Таблица напряжений
Практическое применение вольтметра
Для эффективного использования вольтметра стоит научиться им пользоваться. Любопытному экспериментатору можно посоветовать обратиться к школьным педагогам.
Школьные кабинеты физики снабжены лабораторными и демонстрационными приборами для измерения напряжений.
Эксплуатировать любой вольтметр стоит с осторожностью, соблюдая простые правила:
- Вольтметр имеет максимальный предел измерения. Это наибольшее значение на его шкале. Не стоит подключать его в цепь, содержащую элемент большего напряжения.
- Если нет другого источника или вольтметра, можно использовать систему дополнительных сопротивлений. При этом шкала вольтметра также должна быть изменена.
- В цепь постоянного тока электроприборы подключаются в зависимости от указаний знака заряда на его клеммах. Положительная клемма источника тока обязательно подключается к положительному разъему вольтметра, отрицательная - к отрицательному. Если перепутать, то стрелки прибора могут погнуться, что крайне нежелательно.
- Все подключения делают исключительно к обесточенной цепи.
Вредно для здоровья
Действие электрического тока может оказаться небезопасным для человека. Считается безвредным напряжение менее 24 В.
Действие тока под напряжением городской сети (220 В) достаточно ощутимо. Прикосновение к оголенным контактам сопровождается существенным «ударом тока».
Напряжение во время грозы пропускает столь высокий ток через тело человека, что грозит ему летальным исходом. Не стоит рисковать своей жизнью и здоровьем.
Веками люди пытались найти ответ на вопрос, что такое ток. Между тем современная наука дает вполне однозначное определение электрического тока. С него и начнем.
Что такое электрический ток
Электрический ток есть упорядоченное движение электрически заряженных частиц в каком-либо проводнике. Для его возникновения необходимо создание так называемого электрического поля, потому что именно под воздействием электрического поля заряженные частицы и приходят в движение. Надо сказать, что электрические заряды возникают практически постоянно при тесном контакте всевозможных веществ.
Иногда заряды свободно перемещаются между различными частями - в таком случае речь идет о проводниках электрического тока. Если же свободное перемещение частиц невозможно, то говорят об изоляторах.
- Примеры проводников - водные растворы кислот и солей и практически все металлы (они имеют разную степень проводимости, но проводниками являются все без исключения).
- К изоляторам относятся такие вещества, как янтарь, эбонит, различные кварцы и большинство газов. Также изоляторами являются и искусственно созданные вещества (полиэтилен, поливинилхлорид и другие).
В чем измеряется ток
Существует несколько основных параметров измерения электрического тока. Наиболее важными считаются сила тока и напряжение. Однако для полного описания всех параметров мы расскажем и о таких характеристиках, как мощность, сопротивление и частота, о которой мы расскажем, когда будем давать определение переменного тока.
Сила тока
Сила тока - измеряемая физическая величина, которая равна отношению количества заряда, проходящего за определенное время через проводник (точнее - его поперечное сечение), к величине указанного промежутка времени. Как мы знаем, сила тока измеряется в Амперах (А). Также, говоря о силе тока, нельзя не упомянуть и такую величину, как плотность тока.
Плотностью тока называют отношение силы тока, проходящего сквозь определенный элемент поверхности, к площади этого элемента.
Мощность тока
Мощностью называется такая работа, которая выполняется частицами электрического тока против электрического сопротивления. Результаты этой работы мы видим в выделяющейся тепловой энергии. Поэтому, если говорить проще, мощность электрического тока - это количество выделяемого тепла за единицу времени. Измеряют мощность в Ваттах (Вт).
Напряжение тока
Напряжением электрического тока называется отношение работы тока к заряду на определенном участке цепи. Заряд тока измеряется в Кулонах (Кл), а работа - в Джоулях (Дж). Таким образом напряжение можно измерить так: 1Дж/1Кл. Как вы уже, наверное, догадались, полученное значение будет равно 1 Вольту (В) - основной единице, в которых измеряют напряжение.
Электрическое сопротивление
В свое время немецкий ученый Георг Симон Ом заметил, что приборы выдают различную силу тока при использовании разных электрических цепей. Таким образом было доказано, что различные проводники имеют разное электрическое сопротивление. Формула расчета сопротивления проста. Отметим само сопротивление буквой R, L будет обозначать длину проводника, а S - площадь поперечного сечения. В этом случае сопротивление вычисляется по формуле R=L/S. Измеряется сопротивление в Омах.
Что такое постоянный ток и переменный ток
Собственно говоря, ответ на этот вопрос весьма прост. Постоянным током называется такой ток, в котором величина и направление практически не меняются во времени. Постоянный ток поэтому не имеет и частоты изменения. Потому, когда на производстве имеют в виду постоянный ток, то говорят о таком токе, у которого нулевая частота.
Вот мы и подошли к определению того, что такое переменный ток. Переменным током называется такой ток, который меняется за определенный промежуток времени по величине и направлению. Теперь поговорим о такой характеристике переменного тока, как частота.
Частота переменного тока
Частотой называется количество циклов изменения электрического тока за определенную единицу времени. Измеряют частоту переменного тока в Герцах (Гц). Так, частота промышленного тока в России и во многих других странах мира равна 50 Гц, а, например, в США используется переменный ток частотой 60 Гц.
И последнее, о чем хотелось бы рассказать: от чего зависит ток, точнее говоря - его определенные параметры. Отчасти мы уже ответили на этот вопрос. Как мы уже говорили, сила тока и сопротивление зависят от характеристик проводящих материалов, а частота - от способности переменного тока изменять свои характеристики. Что касается возникновения тока, то для этого должны быть соблюдены определенные условия, а именно: наличие движения заряженных частиц, которое может возникнуть как естественным, так и искусственным путем.
Урок посвящен рассмотрению понятия электрического напряжения, его обозначению и единицам измерения. Вторая часть урока отведена преимущественно для демонстрации приборов измерения напряжения на участке цепи и их особенностям.
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:
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.
Для измерения напряжения используют прибор, который называется вольтметр (рис. 2).
Рис. 2. Вольтметр ()
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.
 |
 |
 |
| () | () | () |
Рис. 3. Вольтметры
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.
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.
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.
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.
На следующем занятии мы узнаем, что такое электрическое сопротивление проводника.
Список литературы
- Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. - М.: Мнемозина.
- Перышкин А. В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
- Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.
Дополнительные р екомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Классная физика ().
- YouTube ().
- YouTube ().
Домашнее задание
На этой страничке кратко излагаются основные величины электрического тока. По мере необходимости, страничка будет пополняться новыми величинами и формулами.
Сила тока – количественная мера электрического тока, протекающего через поперечное сечение проводника. Чем толще проводник, тем больший ток может по нему течь. Измеряется сила тока прибором, который называется Амперметр. Единица измерения — Ампер (А). Сила тока обозначается буквой – I .
Следует добавить, что постоянный и переменный ток низкой частоты, течёт через всё сечение проводника. Высокочастотный переменный ток течёт только по поверхности проводника – скин-слою. Чем выше частота тока, тем тоньше скин-слой проводника, по которому течёт высокочастотный ток. Это касается любых высокочастотных элементов — проводников, катушек индуктивности, волноводов. Поэтому, для уменьшения активного сопротивления проводника высокочастотному току, выбирают проводник с большим диаметром, кроме того, его серебрят (как известно, серебро имеет очень малое удельное сопротивление).
Напряжение (падение напряжения) – количественная мера разности потенциалов (электрической энергии) между двумя точками электрической цепи. Напряжение источника тока – разность потенциалов на выводах источника тока. Измеряется напряжение вольтметром. Единица измерения — Вольт (В). Напряжение обозначается буквой – U , напряжение источника питания (синоним — электродвижущая сила) может обозначаться буквой – Е .
где U – падение напряжения на элементе электрической цепи, I – ток, протекающий через элемент цепи.
Рассеиваемая (поглощаемая) мощность элемента электрической цепи – значение мощности рассеиваемой на элементе цепи, которую элемент может поглотить (выдержать) без изменения его номинальных параметров (выхода из строя). Рассеиваемая мощность резисторов обозначается в его названии (например: двух ваттный резистор — ОМЛТ-2, десяти ваттный проволочный резистор – ПЭВ-10). При расчёте принципиальных схем, значение необходимой рассеиваемой мощности элемента цепи рассчитывается по формулам:
Для надёжной работы, определённое по формулам значение рассеиваемой мощности элемента умножается на коэффициент 1,5 , учитывающий то, что должен быть обеспечен запас по мощности.
Проводимость элемента цепи – способность элемента цепи проводить электрический ток. Единица измерения проводимости – сименс (См). Обозначается проводимость буквой — σ . Проводимость — величина обратная сопротивлению, и связана с ним формулой:
Если сопротивление проводника равно 0,25 Ом (или 1/4 Ом), то проводимость будет 4 сименс.
Частота электрического тока – количественная мера, характеризующая скорость изменения направления электрического тока. Имеют место понятия — круговая (или циклическая) частота — ω , определяющая скорость изменения вектора фазы электрического (магнитного) поля и частота электрического тока — f , характеризующая скорость изменения направления электрического тока (раз, или колебаний) в одну секунду. Измеряется частота прибором, называемым Частотомером. Единица измерения — Герц (Гц). Обе частоты связаны друг с другом через выражение:
Период электрического тока – величина обратная частоте, показывающая, в течение, какого времени электрический ток совершает одно циклическое колебание. Измеряется период, как правило, с помощью осциллографа. Единица измерения периода — секунда (с). Период колебания электрического тока обозначается буквой – Т . Период связан с частотой электрического тока выражением:
Длина волны высокочастотного электромагнитного поля – размерная величина, характеризующая один период колебания электромагнитного поля в пространстве. Измеряется длина волны в метрах (м). Длина волны обозначается буквой – λ . Длина волны связана с частотой и определяется через скорость распространения света:
Реактивное сопротивление катушки индуктивности (дросселя) – значение внутреннего сопротивления катушки индуктивности переменному гармоническому току на определённой его частоте. Реактивное сопротивление катушки индуктивности обозначается Х L и определяется по формуле:
Резонансная частота колебательного контура – частота гармонического переменного тока, на которой колебательный контур имеет выраженную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). Резонансная частота колебательного контура определяется по формуле.
Чем напряжение отличается от силы тока, сопротивления и мощности, можно воспользоваться такой аналогией. Представьте себе трубу, к которой приложено определенное давление газа или жидкости. Это давление - напряжения. От давления и будет зависеть количество вещества, проходящего через трубу за единицу времени. Здесь - аналог сопротивления, а количество вещества, проходящего через трубу за единицу времени - аналог силы тока. При этом, на трубе будет выделяться в виде тепла определенная мощность по причине трения. Это аналог тепловой мощности, выделяющейся на проводнике с током.
Напряжение измеряется в вольтах. Эта названа в честь итальянского ученого Алессандро Вольта, изобретателя одного из видов электрохимических источников тока. Тысяча вольт называется киловольтом, миллион вольт - киловольтом. Тысячная доля вольта носит название милливольта, миллионная - микровольтом.
Напряжение бывает постоянным и переменным. Во втором случае оно периодически меняет полярность с определенной частотой. У переменного напряжения имеется два значения: амплитудное и действующее. Первое характеризует размах колебаний, а второе - эквивалентное постоянное напряжение, которое выделило бы на такой же нагрузке ту же мощность. Соотношение между амплитудным и действующим значениями напряжения зависит от его формы. У синусоидального однофазного напряжения амплитудное значение превышает действующее в количество раз, равное корню из двух.
Понятие «опасное напряжение» не совсем верное. Опасность воздействия электричества на человека зависит не от напряжения, а от силы тока. Другое дело, что кожа имеет определенное сопротивление, и поэтому опасный ток в ней может возникнуть при определенном значении напряжения. Кожа разных людей имеет различное сопротивление, также оно зависит от психического и физического состояния. Поэтому порог опасного напряжения может меняться даже у одного и того же человека. При определенном напряжении кожа пробивается, и к источнику оказывается приложено значительно меньшее сопротивление подкожных слоев, что еще опаснее.
Помимо электрического существует также механическое напряжение. Оно возникает в конструкциях, к которым приложены внешние механические воздействия. К тому же, в некоторых конструкциях могут возникать еще на этапе изготовления внутренние напряжения. Если изготовить объект из прозрачного материала и поместить между двумя поляризаторами, можно определить наличие в них таких напряжений. А в переносном смысле напряжением называют напряженное состояние психики человека.
