Загрузка...Как горит лампочка
Как горит лампочка?
Первоначально понятие «лампочка Ильича» было связано с электрификацией СССР, в частности в деревнях и сёлах. Существовала даже фраза: «Была коптилка да свеча — теперь лампа Ильича». Устойчивое выражение характеризовало перемены «электрического плана», а также пропагандировало советскую власть.
Первые «лампочки Ильича» представляли собой свободно свисающие лампы накаливания, подвешенные за патрон проводом к потолку. В наше время понятие продолжает относиться к лампе накаливания, но уже вне зависимости от наличия плафона при ней.
Почему «накаливания»?
Своё название лампочка получила в честь принципа действия. Сама лампа — это соединение колбы из стекла, металлического патрона и «пестика». Если внимательно взглянуть на саму лампу, то можно заметить некие рожки, соединённые между собой мостиком. Это и есть проводная нить. Она представляет собой либо металлическую спираль, чаще всего вольфрамовую, либо угольную нить. Электрический ток следует по проводнику, тем самым осуществляя физическую реакцию — тепловое действие тока.
Почему электричество даёт свет?
Вы когда-нибудь наблюдали за тем, как горит дерево? Сначала оно становится красным и даже ослепительно белым, от горящих поленьев исходит жар и свет. Подобная ситуация происходит и с проводником лампочки. Вольфрам, намного прочнее дерева, быстро не сгорает, а способен при накаливании нагреваться и долгое время выделять свет (разный по степени яркости в зависимости от мощности) и небольшое количество тепла.
Сила тока влияет на температуру накаливания. Чем ток сильнее, тем выше температура. В зависимости от этого нить может менять свой цвет от жёлтого до ярко-белого.
В целом, вольфрамовый»мостик» является проводником мощнейшей энергии. Как известно, энергия не появляется внезапно и также не исчезает в никуда. Она меняет своё состояние, преобразовывается, переходит в другой вид. Энергия, проходящая через вольфрамовую «пружинку», также преобразовывается. Одна её часть переходит в тепловые волны (и мы чувствуем тепло, исходящее от лампочки), другая часть — в электроволны (лампочка даёт свет).
А можем ли мы влиять на степень освещения? Из вышесказанного следует, что если мы повысим температуру накаливания, то и света будет больше. Однако нельзя не принимать во внимание материал, из которого изготовлен проводник. Если вольфрам начать слишком сильно нагревать, то проводник может «перегореть». Слишком сильный нагрев и является одной из причин «лопнувших» лампочек. Если посмотреть на перегоревшую лампочку, то можно увидеть и повреждённый проводник. В сгоревшем состоянии он представляет собой нить из двух частей с повиснувшими концами.
Почему лампочка такая хрупкая?
Когда мы несём лампочки из магазина домой, то двигаемся всегда аккуратно, следим за своей покупкой. Лампочки — это эквивалент яиц по хрупкости. Зачем же лампочки изготавливают такими «нежными» и бьющимися?
Первый ответ — самый очевидный — прозрачность. Стекло с лёгкостью пропускает свет сквозь себя, поэтому мы получаем максимальное количество освещенности, которое может подарить нам лампочка. Второй ответ скрывается в улучшенных условиях для проводника. Для того чтобы вольфрамовой пружинке сильнее раскалиться, нужно сократить количество воздуха вокруг неё. Именно поэтому проводник помещают в стеклянную «грушу», заранее откачав оттуда воздух.
Вот так обычная лампочка, по сути являясь проводником мощной энергии, несёт в наши дома свет. И теперь мы знаем о лампочках чуть больше, нежели, например, говорится в детской загадке: «Провели под потолок удивительный шнурок. Привинтили пузырёк — загорелся огонёк».
Определение и формула
Экспериментальным путём Ампер установил, что между двумя параллельными проводниками, подключенными к постоянному току, действует притяжение (однонаправленные токи) либо отталкивание (если направления противоположные). Эти силы взаимодействия определяются параметрами токов (прямо пропорциональная зависимость), и расстоянием между проводниками (обратно пропорциональная зависимость).
Расчёт амперовой силы на единицу длины проводника осуществляется по формуле:
где F – сила, I1, I2 – величина тока в проводниках, а μ – магнитная проницаемость среды, окружающей проводники (см. рис. 1).
Природой взаимодействия является магнитное поле, образованное перемещаемыми по проводникам электрическими зарядами. Под влиянием магнитного поля на электрические заряды возникает сила магнитной индукции, которую обозначают символом B.
Линии, в каждой точке которых касательные к ним совпадают с направлением соответствующих векторов магнитной индукции, получили название линий электромагнитной индукции. Применяя мнемоническое правило буравчика, можно определить ориентацию в пространстве линий магнитной индукции. То есть, при ввинчивании буравчика в сторону, куда направлен вектор электрического тока, движение концов его рукоятки укажет направление векторов индукции.
Из сказанного выше следует, что в проводниках, с одинаково ориентированными токами, направления векторов магнитной индукции совпадают, а значит, векторы сил направлены навстречу друг к другу, что и вызывает притяжение.
Рис. 1. Взаимодействие параллельных проводников
Подобным образом проводники взаимодействуют не только между собой, но и с магнитными полями любой природы. Если такой проводник окажется в магнитном поле, то на элемент, расположенный в зоне действия магнита, будет действовать сила, которую именуют Амперовой:
Для вычисления модуля этой силы пользуются формулой: dF = IBlsinα , где α — угол, образованный векторами индукции и ориентацией тока.
Рассмотренную нами зависимость описывает закон Ампера, формулировка которого понятна из рисунка 2.
Рис. 2. Формулировка закона Ампера
Не трудно сообразить, что когда α = 90 0 , то sinα = 1. В этом случае величина F приобретает максимальное значение: F = B*L*I, где L– длина проводника, оказавшегося под действием магнитного поля.
Таким образом, из закона Ампера вытекает:
- проводник с током реагирует на магнитные поля.
- действующая сила находится в прямо пропорциональной зависимости от параметров тока, величины магнитной индукции и размеров проводника.
Обратите внимание, что на данном рисунке 3 проводник расположен под углом 90º к линиям магнитной индукции, что вызывает максимальное действие магнитных сил.
Рис. 3. Проводник в магнитном поле
Правило левой руки
В отличие от кулоновских сил, которые направлены вдоль силовых линий поля, сила Ампера направлена иначе. Исследования показывают, что ее направление не совпадает ни с направлением линий магнитной индукции, ни с направлением тока в проводнике. Сила Ампера оказывается перпендикулярна обоим этим направлениям.
То есть, если ток в проводнике течет вперед, а магнитное поле направлено справа налево, то сила Ампера будет направлена вертикально вверх, перпендикулярно обоим направлениям. Если направить вектор магнитной индукции вверх (не меняя направление тока вперед), направление силы Ампера также изменится: она будет направлена слева направо. Наконец, если повернуть проводник так, чтобы ток двигался слева направо (вектор магнитной индукции оставить направленным вверх), то сила Ампера всё равно будет направлена перпендикулярно обоим направлениям, спереди назад.
Для определения направления силы Ампера вывели мнемоническое правило левой руки: если четыре вытянутых пальца левой руки указывают направление тока, а вектор магнитной индукции прокалывает ладонь (входит в ладонь), то отставленный большой палец укажет направление силы Ампера.
Рис. 2. Правило левой руки.
Действительно, отставленный большой палец всегда перпендикулярен как остальным четырем пальцам руки, так и направлению «прокола ладони».
При изменении направления движения тока на обратное сила Ампера также поменяет свое направление на обратное. Этим объясняется ориентирующее действие магнитного поля на рамку с током. В двух сторонах рамки ток течет вдоль одной прямой, но в разных направлениях. В результате сила Ампера, порожденная одним и тем же полем, будет также направлена вдоль одной прямой, но в разных направлениях. Следовательно, на рамку начнет действовать вращающий момент, и его действие прекратится лишь тогда, когда прямая действия силы Ампера не окажется в плоскости рамки.
Рис. 3. Ориентирующее действие магнитного поля на рамку.
Как мультиметром измерить силу тока зарядного устройства
Устройство для зарядки аккумуляторов преобразует переменный ток из сети в постоянный с помощью трансформатора, выпрямителя и стабилизатора напряжения. Для автовладельцев производятся пуско-зарядные устройства — ПЗУ, — которые сочетают функции зарядки аккумулятора и запуска двигателя при севшей батарее. При этом заряда может вовсе не быть или в течение нескольких минут создается частичный заряд, необходимый для начала работы мотора.
В некоторых моделях ЗУ отсутствует индикация заряда, поэтому есть проблема с определением ампеража. Легко проверить силу тока можно обычным мультимером:
- Аккумулятор необходимо снять с автомобиля и подключить к зарядке.
- На мультиметре выставить шкалу на 10 А, а красный щуп вставить в разъем тоже на 10 А.
- «Плюс» зарядного устройства присоединить к положительному полюсу батареи.
- «Минус» зарядника соединить черным щупом с базой мультиметра (гнездо СОМ).
- Красный щуп подключить ко второй клемме аккумулятора.
При включении зарядного устройства в сеть мультитестер покажет силу тока в цепи. Задача будет решена даже без амперметра-индикатора.
Схема измерения силы тока Амперметром
Согласно закону, ток по проводам течет в любой точке замкнутой цепи одинаковой величины. Следовательно, чтобы измерять величину тока, нужно прибор подключить, разорвав цепь в любом удобном месте. Надо отметить, что при измерении величины тока не имеет значение, какое напряжение приложено к электрической цепи. Источником тока может быть и батарейка на 1,5 В, автомобильный аккумулятор на 12 В или бытовая электросеть 220 В или 380 В.
На схеме измерения также видно, как обозначается амперметр на электрических схемах. Это прописная буква А обведенная окружностью.
Приступая к измерению силы тока в цепи необходимо, как и при любых других измерениях, подготовить прибор, то есть установить переключатели в положение измерения тока с учетом рода его, постоянного или переменного. Если не известна ожидаемая величина тока, то переключатель устанавливается в положение измерения тока максимальной величины.
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Электрический ток. Сила тока»
С понятием электрического тока вы познакомились еще в восьмом классе. Напомним, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц.
Как мы знаем, все тела состоят из частиц, и эти частицы совершают беспорядочные движения. В частности, свободные электроны в металле участвуют в тепловом движении. В этом случае, через поперечное сечение проводника в среднем проходит одинаковое число электронов в обе стороны. Для того, чтобы все частицы начали двигаться направлено, в проводнике должно существовать электрическое поле. В этом случае, под действием электрического поля, свободные заряды начнут смещаться в определенном направлении. Как вы уже знаете, за направление электрического тока принято направление движения положительно заряженных частиц. Надо сказать, что это не очень удачный выбор, поскольку, чаще всего, ток представляет собой движение электронов, которые являются отрицательно заряженными частицами. Хотя, ток также может быть вызван движением положительных ионов.
В ближайшее время мы будем рассматривать простейший случай электрического тока, который называется постоянным током. Постоянный ток — это электрический ток, при котором заряженные частицы не изменяют ни направление, ни скорость своего движения.
Конечно, мы не имеем возможности увидеть движение частиц в проводнике. Об электрическом токе мы привыкли судить по его действиям. Напомним, что существует тепловое, химическое и магнитное действие электрического тока.
Как вы знаете, электрический ток сопровождается нагреванием проводников, то есть, тепловым действием. Это действие широко используется при создании электронагревательных приборов, таких, как, например, утюг, обогреватель или чайник. Также при протекании электрического тока по определенным проводникам, может измениться их состав (то есть ток оказывает химическое действие). Это действие успешно используется для очистки металлов от примеси, например, или для разложения солей и щелочей на составные части.
Кроме этого существует магнитное действие: вокруг любого проводника с током возникает магнитное поле. Примеров использования этого действия можно привести очень много: к примеру, на магнитном действии тока основан электромагнит, генератор и многие электроизмерительные приборы. Также, магнитное действие тока легло в основу единицы измерения силы тока, о которой мы и поговорим. Напомним, что сила тока определяется как отношение заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за определенный промежуток времени к этому промежутку времени:
Единицей измерения силы тока является ампер:
Как вы уже знаете, если по проводникам, находящимся вблизи пустить ток в одном направлении, то они начнут притягиваться, а если по ним пустить ток в разных направлениях, то они начнут отталкиваться. Это явление возникает как раз в результате магнитного действия тока. Так вот, если по очень длинным и тонким проводникам, находящимся на расстоянии 1 м друг от друга, проходит одинаковый ток, при котором сила их притяжения или отталкивания составляет 0,2 мкН, то сила тока в этих проводниках равна 1 А.
Конечно, нужно понимать, что, несмотря на подобное определение силы тока, слово «сила», применяемое к току, не имеет ничего общего с понятием силы в механике. Сила тока, скорее характеризует скорость прохождения электрического заряда через поперечное сечение проводника.
Давайте попытаемся установить связь между силой тока и скоростью движения электронов в металлическом проводнике цилиндрической формы.
Рассмотрим небольшой участок проводника длиной.
Применим формулу, по которой вычисляется сила тока:
Очевидно, что суммарный заряд, прошедший через поперечное сечение толщиной l, будет равен произведению количества частиц, находящихся в данном участке проводника, и величины заряда одной частицы:
Поскольку в нашем случае, частицы — это электроны, за заряд частицы следует принять модуль заряда электрона. Число частиц мы можем представить, как произведение концентрации и объема:
Не трудно догадаться, что объем, в данном случае, — это
Подставим полученное выражение в уравнение для силы тока:
Заметим теперь, что отношение длины к промежутку времени— это и есть скорость движения электронов:
Выразим скорость из полученного выражения:
Теперь мы можем заключить, что скорость движения частиц в проводнике прямо пропорциональна силе тока. Конечно, концентрация заряженных частиц в данном объеме проводника зависит от того, из какого вещества состоит проводник. Мы можем подсчитать скорость электронов в медном проводнике с поперечным сечением 1 мм 2 при силе тока в 1 А. Наши расчеты будут основываться на предположении, что на каждый атом меди приходится один свободный электрон.
Если мы подсчитаем скорость движения электронов в других металлах, то она не будет сильно отличаться. Это говорит нам о том, что скорость движения электронов очень невелика. Возникает вопрос, как же тогда получается так, что когда мы включаем свет в комнате, лампочка загорается мгновенно? Дело в том, что скорость распространения электрического тока зависит не от скорости движения самих зарядов, а от скорости распространения электрического поля.
Как мы уже убедились ранее, эта скорость равна скорости света. Поэтому, смело можно считать, что при нажатии на выключатель, все электроны в цепи приходят в движение мгновенно, немедленно создавая электрический ток в лампочке.
Итак, теперь мы можем оговорить условия, необходимые для существования электрического тока: наличие свободных зарядов, наличие электрического поля и замкнутость цепи.
Как мы уже сказали, в первую очередь, необходимо наличие свободных зарядов, иначе никакого упорядоченного движения частиц не возникнет, ввиду отсутствия этих самых частиц. Второе условие — это наличие электрического поля. Чтобы заряды двигались в определенном направлении, на них должна действовать определенная сила. Эта сила, как мы знаем, прямо пропорциональна напряженности электрического поля. То есть для существования тока, необходимо наличие электрического поля, со стороны которого будет действовать сила, приводящая заряды в упорядоченное движение. Ну и, конечно, как мы только что убедились, для существования электрического тока, нужна замкнутая цепь. В противном случае, заряды просто накопятся на концах проводника и сами начнут создавать электрическое поле. То есть возникнет явление электростатической индукции и суммарная напряженность поля внутри проводника станет равной нулю, а, значит, перестанет существовать электрический ток. Поэтому, необходимо, чтобы цепь была замкнута, и заряды продолжали перемещаться. Заметим, однако, что при перемещении зарядов по замкнутому контуру, работа электрического поля равна нулю. Поэтому в цепь необходимо включить источник тока. Между полюсами источника существует определенная разность потенциалов, поэтому, в проводнике возникает электрический ток. Для измерения силы тока, как вы знаете, используется амперметр, который включается в цепь последовательно.
Следует отметить, что, все-таки, необходимость замкнутости электрической цепи для существования электрического тока, вызывает сомнения. Еще в 1897 году, величайший ученый и изобретатель Никола Тесла теоретически обосновал передачу электрического тока с помощью волновода и проводил соответствующие эксперименты. То есть, от одного заряженного тела энергия передавалась другому телу по одиночному проводу. Причем, этот провод, не являлся проводящим. Он, скорее, являлся направляющим проводом, который определял направление передачи электромагнитной энергии. На сегодняшний день российскими учеными разработана установка, позволяющая осуществить идею Николы Тесла, но, пока что, этот метод не торопятся внедрять в жизнь. Тем не менее, этот метод принципиально отличается от того, метода, который используется в настоящее время. Поэтому, при изучении законов постоянного тока мы, все же будем считать замкнутость электрической цепи необходимым условием для существования электрического тока.
3. Чем отличается сила тока от мощности тока?
Еще раз вспоминаем, что такое сила тока и мощность тока.
Сила тока — это прохождение частиц за единицу времени, выше мы с вами представили силу тока, как «потребление» нагрузки. К примеру, чтобы зажечь лампочку нужно создать в цепи 0,2 Ампера силы тока. Еще проще говоря, какая нужна сила, чтобы совершить, какое-то действие. (Зажечь лапочку, крутить двигатель, греть электроплиту и т.д.)
Мощность тока – это работа, которая выполняется за единицу времени нагрузкой. То есть, когда вращается двигатель — он совершает работу, когда электроплита греет — он совершает работу, когда лампочка горит – он так же совершает работу. Получается сила тока нам дает возможность выполнить работу, как бы отдавая свою энергию в нагрузку, далее нагрузка совершает ту или иную работу. При этом чем мощнее нагрузка, тем больше нужны заряды, соответственно больше силы тока в цепи. Более мощные нагрузки, выполняют больше работы. К примеру мощные электродвигатели сильнее крутятся, мощные лампочки ярче горят.
Таким образом, сила тока это, потребление тока нагрузкой или необходимое количества тока, для получения выработки мощности нагрузки. Мощность тока, это работа нагрузки за единицу времени. Сила тока и мощность тока взаимосвязаны. Что бы не путаться в голове нужно держать две вещи:
