Вопросы, страница 32 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Вопросы

1. Как определяется единица силы тока в Международной системе единиц?

2. Почему для определения единицы силы тока выбрано магнитное действие тока?

3. Как на практике измеряют силу тока?

4. Как устроен амперметр?

1. Как определяется единица силы тока в Международной системе единиц?

Единица силы тока в Международной системе единиц (СИ) называется Ампер (А). Определение Ампера основано на магнитном взаимодействии электрических токов. Согласно определению, принятому до 2019 года, один Ампер — это сила такого постоянного тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы между этими проводниками силу взаимодействия, равную $2 \cdot 10^{-7}$ ньютона на каждый метр длины.

Сила взаимодействия на единицу длины проводников описывается формулой: $ \frac{F}{l} = \frac{\mu_0 I_1 I_2}{2\pi r} $, где $I_1$ и $I_2$ — силы тока в проводниках, $\text{r}$ — расстояние между ними, а $\mu_0$ — магнитная постоянная. При $I_1 = I_2 = 1$ А и $r=1$ м, сила на метр длины как раз составляет $2 \cdot 10^{-7}$ Н.

С 2019 года Ампер определяется через фиксацию численного значения элементарного заряда, но для понимания физических основ и принципов измерения часто используется именно "силовое" определение.

Ответ: Единица силы тока, Ампер, определяется на основе силы магнитного взаимодействия, возникающей между двумя параллельными проводниками, по которым протекает электрический ток.

2. Почему для определения единицы силы тока выбрано магнитное действие тока?

Для определения эталона единицы физической величины необходимо выбрать такое её проявление, которое является наиболее фундаментальным, стабильным и позволяет проводить измерения с максимальной точностью и воспроизводимостью. Электрический ток проявляет три основных действия: тепловое, химическое и магнитное.

Тепловое действие (нагрев проводника) зависит от многих факторов, в том числе от материала проводника, его формы, размеров и температуры, что затрудняет точные измерения. Химическое действие (электролиз) также зависит от множества условий: концентрации раствора, температуры, материала электродов.

Магнитное действие, в свою очередь, проявляется в виде силового взаимодействия проводников с током. Эта сила в вакууме зависит только от величины токов и геометрии системы (формы и взаимного расположения проводников). Такие параметры можно задать и измерить с очень высокой точностью. Именно поэтому магнитное действие тока, как наиболее фундаментальное и легко воспроизводимое, было выбрано в качестве основы для определения единицы силы тока — Ампера.

Ответ: Магнитное действие тока выбрано потому, что оно является наиболее фундаментальным и позволяет проводить измерения силы взаимодействия проводников с высокой точностью и воспроизводимостью, в отличие от теплового и химического действий, которые зависят от множества трудно контролируемых факторов.

3. Как на практике измеряют силу тока?

На практике для измерения силы тока используют специальный измерительный прибор — амперметр. Чтобы измерить силу тока в каком-либо участке цепи, амперметр необходимо включить в эту цепь последовательно. Это означает, что электрическую цепь разрывают и в место разрыва подключают клеммы амперметра. При таком подключении весь ток, протекающий через данный участок, будет проходить и через измерительный прибор.

Важнейшей характеристикой амперметра является его очень малое внутреннее сопротивление. Это необходимо для того, чтобы включение прибора в цепь как можно меньше влияло на общее сопротивление цепи, и, следовательно, на измеряемую силу тока. Если бы сопротивление амперметра было большим, он бы сам значительно уменьшил ток в цепи, и его показания были бы неверными.

Ответ: На практике силу тока измеряют с помощью прибора, называемого амперметром, который включают в электрическую цепь последовательно с тем элементом, ток в котором нужно измерить.

4. Как устроен амперметр?

В основе устройства большинства аналоговых (стрелочных) амперметров лежит магнитоэлектрический принцип, использующий магнитное действие тока. Основными частями такого амперметра являются:

1. Постоянный магнит, который создает сильное магнитное поле в зазоре между полюсами.

2. Подвижная катушка из тонкой проволоки, расположенная в магнитном поле. Она закреплена на оси и может вращаться.

3. Стрелка-указатель, жёстко соединённая с катушкой.

4. Спиральные пружины, которые, во-первых, создают противодействующий вращению упругий момент, а во-вторых, служат для подвода тока к катушке.

5. Шкала, проградуированная в единицах силы тока (Амперах, миллиамперах и т.д.).

Когда измеряемый ток проходит через катушку, на её витки со стороны магнитного поля постоянного магнита начинает действовать сила Ампера. Эти силы создают вращающий момент, который поворачивает катушку вместе со стрелкой. Пружины при этом закручиваются и создают упругий момент, противодействующий вращению. Катушка со стрелкой поворачивается на такой угол, при котором вращающий момент от силы Ампера уравновешивается упругим моментом пружин. Так как сила Ампера пропорциональна силе тока, то и угол поворота стрелки оказывается пропорционален силе тока. Для измерения больших токов параллельно катушке подключают шунт — резистор с очень малым сопротивлением, через который проходит основная часть тока.

Ответ: Амперметр состоит из постоянного магнита и подвижной катушки со стрелкой. При прохождении тока через катушку она под действием силы Ампера поворачивается в магнитном поле на угол, пропорциональный силе тока, что и отображается стрелкой на шкале прибора.