Сила тока

Сечение провода

Протекающий в проводнике электрический ток действует двояко:

  • создает электромагнитное поле;
  • вызывает нагрев проводника.

Если магнитное поле пренебрежимо мало (провод не смотан в катушку), почти вся мощность тока затрачивается на нагрев.

Сечение провода по току и мощности

Мощность нагрева определяется формулой W = I2 * R, где:

  • W — мощность нагрева, Вт;
  • I — сила тока, А;
  • R — сопротивление проводника, Ом.

Сопротивление проводов зависит от площади их поперечного сечения: чем она больше, тем ниже сопротивление

Потому при проектировании электропроводки важно так подобрать сечение проводов (используются специальные таблицы), чтобы они при номинальной нагрузке не перегревались. В противном случае возможны оплавление изоляции с последующим коротким замыканием либо пожар.

Более простой разбор электрической цепи. Сколько потребляет нагрузка?

Мы теперь знаем, что такое замкнутая электрическая цепь. И как течет по нему ток. Также выяснили, что в цепи существует определенная сила тока, напряжение тока, сопротивление нагрузки или нагрузок, а также возникает выработка мощности. Теперь на практике выясним более подробнее.

Нужно запомнить, что чаще всего в электрической цепи, мы можем изменять напряжение тока и сопротивление нагрузки или нагрузок. К примеру, если у нас регулируемый источник питания, мы можем установить регулятор напряжения к отметке 5 В или 12 В. Если используются батарейки, можем взять 2 “пальчиковых” батарейки, это 3 В. Либо можем использовать 3 батарейки, таким образом уже
будет 4,5 В. Что касается нагрузки, мы можем подключить 1 лампу накаливания или 2 и т.д., что приведет к изменению общего сопротивления нагрузки. А сила тока будет подстраиваться согласно закону Ома.

Силу тока нужно представлять себе так: показатель силы тока в цепи — это “потребление” нагрузки. Чем больше сила тока в цепи, чем больше потребляется ток нагрузкой. Давайте рассмотрим на примере, если взять две одинаковые аккумуляторные батареи и присоединить к ним разные нагрузки. Быстрее сядет та батарея, в цепи которой было больше силы тока.

Теперь возникает вопрос, если, меняя нагрузку, мы можем менять “потребление” тока, то значит меняя напряжение, мы также можем повлиять на “потребление” тока, то есть на силу тока. Так и есть, если мы увеличим напряжение, увеличится и ток в нагрузке. Но тут необходимо быть осторожным, так как если слишком большой ток пройдет через нагрузку, он может его испортить, так же наоборот, если недостаток тока, то устройство может не работать или работать плохо.

Сила переменного тока

переменного тока

Вести расчеты с использованием мгновенного значения довольно неудобно: приходится иметь дело с крайне сложно решаемыми тригонометрическими уравнениями. Для упрощения задачи, переменный ток заменяют его действующим значением. Это постоянный ток, эквивалентный данному переменному, то есть производящий такую же работу.

Действующее значение синусоидального переменного тока в 1,41 раза меньше его амплитудного значения. То есть если говорится, что в цепи переменного тока протекает ток силой 5 А, значит на самом деле ток в ней колеблется между 7,05 А и -7,05 А.

Аналогично поступают с переменным напряжением. То есть в однофазной 220-вольтовой сети напряжение на самом деле колеблется с амплитудой в 311 В.

Общее описание силы тока

Сила тока является объемом электрических зарядов, проходящих сквозь поперечные профили проводников в интервале времени, равному одной секунде. Как уже было выше сказано, что за единиц силы тока принимают Ампер, которая и принадлежит к Международной СИ, используемой во всех странах мира.

Один ампер равен силе изменения потока электричества при прохождении по параллельным, парным линейным проводникам бесконечной длины, имеют ничтожно малую площадь кругового сечения. Эти материалы находятся в вакууме друг от друга на расстоянии одного метра. Он вызывает силу взаимного влияние равную 2*10-7. Единица исчисления силы тока Ампер соответствует одному кулону, пройденному за одну секунду через поперечный профиль материала проводника.

В математическом исчислении характеристика выглядит как 1 А = 1 кулон/1 секунда. Величина показателя относительно большая, поэтому для бытовых электроприборов и микросхем применяют дополнительные единицы: 1 мА и 1 мкА, которые равны одной тысячной и одной миллионной части ампера.

Если известна величина электрозаряда, прошедшего сквозь проводник с нужным сечением за требуемый промежуток времени, то параметр можно выразить следующей формулой: l=q/t.

В замкнутой сети без ответвлений за одну секунду времени проходит одинаковое количество электронов в любом участке проводника. Поскольку заряды не могут накапливаться исключительно в одном участке электрической цепи, то его интенсивность не зависит от толщины и сечения кабеля.

Для более сложных цепей с ответвлениями такое утверждение также остается истинным. Но такое определение действует только для отдельных участков схемы, которые следует рассматривать как элементарная сеть.

Постоянный и переменный

Сила тока и напряжение могут быть как постоянными, так и переменными. Постоянство величины говорит о ее неизменности во времени. Напротив, переменные величины периодически изменяют свое значение во времени. Если напряжение питания окажется переменным, то и сила тока, генерируемая им, будет переменной величиной. Это значит, что оба этих значения будут то увеличиваться, то уменьшаться. Форма сигнала может быть различной:

  • Синусоидальный сигнал (плавное возрастание — убывание).
  • Меандр (прямоугольный, треугольный сигнал), когда значение резко претерпевает изменение.
  • Пульсирующий сигнал, изменяющийся то плавно, то резко, согласно некоторому закону.

Вне зависимости от того, постоянным или переменным является ток, его главное отличие от напряжения — то, что ток — это движение носителей заряда, а напряжение — причина этого движения.

READ  Простой источник аварийного освещения

Определение

В системе СИ ток силой в 1 А определяют как такой, который при протекании по двум бесконечно длинным проводам пренебрежимо малого сечения, находящимся в вакууме и удаленным друг от друга на расстояние в 1 м, вызывает силу притяжения между ними в 2х10-7 ньютон (Н).

Абампер в системе СГСМ определяется так же, только при этом сила измеряется в динах, а расстояние — в сантиметрах. Притяжение между проводами обусловлено наличием магнитных полей, всегда возникающих вокруг движущихся заряженных частиц (закон Био-Савара).

Данная способность обусловлена тем, что в сложных химических веществах всегда присутствуют два компонента: окислитель и восстановитель.

Окислитель притягивает электроны восстановителя и приобретает отрицательный заряд, восстановитель — соответственно, положительный.

При пропускании тока через раствор отрицательно заряженные атомы окислителя притягиваются к электроду с положительным потенциалом, атомы восстановителя — к отрицательному. Количество выделенного вещества зависит от величины пропускаемого через раствор электричества.

В ходе опытов было определено, что ток силой в 1 А выделяет из раствора соли серебра 4,025 г этого металла в час (0,001118 г за секунду).

Ток короткого замыкания

Выше приводилась формула, увязывающая силу тока с напряжением и сопротивлением: I = U / R. Очевидно, что при значении R близком к нулю, каковое имеется, к примеру, у меди и алюминия (используются для изготовления жил кабелей), сила тока стремится к бесконечности.

Данное явление называют «током короткого замыкания» (КЗ). Оно имеет место при возникновении электрического контакта между фазным и нулевым проводниками, минуя нагрузку.

Ток КЗ вызывает значительный нагрев проводов, что чревато пожаром. Поэтому электросети защищают специальными аппаратами — автоматическими выключателями или предохранителями.

При силе тока выше номинального значения, внутри аппарата плавится проводник (предохранители) или срабатывает термореле (автоматические выключатели), в результате чего цепь разъединяется.

Существуют дифавтоматы — приборы, объединяющие в себе УЗО и автоматический выключатель.

Как возникает

Для понимания, что такое сила тока, следует знать условие его возникновения –  существование частиц со свободным зарядом. Он перемещается через проводник (его поперечное сечение) от одной точки к другой. Физика силы тока заключается в упорядоченном движении электронов, на которые действует электрическое поле от источника питания. Чем большее количество заряженных частиц переносится, и чем быстрее их передвижение в одном направлении, тем больший заряд дойдет до места назначения.

Движение электронов в проводнике

Помимо источника питания, элементами замкнутой цепи являются соединительные провода, по которым проходит электричество, и потребители энергии (установки, резисторы).

Дополнительная информация. В проводниках из металла в роли передатчика зарядов выступают электроны, газообразных – ионы,  жидких – перенесение заряженных частиц выполняется с помощью обоих видов частиц. Нарушение порядка прохождения говорит о хаотичном движении зарядов, цепь при котором станет обесточенной.

Способы измерения силы тока

Для того чтобы узнать силу тока на требуемом участке цепи, одних теоретических вычислений не достаточно. Да, можно использовать формулы и узнать величину, но она будет приблизительной. Поскольку приборостроение, электроника и электрика — науки точные и не терпят погрешностей, был изобретен индукционный, а позднее электронный прибор, который способен показывать точные величины.

Амперметр предназначен для измерений силы тока на отдельных участках электрической цепи. Но значения, равные 1 Амперу и более можно увидеть только в силовых установках и сетях. Для снятия показаний с них используют специальные понижающие трансформаторы. Из курсов физики многие знают от чего зависит интенсивность действий электрического тока. Инициатором движения электронов является магнитное поле. От его силы зависит и мощность потока.

Ток подается на основные катушки, в которых создается индукция. С ее помощью во второстепенной катушке генерируется электричество меньшей величины. Показатель зависит от числа витков обмоток. Они прямо пропорциональны. Поэтому даже на крупных предприятиях, где напряжение достигает нескольких тысяч вольт применяют микроамперметры или миллиамперметры. Это связано, прежде всего, с безопасностью обслуживающего персонала.

Довольно часто в обиходе можно услышать термин мультиметр. Его отличие от амперметра заключается в возможности измерять несколько характеристик одновременно, тогда как амперметр является узкоспециализированным прибором.

Включают устройство в разрыв электрической цепи. При таком способе замеров, ток протекает через измеритель к потребителю. Следовательно, соединять прибор нужно до или после элемента нагрузки, так как в простой схеме без ответвлений он будет всегда одинаковым.

Существует ошибочное убеждение, что ток до потребителя и после не одинаковый, так как часть электричества тратится на компонента. Такое утверждение ошибочно, поскольку в ток представляет собой электромагнитный процесс, выполняемый в теле металлического проводника. Результатом становится упорядоченное движение электронов вдоль всей длины проводника. Но саму энергию переносят не электроны, а магнитное поле, которое окружает тело проводника.

Практический расчёт

Например, пусть понадобится узнать, на какой ток необходимо приобрести устанавливаемый на участок цепи автоматический выключатель. При этом известно, что в линию, на которой он будет установлен, одновременно будут включаться холодильник с максимальной мощностью потребления энергии один киловатт, бойлер (два киловатта) и люстра, потребляющая 90 ватт. В месте установки используется однофазная сеть, рассчитанная на рабочее напряжение 220 вольт.

READ  Выбор теплового реле

На первом этапе расчёта понадобится суммировать всю мощность подключаемых к линии электроприборов. Так, P общ. = 1000 + 2000 + 90 +220 = 3310 Вт. Используя формулу P = I*U, находится необходимое значение тока: I = P/U = 3310/220 = 15,04 А.

Из стандартного ряда выключателей наиболее близкое значение имеет автомат на 16 А. Поскольку необходимо покупать устройство защиты с небольшим запасом, то для рассматриваемого примера подойдёт выключатель, рассчитанный на 20 ампер.

Отличие напряжения от силы тока

Электричество, как и любая другая материя, имеет собственные характеристики, используемые для определения эффективности работы и контроля заданных параметров. В физике существуют такие понятия как «напряжение» и «сила тока». Они описывают одно и тоже явление, но сами по себе как показатели они отличаются друг от друга.

Такие различия заключены в принципе действия электричества. Под силой тока понимают объем потока электронов, способных пройти на расстояние одного метра за установленный интервал времени. Напряжение наоборот выражено в количестве потенциальной энергии. Оба понятия тесно связаны между собой. К внешним факторам влияния на них относят:

  • материал, из которого изготовлен проводник;
  • температура;
  • магнитное поле;
  • условия окружающей среды.

Отличия также заключаются в способах получения этих параметров. Когда на заряды проводника воздействует внешнее магнитное поле, формируется напряжение, которое генерирует поток между точками цепи. Так же специалисты выделяют отличия в энергопотреблении, называемым мощностью. Если напряжение характеризует параметры потенциальной энергии, то ток — кинетической.

Физические проявления

Физически ощутить проявления электричества человеку можно только опосредованно. Если попробовать на язык батарейку — можно почувствовать пощипывание. Это следствие протекания малого тока через организм. Чувствительная слизистая языка уже ощущает это раздражение. Можно увидеть искры статического электричества между двумя заряженными объектами, например, синтетическими тканями, или в школьном опыте с динамо-машиной. Все это следствие накопления заряда или потенциального напряжения.

Протоны и нейтроны находятся в ядре атома. Электроны же, напротив, располагаются далеко от ядра и движутся вокруг него по орбитам, сходным с орбитами планет солнечной системы. Чем дальше находится электрон от ядра, тем меньше его связь с центром атома, и тем проще он может потеряться. В различных материалах электроны ведут себя по-разному.

В металлах они слабо связаны с ядром и свободно перемещаются внутри вещества. Однако их общее количество в предмете с нейтральным зарядом всегда должно соответствовать количеству протонов.

Если электроны вследствие каких-то действий покидают вещество, они уносят с собой заряд. Соответственно, заряд, оставшийся в протонах вещества, будет накоплен этим веществом. Электроны могут унести заряд в случаях:

  • Трения двух веществ друг о друга.
  • Воздействия ультрафиолета или радиации.
  • Быстрого перепада температур.

Таким образом, между предметами возникает разность потенциалов, или напряжение, способное вызвать искру. А искра — это уже проявление электрического тока. Заряды разного знака всегда притягиваются друг к другу. Если электроны перешли с одного материала на другой, то один материал накопил положительный заряд, а другой — отрицательный.

Возникновение силы тока

Все материальные вещества состоят из молекул, те делятся на атомы. Атомы также делятся на составляющие: ядра и электроны. В период возникновения химической реакции, происходит переход электронов из одних атомов в другие. Причина здесь в том, что у одних атомов недостаток электронов, у других – их избыточное количество. В- этом, в первую очередь, и заключается понятие «разноименные заряды». В случае контакта таких веществ происходит перемещение электронов, которое, фактически, и является электрическим током. Течение тока будет продолжаться до тех пор, пока заряды двух веществ не выровняются.

Еще в давние времена люди заметили, что янтарь, который потерли о шерсть, становится способным притягивать к себе различные легкие предметы. Далее выяснилось, что и другие вещества обладают такими же свойствами. Их стали называть наэлектризованными, от греческого слова «электрон», означающее янтарь.

Впервые определение силы тока дал Андре-Мари Ампер (1775-1836) – французский ученый, физик и математик. Его определение легло в основу понятия силы тока, которым мы пользуемся в настоящее время.

Виды

При постоянном и переменном электричестве его сила бывает разного характера. Для цепи с движением частиц в постоянном направлении все параметры остаются неизменными. Переменный вид способен менять свою величину при одном и том же или меняющемся направлении. Количество электричества при этом бывает:

  • мгновенным, зависящим от амплитудной величины и частоты колебаний, связанной с угловой частотой;
  • амплитудным – максимальным значением мгновенной силы тока за определенный период;
  • эффективным – при превращении энергии количество теплоты от обоих видов тока одинаково.

Переменный ток

Электросети бытового назначения пропускают переменный ток, преобразующийся в постоянный при прохождении через блок питания электроприбора (компьютера, телевизора).

Величина силы тока – понятие, тесно связанное с электрической энергией, имеющей огромное значение для сферы быта, народного хозяйства, объектов стратегического назначения. Более того, электроэнергетика является экономической основой государства и определяющим вектором развития внутри страны и на международном уровне.

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.

READ  Электрическое ограждение для животных

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

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.

Определение

Сила тока в проводнике – это количество электричества, перемещаемое через поперечное сечение за единичный интервал времени. Чтобы увеличить данное значение, нужно изъять из схемы лампу либо повысить магнитное поле, создаваемое батарейкой.

Единицей измерения силы электрического тока по международной системе СИ (Systеme International) считается ампер (А), названный по фамилии выдающегося французского научного деятеля XIX века Андре-Мари Ампера.

Дополнительная информация. Ампер – достаточно внушительная  электрическая мера. Для жизни человека представляет смертельную опасность токовая величина до 0,1A. Горящая бытовая лампочка на 100 Вт пропускает электричество примерно в 0,5 А. В комнатном обогревателе это значение доходит до 10 А, портативному калькулятору будет достаточной одна тысячная доля ампера.

В электротехнической практике замеры малых величин могут выражаться в микро,- и миллиамперах.

Силу тока находят измерительным приспособлением (ампер,- или гальванометром), последовательно включая его в нужный участок цепи. Малые величины измеряют микро,- или миллиамперметром. Основными методами нахождения количества электричества при помощи приборов являются:

  • Магнитоэлектрический – при неизменной токовой величине. Такой способ отличают повышенная точность и малое потребление энергии;
  • Электромагнитный – для стационарных и изменяющихся величин. При использовании этого метода сила тока в цепи находится в результате преобразования магнитного поля в выходной сигнал модуляционного датчика;
  • Косвенный – основан на замере напряжения при известном сопротивлении. Далее вычисляют искомую величину по закону Ома, показанному ниже.

Формула и чтение закона Ома

Согласно определению, силу тока (I) можно найти по формуле:

I = q/t, где:

  • q – заряд, идущий поперек проводника (Кл);
  • t – длительность времени, затраченного на перемещение частиц (с).

Формула силы тока читается следующим образом: необходимая величина I – это отношение прошедшего через проводник заряда к используемому отрезку времени.

Обратите внимание! Сила тока определяется не только через заряд, но и расчетными формулами на основе закона Ома, который гласит: сила электричества прямо пропорциональна напряжению проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению. Формула закона Ома поможет найти силу тока, которая выглядит отношением:

Формула закона Ома поможет найти силу тока, которая выглядит отношением:

I = U / R, здесь:

  • U – напряжение (В);
  • R – сопротивление (Ом).

Эта установленная связь физических величин используется для различных расчетов:

  • учитывающих характеристики источника питания;
  • для вычислений в цепях токов любого направления;
  • для многофазных цепей.

Обратите внимание! Если проводники соединяются последовательным способом, то электричество каждого из них равно. Параллельное соединение предусматривает количество амперов, которое складывается из суммы токовых значений каждого проводника

Как найти мощность (скорость передачи или преобразования энергии) с помощью токового значения? Для этого нужно воспользоваться формулой:

Р = U*I, где умножаемые значения упоминались выше.

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:

Амперметр
Основы

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.


Измерение силы тока

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.

Виды проводников

Вещества, в которых заряженные частицы (электроны) свободно перемещаются между собой, называются проводниками. К ним относятся практически все металлы, растворы кислот и солей. В других веществах электроны крайне слабо перемещаются между собой или вообще не перемещаются. Эта группа веществ называется диэлектриками или изоляторами. К ним можно отнести эбонит, янтарь, кварц, газы без измененного состояния. В настоящее время существует большое количество искусственных материалов, выступающих в качестве изоляторов и широко применяемых в электротехнике.

В чем измеряется напряжение

Единица измерения освещенности

Определение электрического тока

Электрическое напряжение

Напряжение электрической цепи

Что такое напряжение тока

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: