Формула сили струму в фізиці
Визначення і формула сили струму
Електричним струмом називають впорядкований рух носіїв зарядів. В металах такими є електрони, негативно заряджені частинки з зарядом, рівним елементарному заряду. Напрямком струму вважають напрям руху позитивно заряджених частинок.
Силою струму (струмом) через деяку поверхню S називають скалярну фізичну величину, яку позначають I, рівну:
де q - заряд, що проходить крізь поверхню S, t - час проходження заряду. Вираз (1) визначає величину сили струму в момент часу t (миттєве значення величини сили струму).
Деякі види сили струму
Струм носить назву постійного, якщо його сила і напрям з часом не змінюються, тоді:
Формула (2) показує, що сила постійного струму дорівнює заряду, який проходить крізь поверхню S в одиницю часу.
Якщо струм є змінним, то виділяють миттєву силу струму (1), амплитудную силу струму і ефективну силу струму. Ефективною величиною сили змінного струму (Ieff) називають таку силу постійного струму, яка виконає роботу рівну роботі змінного струму протягом одного періоду (T):
Якщо змінний струм можна уявити як синусоїдальний:
то Im - амплітуда сили струму (- частота сили змінного струму).
щільність струму
Розподіл електричного струму по перетину провідника характеризують за допомогою вектора щільності струму (). При цьому:
де - кут між векторами і (- нормаль до елемента поверхні dS), jn - проекція вектора щільності струму на напрямок нормалі ().
Сила струму в провіднику визначається за допомогою формули:
де інтегрування у виразі (6) проводиться по всьому поперечним перерізом провідника S
Для постійного струму маємо:
Якщо розглядати два провідника з перетинами S1 і S2 і постійними струмами, то виконується співвідношення:
Сила струму в з'єднаннях провідників
При послідовному з'єднанні провідників сила струму в кожному з них однакова:
При паралельному з'єднанні провідників сила струму (I) обчислюється як сума струмів в кожному провіднику (Ii):
Сила струму входить в один з основних законів постійного струму - закон Ома (для ділянки кола):
де - - різниця потенціалів на кінцях, розглянутої ділянки, - ЕРС джерела, який входить в ділянку ланцюга, R - опір ділянки кола.
Одиниці виміру сили струму
Основною одиницею виміру сили струму в системі СІ є: [I] = A (ампер) = Кл / с
Приклади розв'язання задач
Завдання. Який заряд (q) проходить через поперечний переріз провідника за проміжок часу від t1 = 2c до t2 = 6c, якщо сила струму змінюється відповідно до рівняння: I = 2 + t, де сила струму в амперах, час у секундах?
Рішення. За основу рішення задачі приймемо визначення миттєвої сили струму:
В такому випадку, заряд, який проходить через поперечний переріз провідника, дорівнює:
Підставами в вираз (1.2) рівняння для сили струму з умов завдання, візьмемо до уваги межі зміни ділянки часу:
Завдання. Плоский конденсатор складається з двох квадратних пластин зі стороною A, які перебувають на відстані dдруг від одного. Цей конденсатор підключений до джерела постійної напруги U. Конденсатор занурюють в посудину з гасом (пластини конденсатора вертикальні) зі швидкістю v = const. Яка сила струму, яка буде текти по подводящим проводам в описаному вище процесі. Вважати, що діелектрична проникність гасу дорівнює.
Рішення. Основою для вирішення завдання стане формул для обчислення сили струму виду:
При зануренні в гас на глибину xопісанной вище системи ми отримуємо два конденсатора, з'єднаних паралельно (над гасом і в гасі) рис. 2. Для такої системи конденсаторів напруга на кожному з них однаково, тому рівняння для зміни заряду при русі зручно шукати у вигляді:
Ємність при паралельному з'єднанні конденсаторів дорівнює:
Формула для розрахунку ємностей C1 і C2 плоских конденсаторів має вигляд:
де 0 - електрична постійна, змінною величиною при зануренні системи в гас є площа обкладок S:
З виразів (2.4), (2.5) і умов завдання маємо:
Тоді підставивши dC в формулу для сили струму (2.1) отримуємо: