Для більшості людей електричний струм — це щось із категорії магії поза Гоґвортсом. Насправді, це лише впорядкованість природних явищ і більше нічого. Давайте переходити в категорію меншини, що розбирається.
Електричний струм
По дротах тече електричний струм. Причому він саме тече, практично як вода. Уявимо, що ви щасливий фермер, який вирішив полити свій город зі шланга. Ви трохи відчинили кран, і вода відразу ж побігла шлангом. Повільно, але таки побігла.
Сила струменя дуже слабка. Потім ви вирішили, що напір потрібен якомога більше і відкрили кран на повну котушку. В результаті струмінь хлине з такою силою, що жоден помідор не залишиться поза увагою, хоча в обох випадках діаметр шланга однаковий.
А тепер уявіть, що ви наповнюєте два відра із двох шлангів. У зеленого напір сильніший, у жовтого — слабший. Швидше наповниться відро, в яке ллється вода зі шланга з сильним натиском. Справа в тому, що обсяг води за рівний проміжок часу з двох різних шлангів теж різний. Іншими словами, із зеленого шланга кількість молекул води вибіжить набагато більше, ніж із жовтого за рівний період часу.
Якщо ми візьмемо провідник зі струмом, то відбуватиметься те саме: заряджені частинки рухатимуться провідником, як і молекули води. Якщо більше заряджених частинок рухатиметься по провіднику, то напір теж збільшиться.
Електричний струм — це спрямований рух заряджених частинок.
Сила струму
Відразу виникає потреба у величині, якою ми будемо «напір» електричного струму вимірювати. Така, щоб вона залежала від кількості частинок, що протікають провідником.
Сила струму — це фізична величина, яка показує, який заряд пройшов через провідник за одиницю часу.
Як позначається сила струму? Сила струму позначається буквою I.
| Сила струму I = q/t I — сила струму [A] q — заряд [Кл] t — час [с] |
Сила струму вимірюється в амперах. Одиниця виміру вибрана не просто так.
По-перше, її назвали на честь фізика Андре-Марі Ампера, який займався вивченням електричних явищ. А по-друге, одиниця цієї величини обрана на основі явища взаємодії двох провідників.
Тут аналогії з водопроводом провести, на жаль, не вдасться. Шланги з водою не притягуються та не відштовхуються поблизу один одного (а шкода, було б кумедно).
Коли струм проходить двома паралельними провідниками в одному напрямку, провідники притягуються. А коли в протилежному напрямку (за цими ж провідниками) – відштовхуються.
За одиницю сили струму 1 А приймають силу струму, при якій два паралельні провідники завдовжки 1 м, розташовані на відстані 1 м один від одного у вакуумі, взаємодіють із силою 0,0000002 Н.
Завдання
Знайти силу струму в ланцюзі, якщо за 2 секунди в ньому проходить заряд 300 мКл.
Рішення:
Візьмемо формулу сили струму
I = q/t
Підставимо значення
I = 300 мКл/2 с = 150 мА
Відповідь: сила струму в ланцюзі дорівнює 150 мА
Провідники та діелектрики
Деякі ділять світ на чорне та біле, а ми – на провідники та діелектрики.
- Провідники – це матеріали, що проводять електричний струм. Найкращими провідниками є метали.
- Діелектрики – матеріали, що не проводять електричний струм. Ізі!
| Провідники | Діелектрики |
| Мідь, залізо, алюміній, олово, свинець, золото, срібло, хром, нікель, вольфрам | Повітря, дистильована вода, полівінілхлорид, бурштин, скло, гума, поліетилен, поліпропілен, поліамід, сухе дерево, каучук |
Те, що діелектрик не проводить електричний струм, не означає, що він не може накопичувати заряд. Накопичення заряду не залежить від можливості його передавати.
Напрямок струму
Раніше у підручниках з фізики писали так: колись давно вирішили, що струм спрямований від плюса до мінуса, а потім дізналися, що по дротах течуть електрони. Але електрони ці – негативні, а отже, до мінуса йти не можуть. Але коли вже домовилися про напрям, то залишимо, як є. Питання тоді виникало у всіх: чому не можна змінити напрямок струму? Але відповіді так ніхто й не отримав.
Зараз пишуть трохи інакше: позитивні частинки течуть провідником від плюса до мінуса, туди і направлений струм. Тут запитань ні в кого не виникає.
| Тож і яка версія вірна? Насправді обидві. Носії заряду у кожному типі матеріалу різні. У металах це електрони, в електролітах іони. У кожного типу частинок свої знаки та потреба в тому, щоб бігти до протилежно зарядженого полюса джерела струму. Не будемо ми для кожного типу матеріалу вибирати напрямок струму, щоб вирішити задачу! Тому прийнято спрямовувати струм від плюса до мінуса. У більшості завдань шкільного курсу напрямок струму ролі не грає, але є та сама підступна меншість, де цей момент буде дуже важливим. Тому запам’ятайте – спрямовуємо струм від плюса до мінуса. |
Джерело струму
Вода в шлангу береться з водопроводу, ключа у землі — загалом, не звідки. Електричний струм теж має джерело.
Як джерело може виступити, наприклад, гальванічний елемент (звичайна батарейка). Батарейка працює на основі хімічних реакцій усередині неї. Ці реакції виділяють енергію, яка потім передається електричному ланцюue.
У будь-якого джерела обов’язково є полюси — «плюс» та «мінус». Полюси – це його крайні положення. Насправді клеми, яких приєднується електрична ланцюг. Власне, струм якраз тече від «+» до «-».
Амперметр
Ми знаємо, куди струм спрямований, у чому вимірюється сила струму, як її обчислити, знаючи заряд і час, за який пройшов цей заряд. Залишилося лише виміряти.
Прилад для вимірювання сили струму називається амперметр. Його включають в електричний ланцюг послідовно з тим провідником, в якому струм вимірюють.
Амперметри бувають дуже різними за принципом дії: електромагнітні, магнітоелектричні, електродинамічні, теплові та індукційні — і це лише найпоширеніші.
Ми розглянемо лише принцип дії теплового амперметра, тому що для розуміння принципу дії інших пристроїв необхідно знати, що таке магнітне поле та котушки.
Тепловий амперметр заснований на властивості струму нагрівати дроти. Влаштований так: до двох нерухомих затискачів приєднаний тонкий дріт. Цей тонкий дріт відтягнутий вниз шовковою ниткою, пов’язаною з пружиною. По дорозі ця нитка петлею охоплює нерухому вісь, де закріплена стрілка. Вимірюваний струм підводиться до нерухомих затискачів і проходить через дріт (на малюнку стрілками показаний шлях струму).
Під дією струму дріт трохи нагріється, через що подовжиться, тому шовкова нитка, прикріплена до дроту, відтягнеться пружиною. Рух нитки поверне вісь, а отже, і стрілку. Стрілка покаже величину виміру.
