Как отыскать ток через напряжение

При прохождении тока в цепи электрическое поле совершает работу по перемещению заряда. В данном случае работу электрического поля именуют 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 хоть какой из этих величин можно применять приведённый ниже набросок.
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 .

Дабы выразить всякую из величин из данной формулы, можно пользоваться 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 необходимы вольтметр, амперметр и часы. К примеру, для определения работы, которую совершает электрический ток, проходя по спирали лампы накаливания, нужно собрать цепь, изображённую на рисунке. Вольтметром измеряется напряжение на лампе, амперметром — сила тока в ней. А с помощью 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
Направь внимание!
Работа в большинстве случаев выражается в килоджоулях либо мегаджоулях.

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

Для потребителей электроэнергии есть приборы, дозволяющие в границах 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 . Дабы отыскать мощность электрического тока, нужно поступить точно также, т.е. работу тока, A = U ⋅ I ⋅ t , поделить на время.

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

Из этой формулы можно найти и другие физические величины.
Для удобства можно применять приведённый ниже набросок.

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, либо \(1\) Вт = \(1\) В ∙ А.
Направь внимание!

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

Измерим силу тока в цепи при помощи амперметра, а напряжение на участке — при помощи вольтметра.

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 определяют мощность электрического тока, протекающего через устройство. По собственному предназначению и техническим чертам ваттметры многообразны.

Зависимо от сферы использования 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, поначалу одну, потом 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 вчетверо больше — \(0,4\) А. Напряжение в этом опыте постоянно и равно \(220\) В. Просто можно увидеть, что лампочка в \(100\) ватт светится еще 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. Означает:

Направь внимание!
Мощность прямо пропорциональна силе тока.

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

Рис. \(8\). Лампа, присоединенная к источнику тока с разным напряжением

Можно увидеть, что при большем напряжении лампочка светится ярче, означает, в данном случае её мощность будет больше. Поэтому:

Направь внимание!
Мощность находится в зависимости от напряжения.
Рассчитаем мощность лампочки в каждом случае:

Можно прийти к выводу о том, что при увеличении напряжения в \(2\) раза мощность возрастает 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 (обозначено на баллоне, цоколе либо упаковке).

Как отыскать ток через напряжение

Чертой тока в цепи служит величина, именуемая силой тока ( I ). Сила тока – физическая величина, характеризующая скорость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда q, прошедшeгo через пoперeчное сечение проводника за промежуток времени t, к этому промежутку времени: I = q/t . Единица измерения силы тока – 1 ампер (1 А).

Определение единицы силы тока основано на магнитном действии тока, а именно на содействии параллельных проводников, по которым идёт электрический ток. Такие проводники притягиваются, если ток по ним идёт в одном направлении, и отталкиваются, если направление тока в них обратное.

За единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной 1 м, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, ведут взаимодействие с силой 2*10 -7 Н. Эта единица и именуется ампером (1 А).

Зная формулу силы тока, можно получить единицу электрического заряда: 1 Кл = 1А * 1с.

Амперметр

Устройство, при помощи которого определяют силу тока в цепи, именуется амперметром. Его работа базирована на магнитном действии тока. Главные части амперметра магнит и катушка. При прохождении по катушке электрического тока она в итоге взаимодействия с магнитом, поворачивается и поворачивает соединённую с ней стрелку. Чем больше сила тока, проходящего через катушку, тем посильнее она ведет взаимодействие с магнитом, тем больше угол поворота стрелки. Амперметр врубается в цепь последовательно с тем устройством, силу тока в каком необходимо измерить, и поэтому он имеет маленькое внутреннее сопротивление, которое фактически не оказывает влияние на сопротивление цепи и на силу тока в цепи.

У клемм амперметра стоят знаки «+» и «—», при включении амперметра в цепь клемма со знаком «+» присоединяется к положительному пoлюсу источника тока, а клемма со знаком «—» к отрицательному пoлюсу истoчникa тока.

Напряжение

Источник тока создаёт электрическое поле, которое приводит в движение электрические заряды. Чертой источника тока служит величина, именуемая напряжением. Чем оно больше, тем посильнее сделанное им поле. Напряжение охарактеризовывает работу, которую совершает электрическое поле по перемещению электрического заряда.

Напряжение ( U ) — это физическая величина, равную отношению работы (А) электрического поля по перемещению электрического заряда к заряду (q): U = A/q .

Может быть другое определение понятия напряжения. Если числитель и знаменатель в формуле напряжения помножить на время движения заряда (t), то получим: U = At/qt. В числителе этой дроби стоит мощность тока (Р), а в знаменателе — сила тока (I). Выходит формула: U = Р/I , т.е. напряжение — это физическая величина, равная отношению мощности электрического тока к силе тока в цепи.

Единица напряжения: [U] = 1 Дж/1 Кл = 1 В (один вольт).

Вольтметр

Напряжение определяют вольтметром. Он имеет такое же устройство, что и амперметр и таковой же принцип деяния, но он подключается параллельно тому участку цепи, напряжение на котором желают. Внутреннее сопротивление вольтметра довольно огромное, соответственно проходящий через него ток мал по сопоставлению с током в цепи.

У клемм вольтметра стоят знаки «+» и «—», при включении вольтметра в цепь клeмма со знаком «+» присоединяется к положительному полюсу источника тока, а клеммa со знаком «—» к отрицательному полюсу источника тока.

Формулы и определения.

1. Все проводники, применяемые в электрических цепях, имеют условные обозначения для изображения на схемах и могут создавать последовательные, параллельные и смешанные соединения.

2. Мощность тока – физическая величинa, хаpактеpизующая скорость перевоплощения электроэнергии в другие её виды. Единица для измерения – 1 ватт (1 Вт). Измерительный устройство – ваттметр.

3. Сила тока – физическaя вeличина, характеpизующaя скоpость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда, пpoшедшего через попеpeчное сечение проводника, ко времени перемещения. Единица – 1 ампер (1 А). Измерительный устройство – амперметр (подключают последовательно).

4. Электрическое напряжение – физическaя вeличина, характеризующая электрическое поле, создающее ток, и равная отношению мощности тока к его силе. Единица – 1 вольт (1 В). Измерительный устройство – вольтметр (подключают параллельно)

5. Работа тока – физичeская величинa, хаpактеpизующая количество электроэнергии, преобразовавшейся в другие виды энергии. Единица – 1 джоуль (1 Дж). Измерительный устройство – электрический счётчик, использующий единицу 1 киловатт-час (1 кВт·ч).

Зависимость силы тока от напряжения — формула, график и законы

Базовой связью в электричестве является зависимость силы тока от напряжения. Благодаря этому закону, экспериментально установленном Омом в 1826 году, сделаны разные измерительные приборы. Удалось изучить физику недлинного замыкания. Формулу можно использовать для систем, которые зависят от электросопротивления. Пожалуй, разработка хоть какой электрической сети невозможна без применения этого открытия.

• Общие сведения
• Доказательство закона Ома
• График зависимости
• Простые задачи

Общие сведения

Хоть какое физическое тело состоит из молекул и атомов. Эти частички ведут взаимодействие между собой. Они могут притягиваться друг к другу либо отталкиваться. В изолированной системе простые частички являются носителями заряда. В умеренном состоянии, другими словами когда на тело не оказывается наружного воздействия, алгебраическая сумма энергии частиц всегда неизменная величина. Это утверждение именуется законом сохранения электрического заряда.

Частички беспорядочно могут передвигаться по кристаллической решётке, но их движение компенсируется. Потому ток не появляется. Но если к телу приложить внешнюю силу, то свободные электроны начинают двигаться в одну сторону. Это упорядоченное движение заряженных частиц и именуют электрическим током. Количественно его можно обрисовать через силу.

Упорядочено заряды принуждает двигаться электрическое поле, вдоль линий которого и происходит перемещение. В первый раз этот термин ввёл Фарадей. Он смог узнать, что вокруг любого носителя существует особенный вид материи, влияющий на поведение других частиц. За силовую характеристику электрического поля было взято отношение действующей силы к величине заряда, помещённого в данную точку: E = F / q. Окрестили эту характеристику напряжённостью.

Исследование поля позволило экспериментально открыть принцип суперпозиции. Другими словами установить, что напряжённость поля, сделанного системой зарядов, равна геометрической сумме величин, имеющихся у отдельных носителей: E = Σ E1 + E2 +…+ En. Напряжённость прямо пропорциональна напряжению, которое, в свою очередь, приравнивается разности потенциалов между 2-мя точками.

На самом деле, это работа электрического поля, совершаемая для переноса единичного заряда из 1-го места в другое: U = A / q = E * d, где d – расстояние между точками. Значение напряжения находится в зависимости от нескольких причин:

• строения тела;
• температуры;
• сопротивления.

Самое большее воздействие оказывает последняя величина. Конкретно она охарактеризовывает способность материала препятствовать прохождению тока, другими словами определяет проводимость. Сопротивление находится в зависимости от длины проводника и его сечения: R = (p * l) / S, где p – параметр оборотный удельной проводимости (справочное значение). Он численно приравнивается сопротивляемости однородного проводника единичной длины и площади сечения.

Доказательство закона Ома

Бум исследования электрических явлений пришёлся на конец XVIII – начало XIX веков. Такие Исследователи, как Фарадей, Ампер, Вольт, Эрстед, Кулон, Лачинов, Ом провели ряд тестов, которые дозволили Максвеллу сделать теорию электромагнитных явлений.

Гигантскую роль в открытии новых познаний сыграл опыт Ома исследовавшего, от чего зависит сила тока в цепи. Германский физик ставил опыты над проводимостью разных материалов. Для этого он использовал электрическую цепь, в разрыв которой подключал проводники разной длины и замерял силу тока.

Вначале учёный не сумел установить закономерность. Всё дело в том, что для собственных опытов Ом использовал хим батарею. Друг учёного Поггендорф предложил взять термоэлектрический источник тока. В конечном итоге физик сумел проследить зависимость. Обрисовал он её так: личное от a, разделённого на l + b, где b определяет интенсивность воздействия на проводника длиною l, причём a и b — неизменные, зависящие соответственно от действующей силы и сопротивления частей цепи.

Обычно при исследовании закона в седьмом классе средней школы учитель показывает эту зависимость на практических уроках. Для этого дабы ученики убедились в справедливости утверждения, педагог собирает электрическую цепь, в состав которой входят:

• вольтметр – устройство для измерения напряжения, врубается параллельно измеряемому проводнику;
• амперметр – устройство для замера тока, подключается последовательно с измеряемым телом;
• регулируемый источник электродвижущей силы (ЭДС).

Сущность опыта заключается в подключении проводников с разной длиной. Измеренные результаты вносят в таблицу. Она обязана иметь приблизительно следующий вид:

Проведя анализ таблицы, можно прийти к выводу. Если для любого тела напряжение поделить на подобающую ему силу тока, то получится одно и то же число. Поэтому, это отношение является свойством проводника. Для первого оно равно двум, второго – 5, а третьего – 10. При одинаковых токах в 3-ем случае число больше, означает, это тело оказывает большее сопротивление току.

Приобретенные значения по факту и являются величинами, оборотными проводимости. Обозначают их буковкой R (resistance).

График зависимости

По результатам опыта Ом выстроил график зависимости силы тока от сопротивления, который припоминает собой левую часть параболы. Современная запись закона Ома имеет вид: I = U / R. Звучит она следующим образом: ток прямо пропорционален напряжению и назад пропорционален электрическому сопротивлению.

Но при разработке устройств либо исследовании участка цепи перед учёными и инженерами стоит задачка, сначала, узнать зависимость тока от напряжения. Потому ими строится график, в каком по оси абсцисс откладывают значение потенциала, а ординат — силы тока. В конечном итоге если отложить надлежащие точки, то должна получиться ровная линия. Это гласит о том, что зависимость величин линейная. Другими словами во сколько раз возрастает напряжение, во столько же растет сила тока.

Такового вида график именуется вольт-амперной чертой (ВАХ). Но при реальных измерениях изменение ток зависит ещё от температуры. Установлено, что при нагреве сопротивление проводника возрастает. Потому ровная на ВАХ будет иметь наименьший угол наклона. Не считая того, ток может быть 2-ух видов:

• неизменный – сила не меняется от времени;
• переменный – изменяющийся по синусоидальному закону.

Поток носителей заряда для второго вида описывается гармоническим законом: I(t) = Im * cos (wt + f), где: w – повторяющаяся частота, f – сдвиг фаз относительно напряжения, Im – наибольшее значение тока. Тогда изменение напряжения во времени можно записать так: U(t) = Um * cos (wt). В данном случае закон Ома воспримет вид: I = U / Z, где Z – полное сопротивление цепи.

График зависимости силы тока от времени, вобщем, как и напряжения, будет представлять собой синусоиду. Если отложить их на одном рисунке, то при активном сопротивлении (резистор) фазы величин будут совпадать вместе. В схеме, содержащей реактивные составляющие, а это ёмкость, и индуктивность, фаза тока соответственно будет опережать и отставать от напряжения. Угол конфигурации составит девяносто градусов.

Графики зависимости позволяют найти мощность. Выполнить это можно, воспользовавшись формулой: P = U * I * cos(f). Дабы выстроить график мощности, необходимо аппроксимировать на ось t точки синусоиды I(t) и U(t), в каких характеристики изменяют свой символ.

Черта P(t) будет также описываться по гармоническому закону. Причём в каждой этой точке линя изменит направление.

Простые задачи

Зависимость, установленную экспериментальным путём, обширно применяют при проектировании электронных схем разных устройств. При помощи закона Ома рассчитывают необходимое сопротивление резисторов для той либо другой цепи, вычисляют значение тока при определённом напряжении.

Вот некоторые из таких заданий:

1. Пусть имеется схема, подключённая к источнику, выдающему 60 вольт. Найти, какой ток потечёт через резистор 30 Ом. Согласно правилу, связывающему три базовых величины: I = U / R. Так как по условию все нужные данные известны, то нужно их просто подставить в формулу и выполнить вычисления: I = 60 В / 30 Ом = 2 А. Задачка решена. Ответ: через резистор потечёт ток равный двум амперам.
2. Выстроить графики зависимости для 2-ух проводников имеющих сопротивление 5 и пятнадцать ом. В задании нужна нарисовать ВАХ. Так как напряжения не указаны, то их можно брать хоть какими. Используя формулу Ома, необходимо найти ток для случайных значений потенциала. График зависимости – ровная. Означает, необходимо отложить две точки. Дабы верно разметить значения нужно избрать масштаб. Потому сначала следует посчитать наибольшее значение тока. Пусть за наибольшее напряжение будет принято U = 50 В. Тогда, Im1 = 50 / 5 = 10 А, Im2 = 50 / 10 = 5 А. Сейчас остается отложить приобретенный итог на графике и провести линию через ноль и эти точки.
3. Найти ток, потребляемый электрочайником, если его спираль имеет сопротивление 40 Ом, а напряжение сети равно 220 вольт. Пример решается по обычный формуле: I = U / R = 220 В / 40 Ом = 5, 5 А. Задачка решена.
4. В вольтметре, показывающем 120 вольт, ток составляет 15 миллиампер. Отыскать сопротивление устройства. Из формулы зависимости можно выразить сопротивление. Оно будет равно: R = U / I. При всем этом, дабы получить верный ответ, миллиамперы следует перевести в амперы. Решение будет иметь вид: R = 120 В / 15 * 10 -3 А = (120 * 10 3 ) / 15 = 8 * 10 3 Ом = 8 кОм. Итак, внутреннее сопротивление вольтметра составит восемь килоом.

Необходимо подчеркнуть, что в школьных задачках не учитываются свойства источника тока.

По дефлоту считают, что он имеет нескончаемо маленькое внутреннее сопротивление. Но по сути это не так. Электродвижущая сила генератора электроэнергии затрачивается как на внутренние, так и наружные утраты. Потому формула закона Ома для полной цепи имеет вид: I = (U0 + U) / R + r, где: U0 – внутреннее падение напряжения, r0 – сопротивление источника.