Сила тока
| Сила тока | |
|---|---|
| [[Файл:[math]\displaystyle{ \ I }[/math], [math]\displaystyle{ \ J }[/math]|274x400px|frameless]] | |
| Размерность | I |
| Единицы измерения | |
| СИ | А |
| Примечания | |
| скалярная величина | |
Сила тока, также просто ток — скалярная физическая величина, равная отношению электрического заряда [math]\displaystyle{ dQ }[/math], прошедшего через определённую поверхность за бесконечно малый промежуток времени [math]\displaystyle{ dt }[/math], к длительности этого промежутка[1][2][3]:
- [math]\displaystyle{ I=\frac{dQ}{dt} }[/math]
В качестве поверхности обычно рассматривается сечение проводника.
Выбор буквенного обозначения соответствует французскому названию величины (фр. intensité du courant); реже используется символ [math]\displaystyle{ J }[/math].
Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (обозначение: А), ампер является одной из семи основных единиц СИ. 1 А = 1 Кл/с.
Понятие силы тока широко используется в задачах электротехники и схемотехники. Величина [math]\displaystyle{ I }[/math] входит в закон Ома для участка цепи.
Несмотря на наличие слова «сила» в наименовании понятия, сила тока не является силой ни по смыслу, ни по размерности.
Сила тока и плотность тока
Сила тока связана с плотностью тока через соотношение
- [math]\displaystyle{ I = \int\vec{j}\cdot d\vec{S} }[/math].
Точка означает скалярное произведение, [math]\displaystyle{ d\vec{S} }[/math] — векторный элемент площадки (элемент площади поверхности [math]\displaystyle{ dS }[/math], домноженный на единичный вектор нормали к ней [math]\displaystyle{ \vec{e}_n }[/math]) а интегрирование выполняется по всей площади сечения. В простейшем случае, когда ток течёт равноплотно, а сечение перпендикулярно плотности тока (то есть [math]\displaystyle{ \vec{j}\parallel\vec{e}_n }[/math]) будет [math]\displaystyle{ I = j\,S }[/math].
Силой тока чаще оперируют в технических приложениях, а плотностью тока — в физических задачах, посвящённых анализу поведения носителей заряда.
Происхождение тока
За протекание тока ответственно упорядоченное движение заряженных частиц, в роли которых обычно выступают электроны, ионы или дырки. Плотность тока представляет собой плотность потока этих частиц. Она зависит от их заряда [math]\displaystyle{ q }[/math], концентрации [math]\displaystyle{ n }[/math] и средней скорости упорядоченного движения [math]\displaystyle{ \vec{v}_{av} }[/math]. Если наличествует только один сорт частиц, то[4] [math]\displaystyle{ \vec{j} = qn\vec{v}_{av} }[/math]. Сила тока является потоком вектора [math]\displaystyle{ \vec{j} }[/math].
Постоянный и переменный ток
Если [math]\displaystyle{ I }[/math] не меняется со временем, ток называется постоянным, а при наличии зависимости [math]\displaystyle{ I(t) }[/math] — переменным.
В случае переменного тока различают мгновенную силу тока [math]\displaystyle{ I=dQ/dt }[/math], среднюю (за некоторый конечный промежуток времени [math]\displaystyle{ \Delta t }[/math]) силу тока [math]\displaystyle{ I_{av}=\Delta Q/\Delta t }[/math], амплитудную (пиковую) силу тока [math]\displaystyle{ I_m }[/math] и эффективную силу тока (равную силе постоянного тока, который выделяет такую же мощность) [math]\displaystyle{ I_{eff} = (T^{-1}\int I^2(t)dt)^{1/2} }[/math], где [math]\displaystyle{ T }[/math] — достаточно большое время интегрирования.
Закон Ома
.png)
По закону Ома сила тока [math]\displaystyle{ I }[/math] для участка цепи пропорциональна приложенному к участку цепи напряжению [math]\displaystyle{ U }[/math] и обратно пропорциональна сопротивлению [math]\displaystyle{ R }[/math] проводника этого участка цепи:
- [math]\displaystyle{ I = \frac{U}{R} }[/math].
По закону Ома для полной цепи,
- [math]\displaystyle{ I = \frac{\varepsilon}{R+r} }[/math],
где [math]\displaystyle{ r }[/math] — внутреннее сопротивление источника электродвижущей силы [math]\displaystyle{ \varepsilon }[/math].
Мощность, выделяемая на омической нагрузке, рассчитывается как
- [math]\displaystyle{ P = U I }[/math].
Пользуясь законом Ома, её можно выразить через другие величины. На диаграмме справа представлена взаимосвязь величин [math]\displaystyle{ U }[/math], [math]\displaystyle{ I }[/math], [math]\displaystyle{ R }[/math], [math]\displaystyle{ P }[/math].
Измерение силы тока
Для измерения силы тока используют специальный прибор — амперметр (для приборов, предназначенных для измерения малых токов, также используются названия миллиамперметр, микроамперметр, гальванометр). Его включают в разрыв цепи[5] в том месте, где нужно измерить силу тока. Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении).
Примечания
- ↑ ФЭ, 1994, с. 496.
- ↑ БЭСФ, 1998, с. 677.
- ↑ Мякишев Г. Я.,. Физика. 10 класс : учеб. для общеобразовательны. учреждений: базовый и просил. уровня. — 19-е изд.. — М.: Просвещение, 2010. — С. 290. — 366 с. — ISBN 978-5-09-022776-6.
- ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 173—174. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3.
- ↑ Силу переменного тока можно измерять без разрыва цепи с помощью измерительного прибора под названием токоизмерительные клещи. Современные приборы такого типа могут измерять и силу постоянного тока.
Литература
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 173—174. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3.
- Физическая энциклопедия. — Москва: Советская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — ISBN 978-5-85270-087-2.
- Физика: большой энциклопедический словарь / А. М. Прохоров (ред.). — 4-е (репр.) изд.. — Москва: Большая российская энциклопедия, 1998. — (Большие энциклопедические словари). — ISBN 978-5-85270-306-4.