Электрическим током в электротехнике называется движение заряженных частиц по какому-либо проводнику. Эта величина не характеризуется лишь количеством энергии электричества, проходящей через проводник, так как за один и тот же проводник можно пропустить ток как разной, так и равной силы за разные промежутки времени. Именно поэтому не все так просто, как кажется. Рекомендуется ознакомиться с более развернутыми определениями электротока, чему он равен и как вычисляется. В этой статье будет объяснено, как найти силу тока в проводнике, будет дана формула этого уравнения.
Рассматривая количество электроэнергии, которое протекает через определенный проводник за различные временные интервалы, станет ясно, что за малый промежуток ток протечет более интенсивно, поэтому нужно ввести еще одно определение. Оно означает силу тока, протекающую в проводнике за секунду времени.
Основные величины, характеризующие поток электронов
Если сформулировать определение на основе всего вышеперечисленного, то сила электротока – это количество электроэнергии, проходящее через поперечное сечение проводника за секунду. Маркируется величина латинской буквой «I».
Гальванометр для измерения небольшой силы тока
Важно! Специалисты определяют силу электротока, равную одному амперу, когда через поперечное сечение проводника проходит один кулон электричества за одну секунду.
Часто в электротехнике можно увидеть другие единицы измерения силы электротока: миллиамперы, микроамперы и так далее. Связано это с тем, что для питания современных схем таких величин будет вполне достаточно. 1 ампер – это очень большое значение, так как человека может убить ток в 100 миллиампер, и потому электророзетка для человека ничуть не менее опасна, чем, к примеру, несущийся на скорости автомобиль.
Схема, определяющая рассматриваемое понятие
Если известно количество электроэнергии, которое прошло через проводник за конкретный промежуток времени, то силу (не мощность) можно вычислить по формуле, изображенной на картинке.
Когда электросеть замкнута и не имеет никаких ответвлений, через каждое поперечное сечение за секунду протекает одно и то же количество электричества. Теоретически это обосновывается так: заряд не может накапливаться в определенном месте, и сила электротока везде одинакова.
Виды токов
Источники тока
Источником электротока называется такой электротехнический прибор, который конвертирует определенный вид энергии в электрическую. Такие устройства делятся на физические и химические.
Принцип действия химических источников основан на преобразовании химической энергии в электрическую. Это преобразование происходит самостоятельно и не требует участия извне. В зависимости от возобновляемости элементов и типа реакций, они делятся на:
- Первичные (батарейки) Первичные источники нельзя использовать второй раз, если они разрядились, так как химические реакции, протекающие в них, необратимы. Они делятся на топливные и полутопливные элементы. Топливные аналогичны батарейкам, но химические вещества в них заправляются отдельно, как продукты химической реакции они выходят наружу. Это помогает им работать долгое время. Полутопливные включают в себя один из химических элементов, а второй постепенно поступает на протяжении всего использования. Их срок службы определяется запасом невозобновляемого вещества. Если для такого элемента возможна регенерация через зарядку, то он возобновляет свои возможности как аккумулятор.
Батарейки – как первичные химические источники тока
- Вторичные (аккумуляторы) перед использованием проходят цикл зарядки. Заряд, который они получают в процессе, можно транспортировать вместе с устройствами. После расходования заряда возможна его регенерация за счет зарядки и обратимости химической реакции. Также к вторичным относятся возобновляемые элементы, которые механическим или химическим путем заряжаются и восстанавливают способность питать приборы. Они разработаны таким образом, что после определенного срока требуют замены определенных частей для продолжения реакции.
Виды источников питания электрическим током
Важно! Следует понимать, что разделение на батарейки и аккумуляторы условно. Свойства аккумулятора могут проявляться, например, у щелочных батарей, которые можно реанимировать при определенной степени заряда.
Также по типу реагентов химические источники делятся на:
- Кислотные.
- Солевые.
- Щелочные.
Физические же источники электротока основаны на преобразовании механической, а также ядерной, тепловой или световой энергии в электрическую.
Промышленный генератор трехфазного тока
Сила тока – чему равна, в каких единицах она измеряется, как найти силу тока по формуле
Как уже стало понятно, сила электротока – это физическая величина, показывающая заряд, который проходит через проводник за единицу времени. Основная формула для ее вычисления выглядит так: I = q/t, где q – это заряд, который идет по проводнику в кулонах, а t – это временной интервал в секундах.
Рассчитать силу электротока можно и с помощью закона Ома. Он гласит, что эта величина равна напряжению сети в вольтах, деленному на ее сопротивление в омах. В связи с этим имеет место формула такого рода - I = U/R. Этот закон применим для расчета значений постоянного тока.
Чтобы вычислить переменные параметры электричества, нужно разделить найденные величины на квадратный корень из двух.
К сведению! Это более практичный метод измерения, и им приходится пользоваться часто, так как все приборы в доме или в офисе работают от розеток, которые подают переменный ток. Делается это из-за того, что с ним легче работать, его удобнее трансформировать.
Закон Ома в таблице
Важно! Наглядный пример работы переменного электротока можно наблюдать при включении люминесцентных ламп. Пока они полностью не загорятся, они будут моргать, потому что ток двигается в них то туда, то сюда.
Единицей измерения силы тока является ампер. Он определяется как сила неизменяющегося тока, который проходит по бесконечным параллельным проводникам с наименьшим круговым сечением (с минимальной площадью кругового сечения), отдаленным друг от друга на 1 метр и расположенным в безвоздушном вакуумном пространстве. Это взаимодействие на одном метре длины этих проводников, равное 2 × 10 в минус 7-й степени Ньютона. Если в проводнике за одну секунду времени проходит один кулон заряда, то сила тока в нем равна одному амперу.
Аккумуляторы являются вторичными источниками, но неразрывно связаны с батарейками
Зачем нужно измерять силу тока
Силу тока в проводнике или на участке электрической цепи измеряют для того, чтобы иметь понятие о характеристиках данного проводника или цепи. Так как сила тока – один из основных параметров электричества, он неразрывно связан с другими значениями по типу напряжения и сопротивления. Более того, как уже стало понятно, три этих величины могут пропорционально определять друг друга.
Солнечная панель также является источником, преобразующим световую энергию
Расчеты силы электротока делаются в разных случаях:
- При прокладке электрических сетей.
- При создании приборов.
- В образовательных целях.
- При выборе подходящих деталей для совершения тех или иных действий.
Схема устройства генератора тока
Электроприбор для измерения силы тока
Для измерения силы электротока используют специальный прибор под названием амперметр. Если требуется измерить токи самых разных сил, то прибегают к использованию миллиамперметров и макроамперметров. Чтобы измерить им требуемую величину, его подключают в цепь последовательно. Ток, который проходит через устройство, будет изменяться им, и данные будут выведены на цифровой дисплей или аналоговые шкалы.
Важно! Стоит помнить, что включать амперметр можно на любом участке сети, поскольку сила тока в простой замкнутой цепи без ответвлений одинакова во всех точках.
Современные тестеры и мультиметры содержат функцию измерения силы электротока, поэтому нет необходимости прибегать к габаритным приборам, предназначенным для промышленного использования
Силу тока в домашних условиях можно измерить с помощью мультиметра
Таким образом, сила электротока – это основополагающая характеристика движущихся частиц. Она не только дает понять, какое в сети напряжение и сопротивление, но и определяет другие важные величины по типу ЭДС и т. д.
Думаю, вы не раз слышали такое словосочетание, как “сила тока”. А для чего нужна сила? Ну как для чего, для того чтобы совершать полезную или бесполезную работу. Главное, чтобы что-то делать. Наше тело тоже обладает силой. У кого-то сила такая, что может одним ударом разбить кирпич в пух и в прах, другой не сможет поднять даже и ложку. Так вот, дорогие мои читатели, электрический ток тоже обладает силой.
Представьте себе шланг, с которым вы поливаете свой огород.
Пусть шланг – это провод, а вода в нем – электрический ток. Мы чуть-чуть приоткрыли краник и вода побежала по шлангу. Медленно, но все таки побежала. Сила струи очень слабая. А давайте теперь откроем краник на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что можно даже полить соседский огород.
А теперь представьте, что вы наполняете ведро. Напором воды из краника или шланга вы его быстрее наполните? Диаметр шланга и краника при этом одинаковы
Разумеется, напором из желтого шланга! Но почему так происходит? Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из краника и желтого шланга выйдет тоже разный. Или иными словами, из шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из краника за одно и то же время.
Что такое сила тока
С проводами точно такая же история). То есть за равный промежуток времени количество электронов, бегущих по проводу может быть абсолютно разное. Отсюда можно вывести определение силы тока.
Итак, сила тока – это количество электронов, проходящих через площадь поперечного сечения проводника за единицу времени , ну скажем, за секунду. Ниже на рисунке заштрихована зелеными линиями та самая площадь поперечного сечения провода, через который бежит электрический ток.
И чем бОльшее количество электронов “пробежит” по проводу через поперечное сечение проводника за какое-то время, тем больше будет сила тока в проводнике.
Или иначе формулой для чайника:
где
I – собственно сила тока
N – количество электронов
t – период времени, за которое эти электроны пробегут через поперечное сечение проводника.
Сила тока измеряется в так называемых Амперах , в честь французского ученого Андре-Мари Ампера.
Имейте также ввиду, что каждый отдельно взятый шланг выдерживает только определенный максимальный поток воды, иначе он или где-то продырявиться от такого напора, либо его просто разнесет по кускам. Так же и с проводами. Мы должны знать, какой максимальный ток мы можем прогонять через этот провод. Например, для медного провода сечением в 1мм 2 нормальное значение составляет 10 Ампер. Если мы будем подавать больше, то провод либо начнет греться, либо плавиться. На этом принципе завязаны . Поэтому, силовые кабели, через которые “бегут” сотни и тысячи ампер, берут большого диаметра и стараются делать из меди, так как ее удельное очень мало.
Определение
Электрическим током называют упорядоченное движение носителей зарядов. В металлах таковыми являются электроны, отрицательно заряженные частицы с зарядом, равным элементарному заряду. Направлением тока считают направление движения положительно заряженных частиц.
Силой тока (током) через некоторую поверхность S называют скалярную физическую величину, которую обозначают I, равную:
где q – заряд, проходящий сквозь поверхность S, t – время прохождения заряда. Выражение (1) определяет величину силы тока в момент времени t (мгновенное значение величины силы тока).
Некоторые виды силы тока
Ток носит название постоянного, если его сила и направление с течением времени не изменяются, тогда:
Формула (2) показывает, что сила постоянного тока равна заряду, который проходит сквозь поверхность S в единицу времени.
Если ток является переменным, то выделяют мгновенную силу тока (1), амплитудную силу тока и эффективную силу тока. Эффективной величиной силы переменного тока (I eff) называют такую силу постоянного тока, которая выполнит работу равную работе переменного тока в течение одного периода (T):
Если переменный ток можно представить как синусоидальный:
то I m – амплитуда силы тока ( – частота силы переменного тока).
Плотность тока
Распределение электрического тока по сечению проводника характеризуют при помощи вектора плотности тока (). При этом:
где – угол между векторами и ( – нормаль к элементу поверхности dS), j n – проекция вектора плотности тока на направление нормали ().
Сила тока в проводнике определяется при помощи формулы:
где интегрирование в выражении (6) проводится по всему поперечному сечению проводника S
Для постоянного тока имеем:
Если рассматривать два проводника с сечениями S 1 и S 2 и постоянными токами, то выполняется соотношение:
Сила тока в соединениях проводников
При последовательном соединении проводников сила тока в каждом из них одинакова:
При параллельном соединении проводников сила тока (I) вычисляется как сумма токов в каждом проводнике (I i):
Закон Ома
Сила тока входит в один из основных законов постоянного тока – закон Ома (для участка цепи):
где - – разность потенциалов на концах, рассматриваемого участка, - ЭДС источника, который входит в участок цепи, R – сопротивление участка цепи.
Единицы измерения силы тока
Основной единицей измерения силы тока в системе СИ является: [I]=A(ампер)=Кл/с
Примеры решения задач
Пример
Задание. Какой заряд (q) проходит через поперечное сечение проводника за промежуток времени от t 1 =2c до t 2 =6c, если сила тока изменяется в соответствии с уравнением: I=2+t, где сила тока в амперах, время в секундах?
Решение. За основу решения задачи примем определение мгновенной силы тока:
В таком случае, заряд, который проходит через поперечное сечение проводника, равен:
Подставим в выражение (1.2) уравнение для силы тока из условий задачи, примем во внимания границы изменения участка времени:
Ответ. q=24 Кл
Пример
Задание. Плоский конденсатор составлен из двух квадратных пластин со стороной A, находящихся на расстоянии dдруг от друга. Этот конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения U. Конденсатор погружают в сосуд с керосином (пластины конденсатора вертикальны) со скоростью v=const. Какова сила тока, которая будет течь по подводящим проводам в описанном выше процессе. Считать, что диэлектрическая проницаемость керосина равна .
Решение. Основой для решения задачи станет формул для вычисления силы тока вида.
Мы помним из уроков физики средней школы основной постулат. Выглядит он следующим образом.
Силой тока называется величина, которая количественно характеризует упорядоченное движение заряженных частиц
Чтобы понять это определение, нужно для начала выяснить, что такое «упорядоченное движение заряженных частиц». Это как раз и есть электрический ток. Таким образом, сила тока позволяет численно измерить электрический ток.
Например, заданное количество электрических зарядов может проходить по проводнику в течение 1 часа или 1 секунды. Понятно, что во втором случае интенсивность прохождения зарядов будет гораздо больше. Соответственно и сила тока будет больше. Так как в международной системе СИ единицей времени принято считать 1 секунду, то приходим к определению силы тока.
Сила тока — это количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника за одну секунду.
Единица силы тока
Единицей измерения силы тока является Ампер . Ампер — сила электрического тока, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит количество электричества, равное одному кулону: 1 ампер = 1 кулон/1 секунду.
Дополнительные единицы измерения, наиболее часто встречающиеся в энергетике:
- 1 мА (миллиампер) = 0,001 А;
- 1 мкА (микроампер) = 0,000001 А;
- 1 кА (килоампер) = 1000 А.
Теперь мы знаем, в чем измеряется сила тока.
Измерение силы тока
Для измерения силы тока служит прибор Амперметр . Для измерения очень малых сил тока применяются миллиамперметры и микроамперметры.
Условные обозначения амперметра и миллиамперметра
Для того, чтобы измерит силу тока нужно включить амперметр в разрыв цепи, то есть последовательно. Измеряемый ток проходит от источника через амперметр и приемник. Стрелка амперметра показывает силу тока в цепи. Где именно включить амперметр в цепи — безразлично, так как сила тока в простой замкнутой цепи (без разветвлений) будет одинакова во всех точках цепи.
Прибор амперметр
В технике встречаются очень большие силы тока (тысячи ампер) и очень маленькие (миллионные доли ампера).
Например, сила тока электрической плитки примерно 4 — 5 ампер, лампы накаливания — от 0,3 до 4 ампер (и больше). Ток, проходящий через фотоэлементы, составляет всего несколько микроампер. В главных проводах подстанций, дающих электроэнергию для трамвайной сети, сила тока достигает тысяч ампер.
Сила тока – это движение заряженных частиц в одном направлении. Найти силу тока можно на практике с использованием специальных приборов для измерения, а можно рассчитать с помощью уже выведенных готовых формул, если есть исходные данные.
Физическая величина, которая показывает заряд, что проходит за какую-то единицу времени через проводник, называется силой тока. Основная формула, согласно которой можно рассчитать эту силу: I = q/t. То есть отношение прошедшего через поперечное сечение заряда к интервалу времени, в течение которого шло электричество, равно искомой величине I.Расшифровка обозначений:
- I – обозначение силы электричества, измеряется в Амперах (А) или 1 Кулон/секунду;
- q – заряд, идущий по проводнику, единица измерения Кулоны (Кл);
- t – интервал прохождения заряда, измеряется в секундах (с).
- Е – электродвижущая сила, ЭДС, Вольт;
- R – внешнее сопротивление, Ом;
- r – внутреннее сопротивление, Ом.
Законы Ома применимы для вычисления постоянного тока, если же требуется узнать величину силы переменного электричества, то добытые значения следует поделить на корень из двух.
Основные способы определения силы тока с помощью систем приборов на практике:- Магнитоэлектрический метод измерения, преимуществом которого является чувствительность и точность показаний, а также незначительное потребление энергии. Этот способ можно применять только для определения величины силы постоянного тока.
- Электромагнитный – это нахождение силы переменного и постоянного токов методом трансформации из электромагнитного поля в сигнал магнитомодульного датчика.
- Косвенный, с помощью вольтметра находится напряжение на определенном сопротивлении.
Определение силы потребляемого тока не так часто востребовано, как измерение сопротивления или напряжения, но без нахождения физической величины силы тока невозможен расчет потребляемой мощности.
