Сила тока
Сила тока – это такая физическая величина, которая показывает скорость прохождения заряда q через S поперечное сечение проводника за одну секунду t.
Сила тока – пожалуй, одна из самых основополагающих характеристик электрического тока. Она обозначает заглавной буквой I латинского алфавита и равняется Δq разделить на Δt, где Δt – это время, в течение которого через сечение проводника протекает заряд Δq.
По сути, сила тока измеряется в кулонах Кл разделенных на секунды с в системе единиц СИ, но для Кл/с было введено специальное название – ампер, в честь соответствующего ученого, которого также завали Ампером. И так размерность в системе СИ для силы тока – это амперы, то есть ток измеряется в амперах и обозначается как - 1А.
Что же физически иллюстрирует это понятие? Упрощенно электрический ток можно рассматривать как течение воды по трубе, то есть протекание электрических зарядов по проводу можно сопоставить с протекание воды по трубе. Так вот, по сути, скорость этой «воды», а именно скорость зарядов в проводе, она и будет прямым образом связана с силой тока. И чем быстрее «вода» течет по «трубе», а именно чем быстрее вместе все носители заряда двигаются по поводу, тем сила тока будет больше.
Как вы думаете, большая ли это сила тока в 1 ампер? Да, это большая сила тока, но на практике можно встретить различные силы тока: и миллиамперы, и микроамперы, и амперы, и килоамперы, и все они довольно разные.
Измерение силы тока
В былые времена первые ученые-физики могли обнаружить ток только с помощью личных ощущений, а то и вовсе пропуская его через себя, так как в то время измерительных приборов просто не существовало.
В современном мире имеются разные виды измерительных приборов. Для измерения силы тока используют такой прибор, как амперметр.
Амперметры бывают абсолютной разных конструкций. Для школьных нужд, в целях демонстрационных опытов, чаще всего используют амперметр, который изображен на рисунке.
Что понимают под силой тока?
Давайте взглянем на рисунок 21б, где обозначено поперечное сечение проводника, через которое, как вы уже знаете, проходят заряженные частицы, если в проводнике есть в наличии электрический ток. Для металлического проводника такими частицами выступают свободные электроны, которые, двигаясь по проводнику, переносят какой-то заряд. А далее, как уже вы знаете из формулы, чем быстрее электроны двигаются и чем их больше, тем больший заряд будет перенесен ими за одно и то же время.
Давайте рассмотрит на примере. Если за время t = 5 c носителями тока через поперечное сечение проводника переносится заряд в q = 20 Кл, то сила тока I = q / t = 20 / 5 = 4 A. Заряд, который будет перенесен за 1 с, в данной ситуации будет в 5 раз меньший, т.е. при t = 1 c, q = 4 Кл, а сила тока – 4 А.
А вы знаете, что кроме того, что Андрэ-Мари Ампер ввел в физику понятие «электрический ток», он так же в 1830 году ввел такой научный оборот, как «кибернетика», а в механике именно ему принадлежит термин «кинематика».
Андрэ-Мари Ампер был очень разноплановым и разносторонне развитым ученым, некоторые его исследования касались таких смежных с физикой наук, как химия, ботаника и даже философия! И именно А.М.Ампер изобрел такие важные и полезные для людей устройства, как электромагнитный телеграф и коммутатор.
Вопросы для самопроверки
1. Так что же такое «сила тока»? Какой буквой латинского алфавита она обозначается?
2. Какая формула для нахождения силы тока?
3. В каких единица системы СИ измеряется силы тока? А как она обозначается? В честь какого ученого она названа?
4. Прибором для измерения силы тока является …. А как он обозначается на схемах?
5. Если мы знаем силу тока и время, за которое он проходит через поперечное сечение, то с помощью какой формулы можно найти электрический заряд?
Мы начинаем публикацию материалов новой рубрики “” и в сегодняшней статье речь пойдет о фундаментальных понятиях, без которых не проходит обсуждение ни одного электронного устройства или схемы. Как вы уже догадались, я имею ввиду ток, напряжение и сопротивление 😉 Кроме того, мы не обойдем стороной закон, который определяет взаимосвязь этих величин, но не буду забегать вперед, давайте двигаться постепенно.
Итак, давайте начнем с понятия напряжения .
Напряжение.
По определению напряжение – это энергия (или работа), которая затрачивается на перемещение единичного положительного заряда из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом (т. е. первая точка имеет более отрицательный потенциал по сравнению со второй). Из курса физики мы помним, что потенциал электростатического поля – это скалярная величина, равная отношению потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду. Давайте рассмотрим небольшой пример:
В пространстве действует постоянное электрическое поле, напряженность которого равна E . Рассмотрим две точки, расположенные на расстоянии d друг от друга. Так вот напряжение между двумя точками представляет из себя ни что иное, как разность потенциалов в этих точках:
В то же время не забываем про связь напряженности электростатического поля и разности потенциалов между двумя точками:
И в итоге получаем формулу, связывающую напряжение и напряженность:
В электронике, при рассмотрении различных схем, напряжение все-таки принято считать как разность потенциалов между точками. Соответственно, становится понятно, что напряжение в цепи – это понятие, связанное с двумя точками цепи. То есть говорить, к примеру, “напряжение в резисторе” – не совсем корректно. А если говорят о напряжении в какой-то точке, то подразумевают разность потенциалов между этой точкой и “землей” . Вот так плавно мы вышли к еще одному важнейшему понятию при изучении электроники, а именно к понятию “земля” 🙂 Так вот “землей” в электрических цепях чаще всего принято считать точку нулевого потенциала (то есть потенциал этой точки равен 0).
Давайте еще пару слов скажем о единицах, которые помогают охарактеризовать величину напряжения . Единицей измерения является Вольт (В) . Глядя на определение понятия напряжения мы можем легко понять, что для перемещения заряда величиной 1 Кулон между точками, имеющими разность потенциалов 1 Вольт , необходимо совершить работу, равную 1 Джоулю . С этим вроде бы все понятно и можно двигаться дальше 😉
А на очереди у нас еще одно понятие, а именно ток .
Ток, сила тока в цепи.
Что же такое электрический ток ?
Давайте подумаем, что будет происходить если под действие электрического поля попадут заряженные частицы, например, электроны…Рассмотрим проводник, к которому приложено определенное напряжение :
Из направления напряженности электрического поля (E ) мы можем сделать вывод о том, что title="Rendered by QuickLaTeX.com" height="16" width="60" style="vertical-align: -4px;"> (вектор напряженности всегда направлен в сторону уменьшения потенциала). На каждый электрон начинает действовать сила:
Где e – это заряд электрона.
И поскольку электрон является отрицательно заряженной частицей, то вектор силы будет направлен в сторону противоположную направлению вектора напряженности поля. Таким образом, под действием силы частицы наряду с хаотическим движением приобретают и направленное (вектор скорости V на рисунке). В результате и возникает электрический ток 🙂
Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц под воздействием электрического поля.
Важным нюансом является то, что принято считать, что ток протекает от точки с более положительным потенциалом к точке с более отрицательным потенциалом, несмотря на то, что электрон перемещается в противоположном направлении.
Носителями заряда могут выступать не только электроны. Например, в электролитах и ионизированных газах протекание тока в первую очередь связано с перемещением ионов, которые являются положительно заряженными частицами. Соответственно, направление вектора силы, действующей на них (а заодно и вектора скорости) будет совпадать с направлением вектора E . И в этом случае противоречия не возникнет, ведь ток будет протекать именно в том направлении, в котором движутся частицы 🙂
Для того, чтобы оценить ток в цепи придумали такую величину как сила тока. Итак, сила тока (I ) – это величина, которая характеризует скорость перемещения электрического заряда в точке. Единицей измерения силы тока является Ампер . Сила тока в проводнике равна 1 Амперу , если за 1 секунду через поперечное сечение проводника проходит заряд 1 Кулон .
Мы уже рассмотрели понятия силы тока и напряжения , теперь давайте разберемся каким образом эти величины связаны. И для этого нам предстоит изучить, что же из себя представляет сопротивление проводника .
Сопротивление проводника/цепи.
Термин “сопротивление ” уже говорит сам за себя 😉
Итак, сопротивление – физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать (сопротивляться ) прохождению электрического тока.
Рассмотрим медный проводник длиной l с площадью поперечного сечения, равной S :
Сопротивление проводника зависит от нескольких факторов:
Удельное сопротивление – это табличная величина.
Формула, с помощью которой можно вычислить сопротивление проводника выглядит следующим образом:
Для нашего случая будет равно 0,0175 (Ом * кв. мм / м) – удельное сопротивление меди. Пусть длина проводника составляет 0.5 м , а площадь поперечного сечения равна 0.2 кв. мм . Тогда:
Как вы уже поняли из примера, единицей измерения сопротивления является Ом 😉
С сопротивлением проводника все ясно, настало время изучить взаимосвязь напряжения, силы тока и сопротивления цепи .
И тут на помощь нам приходит основополагающий закон всей электроники – закон Ома:
Сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению рассматриваемого участка цепи.
Рассмотрим простейшую электрическую цепь:
Как следует из закона Ома напряжение и сила тока в цепи связаны следующим образом:
Пусть напряжение составляет 10 В, а сопротивление цепи равно 200 Ом. Тогда сила тока в цепи вычисляется следующим образом:
Как видите, все несложно 🙂
Пожалуй на этом мы и закончим сегодняшнюю статью, спасибо за внимание и до скорых встреч! 🙂
Прохождение электрического тока через любую проводящую среду объясняется наличием в ней некоторого количества носителей заряда: электронов – для металлов, ионов – в жидкостях и газах. Как найти её величину, определяет физика силы тока.
В спокойном состоянии носители движутся хаотично, но при воздействии на них электрического поля движение становится упорядоченным, определяемым ориентацией этого поля – возникает сила тока в проводнике. Количество носителей, участвующих в переносе заряда, определяется физической величиной – силой тока.
От концентрации и заряда частиц-носителей, или количества электричества, напрямую зависит сила тока, проходящего через проводник. Если принять во внимание время, в течение которого это происходит, тогда узнать, что такое сила тока, и как она зависит от заряда, можно, используя соотношение:
Входящие в формулу величины:
- I – сила электрического тока, единицей измерения является ампер, входит в семь основных единиц системы Си. Понятие «электрический ток» ввёл Андре Ампер, единица названа в честь этого французского физика. В настоящее время определяется как ток, вызывающий силу взаимодействия 2×10-7 ньютона между двумя параллельными проводниками, при расстоянии 1 метр между ними;
- Величина электрического заряда, применённая здесь для характеристики силы тока, является производной единицей, измеряется в кулонах. Один кулон – это заряд, проходящий через проводник за 1 секунду при токе 1 ампер;
- Время в секундах.
Сила тока через заряд может вычисляться с применением данных о скорости и концентрации частиц, угла их движения, площади проводника:
I = (qnv)cosαS.
Также используется интегрирование по площади поверхности и сечению проводника.
Определение силы тока с использованием величины заряда применяется в специальных областях физических исследований, в обычной практике не используется.
Связь между электрическими величинами устанавливается законом Ома, который указывает на соответствие силы тока напряжению и сопротивлению:
Сила электрического тока здесь как отношение напряжения в электрической цепи к её сопротивлению, эти формулы используются во всех областях электротехники и электроники. Они верны для постоянного тока с резистивной нагрузкой.
В случае косвенного расчета для переменного тока следует учитывать, что измеряется и указывается среднеквадратичное (действующее) значение переменного напряжения, которое меньше амплитудного в 1,41 раза, следовательно, максимальная сила тока в цепи будет больше во столько же раз.
При индуктивном или емкостном характере нагрузки вычисляется комплексное сопротивление для определённых частот – найти силу тока для такого рода нагрузок, используя значение активного сопротивления постоянному току, невозможно.
Так, сопротивление конденсатора постоянному току практически бесконечно, а для переменного:
Здесь RC – сопротивление того же конденсатора ёмкостью С, на частоте F, которое во многом зависит от его свойств, сопротивления разных типов ёмкостей для одной частоты значительно различаются. В таких цепях сила тока по формуле, как правило, не определяется – используются различные измерительные приборы.
Для нахождения значения силы тока при известных значениях мощности и напряжения, применяются элементарные преобразования закона Ома:
Тут сила тока – в амперах, сопротивление – в омах, мощность – в вольт-амперах.
Электрический ток имеет свойство разделяться по разным участкам цепи. Если их сопротивления различны, то и сила тока будет разной на любом из них, так находим общий ток цепи.
Общий ток цепи равен сумме токов на её участках – при полном проходе через электрическую замкнутую цепь ток разветвляется, затем принимает исходное значение.
Видео
Содержание:
Движение заряженных частиц в проводнике в электротехнике называется электрическим током. Электроток не характеризуется только прошедшим через проводник значением количества электрической энергии, так как за 60 минут через него может пройти электричество равное 1 Кулону, но и такое же количество электричества можно пропустить через проводник за одну секунду.
Что такое сила тока
Когда рассматривается количество электричества, протекающее через проводник за разные интервалы времени, понятно, что за меньший промежуток времени ток течет интенсивней, поэтому в характеристику электротока вводится еще одно определение - это сила тока, которая характеризуется протекающим в проводнике током за секунду времени. Единицей измерения величины силы проходящего тока в электротехнике принят ампер.
Иными словами, сила электрического тока в проводнике - это количество электричества, которое прошло через его сечение за секунду времени, маркировка литерой I. Силу тока измеряют в амперах - это единица измерения, которая равняется силе неизменяющегося тока, проходящего по бесконечным параллельным проводам с наименьшим круговым сечением, удаленным друг от друга на 100 см и расположенным в вакууме, который вызывает взаимодействие на метре длины проводника силой = 2*10 минус 7 степени Ньютона на каждые 100 см длины.
Специалисты часто определяют величину проходящего тока, на Украине (сила струму) она равна 1 амперу, когда через сечение проводника проходит каждую секунду 1 кулон электричества.
В электротехнике можно увидеть частое применение других величин в определении значения силы проходящего тока: 1 миллиампер, который равен единица/ Ампер, 10 в минус третьей степени Ампер, один микроампер - это десять в минус шестой степени Ампер.
Зная количество электричества, прошедшее через проводник за определенный промежуток времени, можно вычислить силу тока (как говорят на Украине - силу струму) по формуле:
Когда электрическая цепь замкнута и не имеет ответвлений, тогда в каждом месте ее поперечного сечения протекает за секунду одинаковое количество электричества. Теоретически это объясняется невозможностью накапливания электрических зарядов в каком либо месте цепи, по этой причине сила тока везде одинакова.
Данное правило справедливо и в сложных цепях, когда есть ответвления, но относится к некоторым участкам сложной цепи, которые можно рассматривать в виде простой электроцепи.
Как измеряется сила тока
Величину силы тока измеряют прибором, который называется амперметр, а также для небольших значений - миллиамперметр и микроамперметр, который можно увидеть на фото внизу:
Среди людей бытует мнение, что когда измеряется сила тока в проводнике до нагрузки (потребителя), то значение будет выше, чем после нее. Это ошибочное мнение, основанное на том, что якобы какое-то значение силы будет расходоваться на то, чтобы привести потребитель в действие. Электроток в проводнике - это процесс электромагнитный, в котором участвуют заряженные электроны, они направленно двигаются, но энергию передают не электроны, а электромагнитное поле, которое окружает проводник.
Количество электронов, вышедших из начала цепи, будет равно количеству электронов и после потребителя в конце цепи, они не могут быть израсходованы.
Какие проводники бывают? Специалисты дают определение понятию «проводник» - это материал, в котором частицы, имеющие заряд, могут перемещаться свободно. Такие свойства на практике имеют почти все металлы, кислота и солевой раствор. А материал или вещество, в котором движение заряженных частиц затруднено или вообще невозможно, называются изоляторами (диэлектриками). Часто встречающиеся материалы-диэлектрики - это кварц или эбонит, искусственный изолятор.
Вывод
На практике современное оборудование работает с большими величинами тока, до сотни, а то и тысячи ампер, а также и с малыми значениями. Примером в повседневной жизни величины тока в разных приборах может быть электрическая плита, где она достигает значения в 5 А, а простая лампа накаливания может иметь величину 0,4 А, в фотоэлементе величина проходящего тока измеряется в микроамперах. В линиях городского общественного транспорта (троллейбус, трамвай) значение проходящего тока достигает 1000 А.
Определение электрической цепи подразумевает набор некоторых объектов и устройств, между собой соединенных определенным образом, которые являются путем для протекания электрического тока. Физическая величина, характеризующаяся отношением заряда, который сечение проводника за время, к значению этого временного промежутка – это сила тока в цепи.
{ ArticleToC: enabled=yes }
Составляют цепь:
- генератор (источника энергии);
- нагрузки (энергопотребителей);
- провода.
Их также делят на разветвленные и неразветвленные, т.е. простые, где ток, протекающий к потребителю от источника энергии, не меняет значения. Другими словами, его величина одинакова на всех элементах. Примером простейшей цепи служит освещение помещения одной лампой, где от источника энергии течет ток через выключатель к лампе накаливания и возвращается назад к источнику.
Для разветвленных цепей характерно одно или несколько ответвлений, т.е. на своем пути разветвляется ток, идущий от источника, и течет по ветвям к независимым потребителям, изменяя свое значение.
В качестве примера служить тоже освещение, но при наличии люстры, состоящей не из одной, а из нескольких лампочек и многоклавишного выключателя. Ток, дойдя до выключателя от источника, разделяется, чтобы питать лампы. Затем, возвращается по общему для них проводу назад.
Ветвь – это один или больше элементов, которые соединены последовательно.
Напряжение измеряют относительно земли, где его величина составляет ноль. Ток течет из узла, в котором напряжение высокое, к узлу с низким.
Вычислить напряжение в узле легко:
V1-V2=I1*(R1) , где
I1 — ток, текущий из 1 узла ко 2;
V1 — известное напряжение;
R1 — сопротивление между этими узлами;
V2 – искомое напряжение.
Проведя определенные действия, имеем — V2=V1-(I1*R1) .
Так же определяется ток ответвления, когда известно напряжение узлов: I 1=(V1-V2)/R1 или I 1+ I3=I2 , что означает, что входящий ток узла и выходящий одинаковы
Нелинеые и линейные цепи
В первых присутствует минимум один элемент, у которого существует зависимость параметров от тока, текущего по ним, и прикладываемого напряжения.
Во втором случае, ни одна характеристика составляющих цепь элементов, от вида тока, текущего по ним, и его величины не зависит. Кроме этого, в самих цепях различают внешние части и внутренние.
К первой принадлежит источник электроэнергии, а к внешней – провода, включатели и выключатели, измерительные приборы, т.е. все подсоединенное к источнику при помощи зажимов. Ток может течь исключительно по замкнутой цепи. Если же в каком-либо месте возникает разрыв, он прекращается.
Цепи еще бывают постоянного тока, т.е. в для которых не свойственно изменение направления тока (полярность источников ЭДС постоянна), и переменного, для которых характерно изменение во времени протекающего тока.
В цепях выступать источниками питания могут быть: аккумуляторы, электромеханические генераторы и термоэлектрические, фотоэлементы и гальванические. У них сопротивление внутреннее настолько мало, по отношению к другим нагрузкам, что им можно пренебречь.
Приемниками постоянного тока служат осветительные приборы, электромоторы, преобразующие в механическую электрическую энергию, и др.
К оборудованию вспомогательному относят:
- рубильник;
- приборы для измерения различных параметров (вольтметры и амперметры);
- элементы защиты типа плавких предохранителей.
Для всех электроприемников важны два параметра – напряжение на их зажимах и мощность. Элементы, составляющие электрическую цепь, могут быть активными, т.е. индуцирующими ЭДС (моторы, аккумуляторные батареи) и пассивными (провода, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности).
Цепь с активным сопротивлением и индуктивностью
Для цепи, питающейся от переменного тока, в которую включена катушка индуктивности, принято считать, что активное сопротивление ее равняется нулю. В действительности и провод катушки, и соединительные обладают, путь и очень маленьким, активным сопротивлением. Поэтому цепь будет потреблять энергию.
Следовательно, определяя общее сопротивление цепи, учитывать необходимо активное и реактивное сопротивление. Однако, они разнятся по характеру, поэтому обычным способом их складывать невозможно. Использовать нужно метод геометрического сложения, выглядит который следующим образом (рисунок ниже):
Требуется построить треугольник, одна из сторон которого равна величине сопротивления активного, а другая – индуктивного. Величина суммарного сопротивления соответствует третьей стороне, т.е. гипотенузе.
Измеряется полное сопротивление омами, а обозначается «Z». Из выполненного построения понятно, что оно (гипотенуза) больше всегда, чем взятые отдельно величины активного и индуктивного (катетов).
В виде алгебраического выражения это выглядит так:
Здесь:
Z - полное сопротивление;
R - активное;
XL - индуктивное.
Так выглядит зависимость между сопротивлениями составляющих цепь элементов и полным.
Мощность цепи с катушкой индуктивности
Мощность, как известно из программы средней школы, это произведение тока и напряжения, которые являются величинами переменными. Значит, переменной величиной в цепи с активным сопротивлением и индуктивностью будет и мощность.
Ее значение в определенный момент можно вычислить, перемножив значения тока и напряжения в этот же момент. Проделав эти действия для каждого временного момента, получаем графики: а – для содержащей индуктивность цепи, б – активное:
Пунктирной кривой p показана мощность цепи переменного тока, которая состоит из индуктивности. Для ее построения справедливо алгебраическое умножение: умножение двух величин с одинаковым знаком (два минуса или два плюса) в результате дают величину положительную, а при умножении их с разными знаками – отрицательную.
Для цепи, которая помимо индуктивности содержит резистор, график мощности выглядит так:
Линия мощности при этом расположена оси времени. Означает это, что генератор с цепью не обмениваются энергией, поэтому отдаваемая в цепь генератором мощность, цепью потребляется полностью.
Получается, что при большем сдвиге фаз между током и напряжением, меньше мощности, потребляемая цепью.
Мощность электрического тока
Ток, идущий от высокого потенциала к низкому, совершает работу. Скорость ее совершения называется мощностью тока в цепи. Поскольку, силой тока называют количество проходящего в течении секунды через сечение цепи электричества, то мощность является величиной, находящейся в прямо пропорциональной зависимости от силы тока в цепи с резистором и напряжения (разности потенциалов). Измеряют ее в Вт (ваттах) и обозначают «Р».
P = I*U
Если же известны лишь сопротивление и сила тока, ее вычисляют по формуле:
U=IR , а затем, P = I*U =I*IR
В результате имеем:
Р = I2*R
Если известными величинами являются сопротивление и напряжение, ее высчитывают так:
Р = I*U=U2/R