§ 27. Сила струму. Одиниця сили струму. Амперметр

Ви вже знаєте, що для кількісного опису фізичних явищ, властивостей тіл і речовин фізики використовують фізичні величини. А за допомогою яких фізичних величин можна кількісно описати процес проходження електричного струму в провіднику? Про одну з них ви дізнаєтесь із цього параграфа.

1. З’ясовуємо, що називають силою струму

У металевому стрижні (металевому провіднику) є велика кількість носіїв струму — вільних заряджених частинок, а саме електронів.

Коли в стрижні не тече струм, рух електронів у ньому хаотичний. Тому можна вважати, що кількість електронів, які за одну секунду проходять через поперечний переріз стрижня (рис. 27.1) зліва направо, дорівнює кількості електронів, що проходять через нього справа наліво.

Рис. 27.1. Уявно розрізавши стрижень, одержуємо його поперечний переріз

Якщо приєднати стрижень до джерела струму, в провіднику виникне електричне поле, внаслідок дії якого електрони почнуть рухатися напрямлено і кількість електронів, які проходять за певний час через поперечний переріз в одному напрямку, істотно збільшиться. Отже, у цьому напрямку через поперечний переріз стрижня буде перенесено певний заряд q.

Сила струму — це фізична величина, що характеризує електричний струм і чисельно дорівнює заряду, який проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу.

Силу струму позначають символом І та визначають за формулою:

де q — заряд, який проходить через поперечний переріз провідника за час t.

Щоб краще усвідомити суть уведеної фізичної величини, знову звернемося до механічної моделі електричного кола (див. рис. 26.4). Механічним аналогом сили струму є маса води, що проходить через поперечний переріз трубки за 1 с.

Рис. 27.2. Андре Марі Ампер (1775-1836) — французький фізик, математик і хімік, один із засновників учення про електромагнітні явища. Ампер першим увів у фізику поняття електричного струму

2. Знайомимося з одиницею сили струму

Одиниця сили струму в СІ — ампер:

[I] = 1 А.

Ця одиниця названа на честь французького вченого А. Ампера (рис. 27.2). Ампер — одна з основних одиниць СІ (рис. 27.3).

Крім ампера на практиці часто застосовують кратні й частинні одиниці сили струму. Так, для вимірювання малої сили струму використовують міліампери (мА) і мікроампери (мкА), великої сили струму — кілоампери (кА).

Щоб уявити, що означає велика чи мала сила струму, розглянемо декілька прикладів. Сила струму в каналі блискавки сягає 500 кА, сила струму в аксоні під час передачі нервового імпульсу становить лише 0,004 мкА, а середня сила струму під час лікування електрофорезом — 0,8 мА.

Згадайте, яким множникам відповідають префікси кіло-, мікро-, мілі- та подайте наведені значення сили струму в амперах.

Рис. 27.3. Основні одиниці фізичних величин Міжнародної системи одиниць (СІ)

Рис. 27.4. Значення сили струму в деяких електротехнічних пристроях

Значення сили струму в деяких електротехнічних пристроях наведено на рис. 27.4.

Сила струму, що проходить через тіло людини, вважається безпечною, якщо її значення не перевищує 1 мА; сила струму 100 мА може призвести до серйозних уражень. Тому, щоб не наражатися на смертельну небезпеку під час роботи з електротехнічними приладами й пристроями, необхідно суворо дотримуватися правил безпеки. Загальну інструкцію з безпеки подано на форзаці підручника. Ми ж зупинимося на головних моментах, які слід пам’ятати всім, хто має справу з електрикою.

НЕ МОЖНА:

• торкатись оголеного проводу, особливо стоячи на землі, сирій підлозі тощо;
• користуватися несправними електротехнічними пристроями;
• збирати, розбирати, ремонтувати електротехнічні пристрої, не від’єднавши їх від джерела струму.

3. Даємо означення одиниці електричного заряду

1 Кл — це заряд, який проходить через поперечний переріз провідника за 1 с при силі струму в провіднику 1 А.

4. Вимірюємо силу струму

Для вимірювання сили струму використовують прилад, який називається амперметр (рис. 27.5).

Як і будь-який вимірювальний прилад, амперметр не має впливати на значення вимірюваної величини. Тому амперметр сконструйований таким чином, що в разі приєднання його до електричного кола значення сили струму в колі практично не змінюється.

Рис. 27.5. Деякі види амперметрів: а — демонстраційний; б — лабораторний із дзеркальною шкалою; в — шкільний лабораторний; г — електронний

Рис. 27.6. Вимірювання амперметром сили струму, який проходить через нитку розжарення лампи: а — загальний вигляд електричного кола; б — схема

Правила вимірювання сили струму амперметром

• 1. Амперметр вмикають у коло послідовно з тим споживачем, у якому необхідно виміряти силу струму (рис. 27.6).
• 2. Клему амперметра, біля якої стоїть знак «+», потрібно з’єднувати з проводом, що йде від позитивного полюса джерела струму, клему зі знаком «-» — із проводом, що йде від негативного полюса.
• 3. Не можна приєднувати амперметр до кола, в якому відсутній споживач струму, — це може призвести до псування обладнання або пожежі.

5. Учимося розв’язувати задачі

Задача. Скільки електронів пройде через поперечний переріз нитки розжарення лампи за 2 с, якщо сила струму в нитці становить 0,32 А?

Аналіз фізичної проблеми. Щоб визначити кількість N електронів, необхідно знати загальний заряд q, перенесений за 2 с, і заряд е одного електрона. Загальний заряд знайдемо з означення сили струму; заряд одного електрона дорівнює -1,6 • 10 -19 Кл.

Підбиваємо підсумки

Сила струму I — фізична величина, що характеризує електричний струм і чисельно дорівнює заряду q, який проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу:

Одиниця сили струму в СІ — ампер (А). Ампер — це одна з основних одиниць СІ. 1 Кл — це заряд, який проходить через поперечний переріз провідника за 1 с, коли сила струму в провіднику становить 1 А.

Силу струму вимірюють амперметром. Амперметр приєднують до електричного кола послідовно зі споживачем, у якому вимірюють силу струму.

Контрольні запитання

1. Що називають силою струму? 2. За якою формулою визначають силу струму? 3. Яка одиниця сили струму? На честь кого її названо? 4. Яке значення сили струму безпечне для людини? 5. Яких основних правил безпеки необхідно дотримуватися під час роботи з електротехнічними пристроями? 6. Дайте означення кулона. 7. Яким приладом вимірюють силу струму? 8. Які правила необхідно виконувати, вимірюючи силу струму?

Вправа № 27

1. Перенесіть схему електричного кола (рис. 1) до зошита. Покажіть на схемі, де можна приєднати амперметр, щоб виміряти силу струму в лампах. Знаками «+» і «-» позначте полярність клем амперметра.

Рис. 1

2. Сила струму в провіднику 200 мА. Протягом якого часу через поперечний переріз провідника проходить заряд, що дорівнює 24 Кл?

3. Накресліть схему електричного кола (рис. 2), позначте на ній полярність клем амперметра. Як, на вашу думку, зміниться показ амперметра, якщо одна з ламп перегорить?

Рис. 2

4. На рис. 3 показано вимірювання сили струму в електричному колі. Накресліть схему електричного кола, позначте полярність клем амперметра. Визначте заряд, який проходить через поперечний переріз нитки розжарення лампи за 10 хв.

Рис. 3

5. Чому дорівнює сила струму в провіднику, якщо за 10 с через його поперечний переріз проходить 2 • 10 20 електронів?

§ 25. Сила струму та її вимірювання. Амперметр

СИЛА СТРУМУ. Як ви знаєте з попередніх параграфів, наявність електричного струму в металевому провіднику виявляється через його теплову, хімічну, магнітну, фізіологічну дію. Ця дія може бути або сильнішою, або слабшою. Одна й та сама електрична лампа може світитися менш або більш яскраво при підключенні до різних джерел електричного струму. Чим більше значення електричного струму в елементі електричного кола, тим сильніше виявляється дія струму. Величина електричного струму в провіднику залежить від кількості електронів (електричного заряду), що проходять через його поперечний переріз за одиницю часу, і характеризується силою струму.

Андре-Марі Ампер (1775—1836)

Видатний французький математик фізик і природодослідник, член Паризької академії наук. Автор наукової фізичної теорії, яка пояснює взаємозв’язок електричних і магнітних явищ. А. М. Ампер увів поняття «електричний струм». Учений так захоплювався фізикою, що одного разу вийшовши з дому, написав на дверях крейдою для відвідувачів «Пана Ампера немає вдома», а повернувшись додому, прочитав власний напис і пішов геть

Силою струму I називають фізичну величину, що характеризує електричний струм у колі й дорівнює відношенню електричного заряду q, що пройшов через поперечний переріз провідника, до часу його проходження t:

Одиницею сили струму є ампер [I] = А (названий так на честь відомого французького фізика Андре Ампера)

Ампер є основною одиницею СІ. На Міжнародній конференції у 1948 р. було вирішено покласти в основу визначення одиниці сили струму явище взаємодії двох паралельних провідників зі струмом. Для встановлення одиниці сили струму беруть два гнучкі довгі провідники, розташовані паралельно один одному. Ці провідники під’єднують до джерела електричного струму таким чином, щоб струм проходив по них в одному напрямі. При замиканні кола провідники будуть притягуватися один до одного з певною силою (рис. 25.1).

Рис. 25.1. Провідники притягуються при проходженні через них струму в одному напрямі

Якщо провідники під’єднати до джерела так, щоб струм по них протікав у різних напрямках, вони будуть відштовхуватися з такою самою силою. Сила взаємодії паралельних провідників зі струмом залежить від їх довжини, відстані між ними, сили струму в них, середовища, в якому вони розміщені. Чим більша сила струму, тим більшою буде сила взаємодії провідників.

За 1 ампер беруть таку силу струму, за якої відрізки двох паралельних провідників завдовжки 1 м, розташовані на відстані 1 м один від одного, взаємодіють у вакуумі із силою 2 • 10 -7 Н.

Для практичних потреб використовують також частинні й кратні одиниці сили струму: міліампер (1 мА = 10 -3 А), мікроампер (1 мкА = 10 -6 А), кілоампер (1 кА = 10 3 А).

Через одиницю сили струму ампер визначають одиницю електричного заряду кулон: 1 кулон = 1 ампер • 1 секунда (1 Кл = 1 А • 1 с). За одиницю електричного заряду приймають заряд, який проходить через поперечний переріз провідника за 1 с при силі струму 1 А.

Електричний заряд, що проходить через поперечний переріз провідника, називають також кількістю електрики: q = I • t.

ВИМІРЮВАННЯ СИЛИ СТРУМУ. АМПЕРМЕТР. Для вимірювання сили струму в електричному колі використовують спеціальні прилади — амперметри (рис. 25.2).

Рис. 25.2. Амперметри: а) демонстраційний; б) лабораторний; в) цифровий

Принцип дії амперметрів (див. рис. 25.2 а, б) ґрунтується на магнітній дії електричного струму. Стрілка амперметра кріпиться до котушки, розташованої в магнітному полі постійного магніту. При підключенні амперметра до електричного кола через котушку проходить електричний струм. Унаслідок магнітної взаємодії котушка з прикріпленою до неї стрілкою повертаються на певний кут. Чим більший струм в електричному колі, тим більшим буде кут відхилення стрілки амперметра.

Для вимірювання сили струму в певній ділянці кола потрібно його розімкнути у будь-якій точці цієї ділянки й під’єднати послідовно амперметр. На рис. 25.3 показано приклад вимірювання сили струму на ділянці кола між лампочкою та ключем. Якщо порівняти покази амперметра, підключеного до різних ділянок кола (див. рис. 25.3), виявиться, що вони будуть однаковими, оскільки через будь-який переріз кола, включно з джерелом, проходить однаковий електричний заряд.

Отже, амперметр під’єднують до джерела струму послідовно зі споживачем (резистором, електролампою тощо) таким чином, щоб знаки «+» та «-» на корпусі вимірювального приладу збігалися з відповідними полюсами джерела струму.

Розглянемо детальніше шкалу вимірювального приладу (рис. 25.4). На ній є літера А, яка вказує, що цей вимірювальний прилад — амперметр.

Рис. 25.3. Вимірювання сили струму амперметром: а) амперметр вмикається в електричне коло послідовно; б) покази амперметра в різних точках електричного кола однакові

Рис. 25.4. Шкала амперметра

Відповідно до рис. 25.4 стрілка приладу відхилилася на 23 поділки, отже, амперметр показує силу струму:

У радіотехніці використовують мілі- та мікроамперметри, на шкалах яких зображено відповідно mA, μΑ. Максимальне значення сили струму, що вимірюється міліамперметром, зазвичай не перевищує, 0,5—1 А, мікроамперметром — 1 мА. Для забезпечення точності вимірювань шкала таких приладів містить 100 та більше поділок (рис. 25.5).

Рис. 25.5. Мілі- та мікроамперметри використовують для вимірювання малих струмів

Головне в цьому параграфі

Силою струму l називають фізичну величину, що характеризує електричний струм у колі й дорівнює відношенню електричного заряду q, що пройшов через поперечний переріз провідника, до часу його проходження t:

Один ампер відповідає такій силі струму, за якої відрізки двох паралельних провідників завдовжки 1 м, розташовані на відстані 1 м один від одного, взаємодіють у вакуумі з силою 2 • 10 -7 Н.

Для вимірювання сили струму в електричному колі використовують спеціальні прилади — амперметри. Амперметр під’єднують до джерела струму послідовно зі споживачем (резистором, електролампою тощо) таким чином, щоб знаки «+» та «-» на корпусі вимірювального приладу збігалися з відповідними полюсами джерела струму.

Виміряне значення сили струму в електричному колі дорівнює добутку ціни поділки шкали приладу на кількість поділок, на яку відхилилася стрілка приладу.

Запитання для самоперевірки

• 1. Від чого залежить дія електричного струму?
• 2. Яку фізичну величину називають силою струму?
• 3. Як сила струму залежить від електричного заряду, що проходить через провідник, і часу?
• 4. Який учений-фізик увів поняття «електричний струм»?
• 5. В яких одиницях Міжнародної системи вимірюється сила струму? Яким чином визначають цю одиницю?
• 6. Яким приладом вимірюють силу струму в електричному колі?
• 7. Які особливості включення амперметра в електричне коло?
• 8. Для чого використовують мілі- та мікроамперметри?

Вправа до § 25

• 1(п). Вкажіть електричну схему на якій правильно зображено підключення амперметра в електричне коло.

• 2(c). Назвіть прилади, зображені на рисунку на с. 181, та встановіть ціну їх поділки.

Рисунок до завдання 2

• 3(д). Визначте силу струму в провіднику, якщо за 20 с через поперечний переріз провідника проходить електричний заряд 68 Кл.
• 4(д). Через електричний прилад, увімкнений в електричне коло, проходить електричний струм силою 8 мкА. Визначте електричний заряд, що проходить через цей прилад за 12 хв.
• 5(д). Визначте час проходження електричного струму по провіднику, якщо при силі струму 0,5 А по провіднику пройшов електричний заряд 7,7 Кл.
• 6(в). Визначте кількість електронів, що проходять за 1 с через переріз металевого провідника при силі струму в ньому 0,8 мкА.