Kako se u fizici mjeri jakost struje? Mjerenje struje. Uređaji. Princip mjerenja. Vrste


Električna struja je usmjereno (uređeno) kretanje nabijenih čestica. Takve čestice mogu biti: u metalima - elektroni, u plinovima - ioni i elektroni, u vakuumu pod određenim uvjetima - elektroni, u poluvodičima - elektroni i šupljine (elektron-rupna vodljivost). Ponekad električni. struja se također naziva i struja pomaka koja je posljedica promjene električnog polja tijekom vremena. Električna struja ima kvantitativne karakteristike: skalarne - jakost struje, i vektorske - gustoću struje.

Trenutna snaga - fizička količina, jednaka omjeru količine naboja koji prolazi kroz poprečni presjek vodiča tijekom određenog vremenskog razdoblja i vrijednosti tog vremenskog razdoblja. Jakost struje u Međunarodnom sustavu jedinica (SI) mjeri se u amperima ( Ruska oznaka: A). Prema Ohmovom zakonu, jakost struje u dijelu strujnog kruga izravno je proporcionalna naponu koji se primjenjuje na ovaj dio strujnog kruga, a obrnuto je proporcionalna njegovom otporu:

Snaga električne struje je omjer rada koji ona proizvede i vremena u kojem je rad obavljen. Snaga se mjeri u vatima. Vatmetar- mjerni uređaj, dizajniran za određivanje električne snage. struje ili elektromagnetskog signala.

Električni napon je veličina brojčano jednaka radu premještanja jedinice električnog naboja između dvije proizvoljne točke električnog kruga.

2. Istosmjerna električna struja. Karakteristike električnog polja. Ohmov zakon za dio kruga. Formulirajte i zapišite Joule-Lenzov zakon.

Električna struja se naziva konstantnom ako se jakost struje i njezin smjer ne mijenjaju tijekom vremena. Glavne karakteristike električno polje: potencijal, napetost i napetost. Energija električnog polja po jedinici pozitivnog naboja smještenog u određenoj točki polja naziva se potencijal polja u toj točki. potencijal električnog polja u danoj točki brojčano je jednak radu vanjske sile pri premještanju jedinice pozitivnog naboja izvan polja u danu točku. Potencijal polja se mjeri u voltima. Ako se potencijal označi slovom φ, naboj slovom q, a rad utrošen na pomicanje naboja s W, tada će se potencijal polja u danoj točki izraziti formulom φ = W/q

Napon između dviju točaka električnog polja brojčano je jednak radu koji polje izvrši da prenese jedinicu pozitivnog naboja s jedne točke polja na drugu.

Kao što vidite, napon između dvije točke polja i razlika potencijala između tih istih točaka predstavljaju isti fizički entitet. Napon se mjeri u voltima (V)

Vrijednost E, brojčano jednaka sili koju djeluje jedinični pozitivni naboj u danoj točki polja, naziva se jakost električnog polja. F = Q x E, gdje je F sila koja djeluje iz električnog polja na naboj Q smješten u danoj točki polja, E je sila koja djeluje na jedinični pozitivni naboj smješten u istoj točki polja.

Ohmov zakon za dio kruga

Jakost struje izravno je proporcionalna razlici potencijala (naponu) na krajevima dijela kruga i obrnuto proporcionalna otporu ovog odjeljka:

I = U/R gdje je U napon u ovom dijelu kruga

R – otpor ovog dijela strujnog kruga

Formulirajte i napišite Joule-Lenz

Kada električna struja prolazi kroz vodič, količina topline koja se stvara u vodiču izravno je proporcionalna kvadratu struje, otporu vodiča i vremenu tijekom kojeg je električna struja tekla kroz vodič.

Ova pozicija se naziva Lenz-Jouleov zakon.

Označimo li količinu topline koju stvara struja slovom Q (J), struju koja teče kroz vodič sa I, otpor vodiča sa R ​​i vrijeme tijekom kojeg je struja tekla kroz vodič sa t, tada Lenz-Jouleov zakon se može dati sljedećim izrazom:

Kako je I = U/R i R = U/I, tada je Q = (U2/R) t = UIt.

3. Koji je razlog dobivanja Lissajousovih figura? Nacrtajte brojke ako je frekvencija na kanalu X = 50 Hz konstantna, a frekvencija na kanalu Y = 25,50,100,150 Hz.

Lissajousove figure su zatvorene putanje povučene točkom koja istovremeno vrši dvije harmonijske oscilacije u dva međusobno okomita smjera.

Izgled slika ovisi o odnosu između perioda (frekvencija), faza i amplituda obiju oscilacija

X=50Hz,y=50Hz X=50Hz,y=100Hz X=50Hz, y=150Hz x=50Hz y=25Hz

Snaga struje- fizikalna veličina jednaka omjeru količine naboja koja je prošla kroz poprečni presjek vodiča tijekom određenog vremenskog razdoblja i vrijednosti tog vremenskog razdoblja:

Struja se mjeri u amperima u Međunarodnom sustavu jedinica (SI), a amper je jedna od sedam osnovnih SI jedinica.

Prema Ohmovom zakonu, jakost struje za dio strujnog kruga izravno je proporcionalna naponu primijenjenom na dio strujnog kruga i obrnuto proporcionalna otporu vodiča tog dijela strujnog kruga:

gdje je e naboj elektrona, n koncentracija čestica, S površina poprečnog presjeka vodiča i prosječna brzina uređenog kretanja elektrona.

SI jedinica je 1 A = 1 C/s.

Za mjerenje struje koristi se poseban uređaj - ampermetar (za uređaje namijenjene mjerenju malih struja koriste se i nazivi miliampermetar, mikroampermetar, galvanometar). Uključuje se u otvoreni krug na mjestu gdje treba izmjeriti jakost struje. Glavne metode mjerenja jakosti struje su: magnetoelektrična, elektromagnetska i neizravna (mjerenjem napona pri poznatom otporu voltmetrom).

U slučaju izmjenične struje, razlikuje se trenutna struja, amplitudna (vršna) struja i efektivna struja (jednaka istosmjerna struja, koji proizvodi istu snagu).

Gustoća struje- vektorska fizikalna veličina koja ima značenje struje koja teče kroz element površine jedinične površine. Na primjer, s ravnomjernom raspodjelom gustoće struje i ortogonalnošću njezine ravnine presjeka kroz koju se struja izračunava ili mjeri, veličina vektora gustoće struje je:

Gdje ja- jakost struje kroz poprečni presjek vodiča s površinom S(vidi i sliku).

Ponekad možemo govoriti o skalarnoj gustoći struje, u takvim slučajevima to znači upravo tu vrijednost j, koji je dan u formuli.

Općenito:

,

gdje je normalna (ortogonalna) komponenta vektora gustoće struje s obzirom na površinu elementa površine; vektor je posebno uveden vektor površinskog elementa, okomit na elementarnu površinu i ima apsolutnu vrijednost jednaku svojoj površini, što omogućuje da se integrand zapiše kao obični skalarni produkt.

Kao što vidimo iz ove definicije, jakost struje je tok vektora gustoće struje kroz određenu zadanu fiksnu površinu.

U najjednostavnijoj pretpostavci da se svi nositelji struje (nabijene čestice) gibaju istim vektorom brzine i imaju identične naboje(takva pretpostavka ponekad može biti približno točna; omogućuje nam da najbolje razumijemo fizikalno značenje gustoće struje), a njihova koncentracija,

gdje je gustoća naboja ovih nositelja.

Smjer vektora odgovara smjeru vektora brzine kojom se kreću naboji koji stvaraju struju, ako q pozitivno.

U stvarnosti se čak i nosači iste vrste uglavnom kreću i to u pravilu različitim brzinama. Zatim bismo trebali shvatiti prosječnu brzinu.

U složenim sustavima (s različitim vrstama nositelja naboja, na primjer, u plazmi ili elektrolitima)

odnosno vektor gustoće struje je zbroj gustoća struje za sve vrste mobilnih nositelja; gdje je koncentracija čestica svake vrste, je naboj čestice dane vrste, je vektor prosječne brzine čestica ove vrste.

Izraz za opći slučaj također se može napisati kao zbroj svih pojedinačnih čestica:

Sama formula gotovo se podudara s gornjom formulom, ali sada je indeks zbroja ja ne znači broj vrste čestice, već broj svake pojedine čestice, nije važno imaju li iste naboje ili različite, u kojem slučaju koncentracije više nisu potrebne.

Gustoća struje i snaga

Rad električnog polja na nosiocima struje očito je karakteriziran gustoćom snage [energija/(vremenski volumen)]:

gdje točka označava skalarni produkt.

Najčešće se ta snaga rasipa u okolinu u obliku topline, ali općenito govoreći povezana je s punim radom električnog polja i dio se može pretvoriti u druge vrste energije, npr. jedne ili druge vrste zračenja, mehanički rad (osobito kod elektromotora) itd.

Ohmov zakon

U linearnom i izotropnom vodljivom mediju, gustoća struje je povezana s jakošću električnog polja u danoj točki prema Ohmovom zakonu:

gdje je specifična vodljivost medija, a je jakost električnog polja. Ili:

gdje je otpornost.

U linearnom anizotropnom mediju vrijedi isti odnos, međutim, električnu vodljivost u ovom slučaju, općenito govoreći, treba promatrati kao tenzor, a množenje njime kao množenje vektora matricom.

Formula za rad električnog polja (njegova gustoća snage)

zajedno s Ohmovim zakonom ima oblik za izotropnu električnu vodljivost:

gdje su i skalari, a za anizotropne:

gdje se podrazumijeva matrično množenje (s desna na lijevo) vektora stupca matricom i vektorom retka, a tenzor i tenzor generiraju odgovarajuće kvadratne forme.

RAvrijednost potencijeAribarstvo između dviju točaka stacionarnog električnog ili gravitacijskog polja mjeri se radom sila polja pri premještanju jediničnog pozitivnog naboja ili, prema tome, jedinice mase s jedne točke s višim potencijalom na drugu s nižim potencijalom. Ako je j 1, j 2 - potencijale početne i krajnje točke putanje gibajućeg naboja (ili mase), zatim R. str. u = j 1 - j 2; promjena potencijala Dj= j 2 - j 1 =-i.

Rad proizvoljnog električnog polja da pomakne +1 naboj iz jedne točke u drugu naziva se električni napon između tih točaka; u slučaju stacionarnog polja napon se podudara s R.p.

Elektromotorna sila(EMF) je skalarna fizikalna veličina koja karakterizira rad vanjskih sila, odnosno bilo koje sile neelektričnog podrijetla koja djeluje u kvazistacionarnim krugovima izravnog ili naizmjenična struja. U zatvorenom vodljivom krugu, EMF je jednak radu tih sila za pomicanje jednog pozitivnog naboja duž cijelog kruga.

Po analogiji s jakošću električnog polja uvodi se pojam napetost vanjskih sila, koji se shvaća kao vektorska fizikalna veličina jednaka omjeru vanjske sile koja djeluje na ispitni električni naboj i veličine tog naboja. Tada će u zatvorenoj petlji emf biti jednaka:

gdje je element konture.

EMF, poput napona, mjeri se u voltima u Međunarodnom sustavu jedinica (SI). O elektromotornoj sili možemo govoriti na bilo kojem dijelu strujnog kruga. Ovo je specifičan rad vanjskih sila ne u cijelom krugu, već samo u određenom području. EMF galvanskog članka je rad vanjskih sila pri premještanju jednog pozitivnog naboja unutar elementa s jednog pola na drugi. Rad vanjskih sila ne može se izraziti kroz razliku potencijala, jer su vanjske sile nepotencijalne i njihov rad ovisi o obliku putanje. Tako je, na primjer, rad vanjskih sila pri premještanju naboja između strujnih terminala izvan samog izvora jednak nuli.

Učitaj strujni krug karakteriziran jakošću struje, koja se mjeri u amperima. Struja se ponekad mora izmjeriti kako bi se provjerilo dopušteno opterećenje kabela. Za polaganje električni vod Koriste se kabeli različitih sekcija. Ako kabel radi s opterećenjem većim od dopuštene vrijednosti, zagrijava se i izolacija postupno propada. Kao rezultat toga, to dovodi do zamjene kabela.

  • Nakon polaganja novog kabela, potrebno je izmjeriti struju koja prolazi kroz njega sa svim radnim električni uređaji Oh.
  • Ako je na staro ožičenje priključeno dodatno opterećenje, trebali biste također provjeriti vrijednost struje koja ne smije prelaziti dopuštene granice.
  • Kada je opterećenje jednako gornjoj dopuštenoj granici, provjerava se usklađenost struje koja teče. Njegova vrijednost ne smije premašiti nazivnu radnu struju strojeva. Inače osigurač isključit će mrežu zbog preopterećenja.
  • Mjerenje struje također je potrebno za određivanje načina rada električnih uređaja. Mjerenje trenutnog opterećenja elektromotora provodi se ne samo radi provjere njihovog rada, već i radi utvrđivanja prekoračenja opterećenja iznad dopuštene granice, koja mogu nastati uslijed velikih mehaničkih sila tijekom rada uređaja.
  • Ako izmjerite struju u radnom krugu, to će pokazati ispravnost.
  • Rad u stanu također se provjerava mjerenjem struje.

Trenutna snaga

Osim jakosti struje postoji i pojam strujne snage. Ovaj parametar određuje trenutni rad obavljen po jedinici vremena. Trenutna snaga jednaka je omjeru obavljenog rada i vremenskog razdoblja tijekom kojeg je taj rad obavljen. Trenutna snaga označena je slovom "P" i mjeri se u vatima.

Snaga se izračunava množenjem mrežnog napona sa strujom koju troše priključeni električni uređaji: P = U x I. U pravilu je potrošnja električne energije označena na električnim uređajima, pomoću kojih se može odrediti struja. Ako vaš TV ima snagu od 140 W, tada za određivanje struje ovu vrijednost dijelimo s 220 V, što rezultira 0,64 ampera. Ovo je maksimalna trenutna vrijednost; u praksi struja može biti niža ako se smanji svjetlina zaslona ili se promijene druge postavke.

Mjerenje struje uređajima

Za određivanje potrošnje električna energija Uzimajući u obzir rad potrošača u različitim načinima rada, potrebni su električni mjerni instrumenti koji mogu mjeriti trenutne parametre.

  • . Za mjerenje struje u krugu koristite specijalni uređaji, koji se nazivaju ampermetri. Oni su uključeni u mjereni krug u serijskom krugu. Unutarnji otpor Ampermetra ima vrlo malo, pa ne utječe na radne parametre strujnog kruga.Skala ampermetra može biti označena u amperima ili drugim dijelovima ampera: mikroamperima, miliamperima itd. Postoji nekoliko vrsta ampermetara: elektronički, mehanički itd.
  • je elektronički mjerni instrument koji može mjeriti različite parametre električnog kruga (otpor, napon, prekid vodiča, prikladnost baterije, itd.), uključujući jakost struje. Postoje dvije vrste multimetara: digitalni i analogni. Multimetar ima različite postavke mjerenja.

Kako izmjeriti struju multimetrom


  • . Ako trebate mjeriti struju bez prekidanja električnog kruga, tada je mjerač kliješta izvrsna opcija za ovaj zadatak. Ovaj uređaj se proizvodi u nekoliko vrsta, i različiti dizajni. Neki modeli mogu mjeriti druge parametre kruga. Korištenje strujnih stezaljki vrlo je zgodno.


Sadašnje metode mjerenja

Da biste izmjerili struju u električnom krugu, trebate spojiti jedan priključak ampermetra ili drugog uređaja koji može mjeriti struju na pozitivni priključak izvora struje ili, a drugi priključak na žicu potrošača. Nakon toga se može mjeriti struja.


Prilikom mjerenja potrebno je biti oprezan, jer kada se strujni električni krug otvori, može doći do električnog luka.

Za mjerenje struje električnih uređaja spojenih izravno na kućnu utičnicu ili kabel, mjerač je postavljen na AC način rada s visokom gornjom granicom. Zatim se mjerni uređaj spoji na fazni razmak žice.

Svi radovi na spajanju i odvajanju smiju se izvoditi samo u strujnom krugu bez napona. Nakon svih spojeva možete priključiti napajanje i izmjeriti struju. U tom slučaju ne smijete dirati izložene dijelove pod naponom kako biste izbjegli ozljede. elektro šok. Takve metode mjerenja su nezgodne i predstavljaju određenu opasnost.

Mnogo je prikladnije provoditi mjerenja strujnim stezaljkama, koje mogu obavljati sve funkcije multimetra, ovisno o dizajnu uređaja. Vrlo je jednostavno raditi s ovim kliještima. Potrebno je postaviti način mjerenja istosmjerne ili izmjenične struje, raširiti brkove i njima prekriti faznu žicu. Zatim morate provjeriti nepropusnost brkova između sebe i izmjeriti struju. Za ispravna očitanja, potrebno je pokriti samo faznu žicu s brkovima. Ako pokrijete dvije žice odjednom, mjerenje neće raditi.

Klešta se koriste samo za mjerenje parametara izmjenične struje. Ako se koriste za mjerenje istosmjerne struje, brkovi će se smanjiti na velika snaga, a mogu se razdvojiti samo isključivanjem struje.