W elektrotechnice prąd elektryczny to ruch naładowanych cząstek wzdłuż przewodnika. Ilość ta nie charakteryzuje się jedynie ilością energii elektrycznej przepływającej przez przewodnik, ponieważ przez ten sam przewodnik mogą przepływać zarówno różne, jak i różne prądy. jednakową siłę na różne okresy czasu. Dlatego nie wszystko jest tak proste, jak się wydaje. Zaleca się zapoznanie z bardziej szczegółowymi definicjami prądu elektrycznego, czym jest on równy i jak jest obliczany. W tym artykule wyjaśnimy, jak znaleźć prąd w przewodniku i podamy wzór tego równania.
Biorąc pod uwagę ilość prądu przepływającego przez dany przewodnik w różnych odstępach czasu, stanie się jasne, że w krótkim czasie prąd będzie płynął z większą intensywnością, dlatego konieczne jest wprowadzenie jeszcze jednej definicji. Oznacza prąd płynący w przewodniku na sekundę.
Podstawowe wielkości charakteryzujące przepływ elektronów
Jeśli sformułujemy definicję w oparciu o wszystkie powyższe, wówczas siła prądu elektrycznego jest ilością przepływającej energii elektrycznej Przekrój dyrygent za sekundę. Wartość oznaczona jest łacińską literą „I”.
Galwanometr do pomiaru małych prądów
Ważny! Eksperci definiują natężenie prądu elektrycznego jako jeden amper, gdy przez przekrój przewodnika w ciągu jednej sekundy przepływa jeden kulomb prądu elektrycznego.
Często w elektrotechnice można zobaczyć inne jednostki pomiaru prądu elektrycznego: miliampery, mikroampery i tak dalej. Wynika to z faktu, że takie ilości będą w zupełności wystarczające do zasilania nowoczesnych obwodów. 1 amper to bardzo bardzo ważne, ponieważ prąd o natężeniu 100 miliamperów może zabić człowieka, dlatego gniazdko elektryczne jest dla człowieka nie mniej niebezpieczne niż na przykład pędzący samochód.
Schemat definiujący rozważane pojęcie
Jeśli znasz ilość prądu, która przepłynęła przez przewodnik w określonym czasie, to siłę (nie moc) można obliczyć, korzystając ze wzoru pokazanego na rysunku.
Gdy sieć elektryczna jest zamknięta i nie ma odgałęzień, przez każdy jej przekrój w ciągu sekundy przepływa taka sama ilość prądu. Teoretycznie jest to uzasadnione w następujący sposób: ładunek nie może gromadzić się w określonym miejscu, a siła prądu elektrycznego jest wszędzie taka sama.
Rodzaje prądów
Aktualne źródła
Źródło prądu elektrycznego to urządzenie elektryczne, które przekształca określony rodzaj energii w energię elektryczną. Urządzenia takie dzielą się na fizyczne i chemiczne.
Zasada działania źródeł chemicznych opiera się na konwersji energii chemicznej na energię elektryczną. Transformacja ta zachodzi samodzielnie i nie wymaga udziału z zewnątrz. W zależności od odnawialności pierwiastków i rodzaju reakcji dzieli się je na:
- Pierwotne (akumulatory) Źródła pierwotne nie mogą być ponownie wykorzystane, jeśli są rozładowane, ponieważ zachodzące w nich reakcje chemiczne są nieodwracalne. Dzieli się je na ogniwa paliwowe i półpaliwowe. Paliwowe są podobne do akumulatorów, ale substancje chemiczne są napełniane osobno, jak jedzenie Reakcja chemiczna wychodzą na zewnątrz. Dzięki temu mogą pracować przez długi czas. Półpaliwa obejmują jeden z pierwiastki chemiczne, a drugi pojawia się stopniowo w trakcie użytkowania. Ich żywotność zależy od dostaw substancji nieodnawialnej. Jeśli dla takiego elementu możliwa jest regeneracja poprzez ładowanie, wówczas odzyskuje on swoje możliwości jako akumulator.
Baterie - jako podstawowe chemiczne źródła prądu
- Wtórne (akumulatory) przed użyciem przechodzą cykl ładowania. Ładunek, który otrzymają w trakcie procesu, może być transportowany wraz z urządzeniami. Po zużyciu wsadu można go zregenerować dzięki ładowaniu i odwracalności reakcji chemicznej. Do wtórnych zalicza się także elementy odnawialne, które ładują się mechanicznie lub chemicznie i przywracają zdolność do zasilania urządzeń. Są zaprojektowane w taki sposób, że po pewnym czasie wymagają wymiany niektórych części, aby reakcja mogła być kontynuowana.
Rodzaje źródeł energii elektrycznej
Ważny! Należy rozumieć, że podział na baterie i akumulatory jest warunkowy. Właściwości baterii mogą objawiać się na przykład w bateriach alkalicznych, które można ożywić przy określonym stanie naładowania.
Ponadto, w zależności od rodzaju odczynników, źródła chemiczne dzielą się na:
- Kwaśny.
- Solankowy.
- Alkaliczny.
Fizyczne źródła prądu elektrycznego opierają się na konwersji energii mechanicznej, a także jądrowej, cieplnej lub świetlnej na energię elektryczną.
Przemysłowy generator prądu trójfazowego
Aktualna siła - czym jest równa, w jakich jednostkach jest mierzona, jak znaleźć aktualną siłę za pomocą wzoru
Jak już stało się jasne, natężenie prądu elektrycznego jest wielkością fizyczną, która pokazuje ładunek przechodzący przez przewodnik w jednostce czasu. Podstawowy wzór na jego obliczenie wygląda następująco: I = q/t, gdzie q to ładunek przepływający przez przewodnik w kulombach, a t to przedział czasu w sekundach.
Natężenie prądu elektrycznego można również obliczyć, korzystając z prawa Ohma. Stwierdza, że wartość ta jest równa napięciu sieciowemu w woltach podzielonemu przez jego rezystancję w omach. W związku z tym istnieje tego rodzaju wzór - I = U/R. Prawo to ma zastosowanie do obliczania wartości prąd stały.
Liczyć parametry zmienne prąd, musisz podzielić znalezione wartości przez Pierwiastek kwadratowy z dwóch.
Dla Twojej informacji! Jest to bardziej praktyczna metoda pomiaru i musi być często stosowana, ponieważ wszystkie urządzenia w domu lub biurze są zasilane z gniazdek dostarczających prąd przemienny. Dzieje się tak, ponieważ łatwiej jest z nim pracować i wygodniej go przekształcać.
Prawo Ohma w tabeli
Ważny! Wyraźny przykład działania przemiennego prądu elektrycznego można zaobserwować po włączeniu świetlówek. Dopóki nie zaświecą się całkowicie, będą migać, ponieważ prąd przepływa w nich tam i z powrotem.
Jednostką prądu jest amper. Definiuje się go jako siłę prądu stałego, który przepływa przez nieskończone równoległe przewodniki o najmniejszym przekroju kołowym (minimalna powierzchnia przekrój okrągły), rozmieszczonych w odległości 1 metra i umieszczonych w pozbawionej powietrza przestrzeni próżniowej. To oddziaływanie na metr długości tych przewodników jest równe 2 × 10 do minus 7 potęgi Newtona. Jeśli jeden kulomb ładunku przepływa przez przewodnik w ciągu jednej sekundy, wówczas natężenie prądu w nim jest równe jednemu amperowi.
Akumulatory są źródłami wtórnymi, ale są nierozerwalnie powiązane z akumulatorami
Dlaczego musisz mierzyć prąd?
Natężenie prądu w przewodniku lub odcinku obwodu elektrycznego mierzy się, aby mieć pojęcie o charakterystyce danego przewodnika lub obwodu. Ponieważ natężenie prądu jest jednym z głównych parametrów energii elektrycznej, jest ono nierozerwalnie powiązane z innymi wartościami, takimi jak napięcie i rezystancja. Co więcej, jak już stało się jasne, te trzy wielkości mogą się wzajemnie proporcjonalnie determinować.
Panel słoneczny jest także źródłem przetwarzającym energię świetlną
Obliczenia natężenia prądu elektrycznego przeprowadza się w różnych przypadkach:
- Podczas układania sieci elektrycznych.
- Podczas tworzenia urządzeń.
- W celach edukacyjnych.
- Przy wyborze odpowiednich części do wykonania określonych czynności.
Aktualny schemat urządzenia generatora
Urządzenie elektryczne do pomiaru prądu
Aby zmierzyć natężenie prądu elektrycznego, stosuje się specjalne urządzenie zwane amperomierzem. Jeśli konieczne jest zmierzenie prądów o różnej mocy, wówczas uciekają się do stosowania miliamperomierzy i makroamperomierzy. Aby zmierzyć za jego pomocą wymaganą wartość, należy go podłączyć szeregowo do obwodu. Prąd przepływający przez urządzenie zostanie przez niego zmieniony, a dane zostaną wyświetlone na wyświetlaczu cyfrowym lub na wadze analogowej.
Ważny! Warto pamiętać, że amperomierz można włączyć w dowolnym miejscu sieci, ponieważ natężenie prądu w prostym obwodzie zamkniętym bez odgałęzień jest we wszystkich punktach takie samo.
Nowoczesne testery i multimetry zawierają funkcję pomiaru prądu elektrycznego, dzięki czemu nie ma potrzeby uciekania się do dużych urządzeń przeznaczonych do zastosowań przemysłowych
Natężenie prądu w domu można zmierzyć za pomocą multimetru
Zatem siła prądu elektrycznego jest podstawową cechą poruszających się cząstek. Nie tylko wyjaśnia, jakie napięcie i rezystancja występują w sieci, ale także określa inne ważne wielkości, takie jak pole elektromagnetyczne itp.
Myślę, że słyszałeś wyrażenie „aktualna siła” więcej niż raz. Do czego potrzebna jest siła? Cóż, po co, aby wykonać pożyteczną lub bezużyteczną pracę. Najważniejsze to coś zrobić. Nasze ciało też ma moc. Niektórzy ludzie mają taką siłę, że jednym ciosem potrafią rozbić cegłę na kawałki, a inni nie potrafią nawet podnieść łyżki. Zatem, drodzy czytelnicy, prąd elektryczny również ma moc.
Wyobraź sobie wąż, którym podlewasz swój ogród.
Niech wąż będzie drutem, a woda w nim będzie prądem elektrycznym. Odkręciliśmy trochę kran i przez wąż popłynęła woda. Powoli, ale jednak biegła. Siła odrzutu jest bardzo słaba. Teraz odkręćmy kran do końca. Dzięki temu strumień będzie tryskał z taką siłą, że będzie można nawet podlać ogródek sąsiada.
Teraz wyobraź sobie, że napełniasz wiadro. Czy ciśnienie wody z kranu lub węża napełni ją szybciej? Średnica węża i kranu jest taka sama
Oczywiście pod ciśnieniem z żółtego węża! Ale dlaczego tak się dzieje? Rzecz w tym, że objętość wody wypływającej z kranu i żółtego węża w jednakowym okresie czasu jest również inna. Innymi słowy, z węża wypłynie znacznie większa liczba cząsteczek wody niż z kranu w tym samym czasie.
Jaka jest aktualna siła
To dokładnie ta sama historia z przewodami). Oznacza to, że w tym samym czasie liczba elektronów biegnących wzdłuż drutu może być zupełnie inna. Z tego możemy wyprowadzić definicję natężenia prądu.
Zatem prąd to liczba elektronów przechodzących przez pole przekroju poprzecznego przewodnika na jednostkę czasu, powiedzmy, na sekundę. Poniżej na rysunku ten sam obszar przekroju drutu, przez który przepływa prąd elektryczny, jest zacieniony zielonymi liniami.
Im większa jest liczba elektronów „biegnących” wzdłuż drutu przez przekrój przewodnika w pewnym czasie, tym większa będzie siła prądu w przewodniku.
Inaczej mówiąc, przepis na czajnik:
Gdzie
I – rzeczywista siła prądu
N – liczba elektronów
t to okres czasu, w którym elektrony przemieszczają się przez przekrój poprzeczny przewodnika.
Siłę prądu mierzy się w tzw Amper, na cześć francuskiego naukowca André-Marie Ampère.
Należy również pamiętać, że każdy wąż może wytrzymać tylko określony maksymalny przepływ wody, w przeciwnym razie albo pod wpływem takiego ciśnienia zrobi się gdzieś dziura, albo po prostu zostanie rozwalony na kawałki. Podobnie jest z przewodami. Musimy wiedzieć, jaki maksymalny prąd możemy przepuścić przez ten przewód. Na przykład dla drutu miedzianego o przekroju 1 mm2 normalna wartość wynosi 10 amperów. Jeśli dostarczymy więcej, drut zacznie się nagrzewać lub topić. Opierają się na tej zasadzie. Dlatego kable zasilające, przez które „przebiegają” setki i tysiące amperów, są pobierane o dużej średnicy i starają się być wykonane z miedzi, ponieważ jej moc właściwa jest bardzo mała.
Definicja
Wstrząs elektryczny zwany uporządkowanym ruchem nośników ładunku. W metalach są to elektrony, cząstki naładowane ujemnie, o ładunku równym ładunkowi elementarnemu. Za kierunek prądu uważa się kierunek ruchu dodatnio naładowanych cząstek.
Natężenie prądu (prąd) przepływające przez pewną powierzchnię S jest skalarną wielkością fizyczną, oznaczoną przez I, równą:
gdzie q to ładunek przechodzący przez powierzchnię S, t to czas przemieszczania się ładunku. Wyrażenie (1) określa wielkość prądu w chwili t (chwilowa wartość prądu).
Niektóre rodzaje prądu
Prąd nazywa się stałym, jeśli jego siła i kierunek nie zmieniają się w czasie, wówczas:
Wzór (2) pokazuje, że prąd stały jest równy ładunkowi przepływającemu przez powierzchnię S w jednostce czasu.
Jeśli prąd jest przemienny, wówczas chwilowa siła prądu (1), amplituda prądu i siła skuteczna aktualny Wartość skuteczna prądu przemiennego (I eff) to siła prądu stałego, która wykona w jednym okresie (T) pracę równą pracy prądu przemiennego:
Jeśli prąd przemienny można przedstawić jako sinusoidalny:
wówczas I m jest amplitudą prądu (jest częstotliwością prądu przemiennego).
Gęstość prądu
Rozkład prądu elektrycznego na przekroju przewodnika charakteryzuje się wektorem gęstości prądu (). W której:
gdzie jest kątem między wektorami i ( jest normalną do elementu powierzchniowego dS), j n jest rzutem wektora gęstości prądu na kierunek normalnej ().
Natężenie prądu w przewodniku określa się za pomocą wzoru:
gdzie całkowanie w wyrażeniu (6) odbywa się po całym przekroju przewodu S
Dla prądu stałego mamy:
Jeśli weźmiemy pod uwagę dwa przewodniki o przekrojach S 1 i S 2 oraz prądy stałe, wówczas zależność zachodzi:
Natężenie prądu w połączeniach przewodów
Gdy przewodniki są połączone szeregowo, prąd w każdym z nich jest taki sam:
Przy równoległym łączeniu przewodów natężenie prądu (I) oblicza się jako sumę prądów w każdym przewodniku (I i):
Prawo Ohma
Natężenie prądu zawarte jest w jednym z podstawowych praw prądu stałego – prawie Ohma (dla odcinka obwodu):
gdzie - jest różnicą potencjałów na końcach rozważanego odcinka, jest emf źródła zawartego w odcinku obwodu, R jest rezystancją odcinka obwodu.
Aktualne jednostki
Podstawową jednostką prądu w układzie SI jest: [I]=A(amper)=C/s
Przykłady rozwiązywania problemów
Przykład
Ćwiczenia. Jaki ładunek (q) przepływa przez przekrój przewodnika w czasie od t 1 = 2c do t 2 = 6c, jeśli natężenie prądu zmienia się zgodnie z równaniem: I = 2 + t, gdzie natężenie prądu jest w amperach, czas w sekundach?
Rozwiązanie. Jako podstawę rozwiązania problemu przyjmiemy definicję chwilowego natężenia prądu:
W tym przypadku ładunek przechodzący przez przekrój przewodnika jest równy:
Podstawmy do wyrażenia (1.2) równanie na siłę prądu z warunków zadania, uwzględniając granice zmiany w odcinku czasowym:
Odpowiedź. q=24 kl
Przykład
Ćwiczenia. Kondensator płaski składa się z dwóch kwadratowych płytek o boku A, oddalonych od siebie o d. Kondensator ten jest podłączony do źródła stałego napięcia U. Kondensator zanurza się w naczyniu z naftą (płyty kondensatora są ustawione pionowo) z prędkością v=const. Jaka jest ilość prądu, który przepłynie przez przewody doprowadzające w procesie opisanym powyżej. Załóżmy, że stała dielektryczna nafty wynosi .
Rozwiązanie. Podstawą rozwiązania problemu będą wzory na obliczenie aktualnej wytrzymałości formy.
Pamiętamy z lekcji fizyki Liceum podstawowy postulat. To wygląda tak:
Aktualna siła jest wielkością, która ilościowo charakteryzuje uporządkowany ruch naładowanych cząstek
Aby zrozumieć tę definicję, trzeba najpierw dowiedzieć się, czym jest „uporządkowany ruch naładowanych cząstek”. To jest dokładnie to, czym jest prąd elektryczny. Zatem natężenie prądu umożliwia numeryczny pomiar prądu elektrycznego.
Na przykład określona ilość ładunku elektrycznego może przepłynąć przez przewodnik w ciągu 1 godziny lub 1 sekundy. Oczywiste jest, że w drugim przypadku intensywność przepływu ładunków będzie znacznie większa. W związku z tym prąd będzie większy. Od w systemie międzynarodowym Za jednostkę czasu w układzie SI uważa się 1 sekundę, po czym dochodzimy do definicji natężenia prądu.
Aktualna siła to ilość prądu elektrycznego przechodzącego przez przekrój poprzeczny przewodnika w ciągu jednej sekundy.
Jednostka prądu
Jednostką prądu jest Amper. Amper to natężenie prądu elektrycznego, przy którym w ciągu sekundy przez przekrój przewodnika przepływa ilość energii elektrycznej równa jednemu kulombowi: 1 amper = 1 kulomb/1 sekunda.
Dodatkowe jednostki miary najczęściej spotykane w sektorze energetycznym:
- 1 mA (miliamper) = 0,001 A;
- 1 µA (mikroamper) = 0,000001 A;
- 1 kA (kiloamper) = 1000 A.
Teraz wiemy, jak mierzy się prąd.
Pomiar prądu
Do pomiaru natężenia prądu służy urządzenie Amperomierz. Miliamperomierze i mikroampery służą do pomiaru bardzo małych prądów.
Symbole amperomierza i miliamperomierza
Aby zmierzyć prąd, należy podłączyć amperomierz do obwodu otwartego, czyli szeregowo. Zmierzony prąd przepływa od źródła przez amperomierz i odbiornik. Igła amperomierza pokazuje prąd w obwodzie. Gdzie dokładnie włączyć amperomierz w obwodzie nie ma znaczenia, ponieważ natężenie prądu w prostym obwodzie zamkniętym (bez odgałęzień) będzie takie samo we wszystkich punktach obwodu.
Urządzenie amperomierza
W technologii istnieją prądy bardzo wysokie (tysiące amperów) i bardzo małe (milionowe części ampera).
Na przykład natężenie prądu kuchenki elektrycznej wynosi około 4–5 amperów, żarówek - od 0,3 do 4 amperów (i więcej). Prąd przepływający przez fotokomórki wynosi tylko kilka mikroamperów. W głównych przewodach podstacji dostarczających energię elektryczną do sieci tramwajowej prąd sięga tysięcy amperów.
Prąd to ruch naładowanych cząstek w jednym kierunku. Aktualną siłę można znaleźć w praktyce za pomocą specjalnych przyrządów pomiarowych lub można ją obliczyć, korzystając z już wyprowadzonych gotowych wzorów, jeśli dysponuje się danymi wyjściowymi.
Wielkość fizyczna pokazująca ładunek przepływający przez przewodnik w określonej jednostce czasu nazywana jest siłą prądu. Podstawowy wzór, według którego można obliczyć tę siłę, to: I = q/t. Oznacza to, że stosunek ładunku przechodzącego przez przekrój poprzeczny do przedziału czasu, w którym przepływał prąd, jest równy pożądanej wartości I.Objaśnienie symboli:
- I – oznaczenie natężenia prądu elektrycznego, mierzone w amperach (A) lub 1 kulombu/sekundę;
- q – ładunek poruszający się wzdłuż przewodnika, jednostka miary kulomby (C);
- t – czas przejścia ładunku, mierzony w sekundach (s).
- E – siła elektromotoryczna, SEM, Volt;
- R – rezystancja zewnętrzna, Ohm;
- R - opór wewnętrzny, Och.
Prawa Ohma mają zastosowanie do obliczania prądu stałego, ale jeśli chcesz poznać wielkość mocy prądu przemiennego, uzyskane wartości należy podzielić przez pierwiastek z dwóch.
Główne sposoby określania aktualnej siły za pomocą systemów przyrządów w praktyce:- Magnetoelektryczna metoda pomiaru, której zaletą jest czułość i dokładność odczytów, a także niskie zużycie energii. Metodę tę można zastosować jedynie do określenia wielkości prądu stałego.
- Elektromagnetyczne to oznaczanie siły prądów przemiennych i stałych metodą transformacji pole elektromagnetyczne na sygnał magnetycznego czujnika modułowego.
- Pośrednio, za pomocą woltomierza, napięcie znajduje się przy określonej rezystancji.
Określenie pobieranego prądu nie jest tak często wymagane, jak pomiar rezystancji lub napięcia, ale bez znalezienia wielkość fizyczna prądu, nie można obliczyć zużycia energii.
