Сила электрического тока и все о нем

Электрический ток

По проводам течет электрический ток. Причем он именно «течет», практически как вода. Представим, что вы — счастливый фермер, который решил полить свой огород из шланга. Вы чуть-чуть приоткрыли кран, и вода сразу же побежала по шлангу. Медленно, но все-таки побежала.

Сила струи очень слабая. Потом вы решили, что напор нужен побольше и открыли кран на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что ни один помидор не останется без внимания, хотя в обоих случаях диаметр шланга одинаков.

А теперь представьте, что вы наполняете два ведра из двух шлангов. У одного из них напор сильнее, у другого слабее. Быстрее наполнится то ведро, в которое льется вода из шланга с сильным напором. Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из двух разных шлангов тоже разный. Иными словами, из зеленого шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из желтого за равный период времени.

Если мы возьмем проводник с током, то будет происходить то же самое: заряженные частицы будут двигаться по проводнику, как и молекулы воды. Если больше заряженных частиц будет двигаться по проводнику, то «напор» тоже увеличится.

• Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц.

Сила тока

Сразу возникает потребность в величине, которой мы будем «напор» электрического тока измерять. Такая, чтобы она зависела от количества частиц, которые протекают по проводнику.

Сила тока — это физическая величина, которая показывает, какой заряд прошел через проводник.

Как обозначется сила тока?

Сила тока обозначается буквой I

Сила тока измеряется в Амперах. Единица измерения выбрана не просто так.

Во-первых, она названа в честь физика Андре-Мари Ампера, который занимался изучением электрических явлений. А во-вторых, единица этой величины выбрана на основе явления взаимодействия двух проводников.

Здесь аналогии с водопроводом провести, увы, не получится. Шланги с водой не притягиваются и не отталкиваются вблизи друг друга (а жаль, было бы забавно).

Когда ток проходит по двум параллельным проводникам в одном направлении, проводники притягиваются. А когда в противоположном направлении (по этим же проводникам) — отталкиваются.

За единицу силы тока 1 А принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной 1 м, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой 0,0000002 Н.

Задача

Найти силу тока в цепи, если за 2 секунды в ней проходит заряд, равный 300 мКл.

Решение:

Возьмем формулу силы тока

I = q/t

Подставим значения

I = 300 мКл / 2 с = 150 мА

Ответ: сила тока в цепи равна 150 мА

Формула силы тока

Формула для чайников будет выглядеть вот так:

где

I — собственно сила тока, Амперы

N — количество электронов

t — период времени, за которое эти электроны пробегут через поперечное сечение проводника, секунды

Более правильная (официальная) формула выглядит вот так:

где

Δq  — это заряд за какой-то определенный промежуток времени, Кулон

Δt — тот самый промежуток времени, секунды

I — сила тока, Амперы

В чем прикол этих двух формул? Дело все в том, что электрон обладает зарядом приблизительно 1,6 · 10-19 Кулон. Поэтому, чтобы сила тока была в проводе (проводнике) была 1 Ампер, нам надо, чтобы через поперечное сечение прошел заряд в 1 Кулон = 6,24151⋅1018 электронов. 1 Кулон = 1 Ампер · 1 секунду.

Итак, теперь можно официально сказать, что если через поперечное сечение проводника за 1 секунду пролетят 6,24151⋅1018 электронов, то сила тока в таком проводнике будет равна 1 Ампер! Все! Ничего не надо больше придумывать! Так и скажите своему преподавателю по физике).

Если преподу не понравится ваш ответ, то скажите типа что-то этого:

Сила тока  — это физическая величина, равная отношению количества заряда прошедшего через поверхность (читаем как через площадь поперечного сечения) за какое-то время. Измеряется как Кулон/секунда. Чтобы сэкономить время и по другим морально-эстетическим нормам,  Кулон/секунду договорились называть Ампером, в честь французского ученого-физика.

Сила тока и сопротивление

Давайте еще раз глянем на шланг с водой и зададим себе вопросы. От чего зависит поток воды? Первое, что приходит в голову — это давление. Почему молекулы воды движутся в рисунке ниже слева-направо? Потому, что давление слева, больше чем справа. Чем больше давление, тем быстрее побежит водичка по шлангу — это элементарно.

Теперь такой вопрос: как можно увеличить количество электронов через площадь поперечного сечения?

Первое, что приходит на ум — это увеличить давление. В этом случае скорость потока воды увеличится, но ее много не увеличишь, так как шланг порвется как грелка в пасти Тузика.

Второе — это поставить шланг бОльшим диаметром. В этом случае у нас количество молекул воды через поперечное сечение будет проходить больше, чем в тонком шланге:

Все те же самые умозаключения можно применить и к обыкновенному проводу. Чем он больше в диаметре, тем больше он сможет «протащить» через себя силу тока. Чем меньше в диаметре, то желательно меньше его нагружать, иначе его «порвет», то есть он тупо сгорит. Именно этот принцип заложен в плавких предохранителях. Внутри такого предохранителя тонкий проводок. Его толщина зависит от того, на какую силу тока он рассчитан.

плавкий предохранитель

Как только сила тока через тонкий проводок  предохранителя превысит силу тока, на которую рассчитан предохранитель, то плавкий проводок перегорает и размыкает цепь. Через перегоревший предохранитель ток уже течь не может, так как проводок в предохранителе в обрыве.

сгоревший плавкий предохранитель

Поэтому, силовые кабели,  через которые «бегут» сотни и тысячи ампер, берут большого диаметра и стараются делать из меди, так как ее удельное сопротивление очень мало.

Как измерить силу тока?

Для того, чтобы измерить значение силы тока, мы должны использовать специальные приборы — амперметры. В настоящее время силу тока можно измерить с помощью цифрового мультиметра, который  может измерять и силу тока, и напряжение и сопротивление и еще много чего. Для того, чтобы измерить силу тока, мы должны вставить наш прибор в разрыв цепи вот таким образом.

Более подробно как это сделать, можете прочитать в этой статье.

Также советую посмотреть обучающее видео, где очень умный преподаватель объясняет простым языком, что такое «сила тока».

Основные единицы измерения силы тока

В качестве основной единицы измерения силы тока используют ампер (краткое обозначение – А). Ампер, получивший свое название по имени ученого физика Анри Ампера, входит в Международную систему единиц (СИ).

Если через поперечное сечение в течение 1 секунды проходит 1 кулон электричества, то сила тока в этом проводнике равна одному амперу. Как вспомогательные единицы применяются:

• миллиамперы (ма), одна тысячная или 10-3 ампер;
• микроамперы (мкА), одна миллионная или 10-6 ампер.

Сила тока является важным параметром, знание которого поможет в выборе кабелей с оптимальным для планируемой нагрузки размером сечения.

Сила тока — обозначение и базовые формулы

В формулах при расчете такого параметра, как сила тока, обозначение его величины с помощью буквы «I» является общепринятым. Основная формула выглядит как I=q/t, где q – количество электричества, а t – временной отрезок.

Также для расчета силы тока можно использовать такие параметры, как:

• фактическое напряжение (U);
• мощность (P).

В этом случае применяется формула I= P/U. Получение силы тока расчетным методом актуально в тех случаях, когда невозможно применение измерительных приборов, например, на этапе проектирования электросетей.

Закон Ома

Из этой статьи вы поняли, что является электрическим током. Но как же нам вычислить силу тока.

Вы видите формулу, по которой вычисляется ток для участка цепи.

I-ток, Ампер
U-напряжение, Вольт
R-сопротивление, Ом

Чтобы вычислить силу тока, необходимо напряжение разделить на сопротивление.

Примеры типичных токов

Значения силы тока можно прочитать на информационных табличках на электроприёмниках или в руководствах к этим устройствам. В таблице ниже приведены типичные значения электрических токов для различных электроприёмников.

Приборы для измерения силы тока

Прибором для измерения токовой силы называется амперметр, в дополнение к теме, чем измеряют ток. Бывает стрелочным, цифровым и электронным. Активно применяется в электролаборатории, автомобилестроении, точной науке и строительстве. По принципу действия бывает электромагнитным, магнитоэлектрическим, термоэлектронным, ферродинамическим, электродинамическим и цифровым. Измеряет как переменный, так и постоянный электроток.

Работает благодаря взаимодействию магнитного поля с подвижной катушкой или сердечником, который находится в корпусе. Пользоваться всеми типами очень просто. Все что нужно от пользователя, это внимательно изучить инструкцию и руководство к эксплуатации. Как правило, для начала измерения необходимо с помощью щупов прикоснуться к проводнику и нажать соответствующую кнопку. После на экране будет выведено значение в амперах. Стоит указать, что измеряет токовую силу также вольтметр, мультиметр и измерительная отвертка.

Амперметр

От чего зависит ток

Поскольку токовая сила является скалярной величиной, имеющей положительный и отрицательный заряд, то зависит она от мощности заряда, концентрации сосредоточенных в заряде частиц, скорости их движения и площади проводника. Стоит также указать, что зависит она от значения сопротивления с напряжением, величиной магнитного поля, числом катушечных витков, мощностью работы ротора, диаметром проводника и параметром генераторной установки.

Зависимости электротока от сопротивления и напряжения

Какие бывают виды электрического тока в быту

Форма сигнала токов зависит от работы источника напряжения и сопротивления среды, через которую проходит сигнал. Чаще всего на практике домашнему мастеру приходится сталкиваться со следующим видами:

• постоянный сигнал, вырабатываемый от аккумуляторов или гальванических элементов;
• синусоидальный, создаваемый промышленными генераторами частоты 50 герц;
• пульсирующий, образуемый за счет преобразований различных блоков питания;
• импульсный, проникающий в бытовую сеть за счет разряда молний в воздушные линии электропередач;
• произвольный.

Чаще всего встречается синусоидальный или переменный ток: им питаются все наши приборы.

В современной проводке, питающейся синусоидальным напряжением, работает много полупроводниковых бытовых приборов. Они обладают не линейным сопротивлением, нарушают форму гармоники.

Эти помехи складываются по всей цепи от конкретного потребителя до питающего трансформатора, искажают идеальный синус произвольным образом. В результате изменяется как форма, так и величина питающего напряжения.

Сила тока в проводнике из металла: как используется в бытовых условиях

Способность внутренней структуры металлов по-разному влиять на условия движения направленных зарядов применяется для реализации специфических задач.

Чтобы передать электрическую энергию на большое расстояние используют металлические проводники повышенного сечения с высокой проводимостью: медь или алюминий. Более дорогие металлы серебро и золото работают внутри сложных электронных схемах.

Всевозможные конструкции проводов, шнуров и кабелей на их основе надежно эксплуатируются в домашней проводке.

Для обогревательных приборов применяют вольфрам и нихром,обладающие большим сопротивлением. Оно позволяет разогревать проводник до высоких температур при правильном подборе приложенной мощности.

Этот принцип воплотился в многочисленных конструкциях электрических нагревателей — ТЭН-ах.

Завышенная сила тока в проводнике из металла с хорошей проводимостью, но тонким сечением позволяет создавать предохранители,используемые как токовые защиты.

Они нормально работают в оптимальном режиме нагрузки, но быстро перегорают при бросках напряжения, коротких замыканиях или перегрузках.

Еще несколько десятков лет предохранители массово служили основной защитой домашней проводки. Сейчас их заменили автоматическими выключателями. Но внутри всех блоков питания они продолжают надежно работать.

Ток в полупроводниках и его характеристики

Электрические свойства полупроводников сильно зависят от внешних условий: температуры, облучения светом.
Для увеличения их собственной проводимости в состав структуры добавлены специальные примеси.

Поэтому внутри полупроводника ток создается за счет собственной и примесной проводимости внутреннего p-n перехода.
Носителями зарядов полупроводника выступают электроны и дырки. Если плюсовой потенциал источника напряжения приложен к полюсу p, а минусовой — к n, то через p-n переход станет течь ток за счет созданного ими движения.

При обратном приложении полярности p-n переход остается закрытым. Поэтому на картинке выше в первом случае показана светящаяся лампочка, а во втором — потухшая.

Аналогичные p-n переходы работают в других полупроводниковых конструкциях: транзисторах, стабилитронах, тиристорах…

Все они рассчитаны на номинальное прохождение силы тока. Для этого прямо на их корпус наносится маркировка. По ней заходят в таблицы технических справочников и оценивают полупроводник по электрическим характеристикам.

Пример вычисления силы тока при разных соединениях

Для примера возьмем цепь с параллельным включением двух ветвей с одинаковыми резисторами. Амперметр показывает, что сила тока в каждой ветви одинакова – 0,5 Ампер (А). Значение величины тока чуть дальше места соединения ветвей будут равны единице, т.е. суммируются:

0,5 + 0,5 = 1 А.

Измерим силу тока в последовательном соединении. В любой точке цепи амперметр будет показывать одинаковое значение (0,5 А), независимо от количества резисторов и их сопротивления:

0,5 = 0,5 = 0,5 А.

Последовательное соединение резисторов.

Давайте начнем с рассмотрения цепей, элементы которой соединены последовательно. И хоть мы и будем рассматривать только резисторы в качестве элементов цепи в данной статье, но правила, касающиеся напряжений и токов при разных соединениях будут справедливы и для других элементов. Итак, первая цепь, которую мы будем разбирать выглядит следующим образом:

Здесь у нас классический случай последовательного соединения — два последовательно включенных резистора. Но не будем забегать вперед и рассчитывать общее сопротивление цепи, а для начала рассмотрим все напряжения и токи. Итак, первое правило заключается в том, что протекающие по всем проводникам токи при последовательном соединении равны между собой:

I = I_1 = I_2

А для определения общего напряжения при последовательном соединении, напряжения на отдельных элементах необходимо просуммировать:

U = U_1 + U_2

В то же время, по закону Ома для напряжений, сопротивлений и токов в данной цепи справедливы следующие соотношения:

U_1 = I_1R_1 = IR_1U_2 = I_2R_2 = IR_2

Тогда для вычисления общего напряжения можно будет использовать следующее выражение:

U = U_1 + U_2 = IR_2 + IR_2 = I(R_1 + R_2)

Но для общего напряжение также справедлив закон Ома:

U = IR_0

Здесь R_0 — это общее сопротивление цепи, которое исходя из двух формул для общего напряжения равно:

R_0 = R_1 + R_2

Таким образом, при последовательном соединении резисторов общее сопротивление цепи будет равно сумме сопротивлений всех проводников.

Например для следующей цепи:

Общее сопротивление будет равно:

R_0 = R_1 + R_2 + R_3 + R_4 + R_5 + R_6 + R_7 + R_8 + R_9 + R_{10}

Количество элементов значения не имеет, правило, по которому мы определяем общее сопротивление будем работать в любом случае А если при последовательном  соединении все сопротивления равны (R_1 = R_2 = … = R), то общее сопротивление цепи составит:

R_0 = nR

В данной формуле n равно количеству элементов цепи. С последовательным соединением резисторов мы разобрались, давайте перейдем к параллельному.

Через заряд и время

электричество – это величина заряда, движимого силами электрического поля, преодолевающего за единицу времени условную плоскость проводника, называемую поперечным сечением проводника.

Определение понятия сила тока

Таким образом, если известен электрический заряд, прошедший через проводник за определенное время, то не трудно найти величину этого заряда прошедшего за единицу времени, то есть: I = q/t

Что такое напряжение и ток?

Кстати действительно что же такое электрический ток и напряжение? Я думаю, что никто на самом деле и не знает, ведь чтобы это знать это надо хотябы видеть. Кто может видеть ток, бегущий по проводам?

Да никто, человечество еще не достигло таких технологий, чтобы воочию наблюдать движения электрических зарядов.  Все что мы видим в учебниках и научных трудах это некая абстракция созданная в результате многочисленных наблюдений.

Ну ладно об этом можно много рассуждать… Так давайте попробуем разобраться, что такое электрический ток и  напряжение. Я не буду писать  определения, определения   не дают самого понимания сути.  Если интересно, возьмите любой учебник по физике.

Так как мы его не видим электрического тока и всех процессов протекающих в проводнике, тогда попробуем создать аналогию.

И традиционно электрический ток текущий в проводнике сравнивают с водой бегущей по трубам. В нашей аналогии  вода это электрический ток. Вода бежит  по трубам с определенной  скоростью, скорость это сила тока, измеряемая в амперах. Ну трубы это само собой проводник.

Хорошо, электрический ток мы себе представили, но а что такое напряжение? Сейчас помозгуем.

Вода  в трубе, в отсутствии каких-либо сил (сила тяжести, давления) теч не будет, она будет покоиться как и любая другая жижа вылитая на пол. Так вот эта сила или точнее  сказать энергия в нашей водопроводной аналогии и будет тем самым напряжением.

Но что происходит с водой бегущей из резервуара расположенного высоко над землей? Вода устремляется бурным потоком из резервуара к поверхности земли, гонимая силами тяготения. И чем выше от земли расположен резервуар тем с большей скоростью вытекает вода из шланга. Понимаете о чем я говорю?

Чем выше резервуар, тем больше сила (читай напряжение) воздействующая на воду. И тем больше скорость водного потока (читай сила тока). Теперь становится понятно и в голове начинает создаваться красочная картинка.

Что такое ЭДС: объяснение простыми словами

Под ЭДС понимается удельная работа сторонних сил по перемещению единичного заряда в контуре электрической цепи . Это понятие в электричестве предполагает множество физических толкований, относящихся к различным областям технических знаний. В электротехнике — это удельная работа сторонних сил, появляющаяся в индуктивных обмотках при наведении в них переменного поля. В химии она означает разность потенциалов, возникающее при электролизе, а также при реакциях, сопровождающихся разделением электрических зарядов.

В физике она соответствует электродвижущей силе, создаваемой на концах электрической термопары, например. Чтобы объяснить суть ЭДС простыми словами – потребуется рассмотреть каждый из вариантов ее трактовки. Прежде чем перейти к основной части статьи отметим, что ЭДС и напряжение очень близкие по смыслу понятия, но всё же несколько отличаются. Если сказать кратко, то ЭДС — на источнике питания без нагрузки, а когда к нему подключают нагрузку — это уже напряжение. Потому что количество вольт на ИП под нагрузкой почти всегда несколько меньше, чем без неё. Это связано с наличием внутреннего сопротивления таких источников питания, как трансформаторы и гальванические элементы.

 Электродвижущая сила (эдс), физическая величина, характеризующая действие сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока; в замкнутом проводящем контуре равна работе этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура. Если через Eстр обозначить напряжённость поля сторонних сил, то эдс в замкнутом контуре (L) равна , где dl — элемент длины контура. Потенциальные силы электростатического (или стационарного) поля не могут поддерживать постоянный ток в цепи, т. к. работа этих сил на замкнутом пути равна нулю. Прохождение же тока по проводникам сопровождается выделением энергии — нагреванием проводников.

Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри источников тока: генераторов, гальванических элементов, аккумуляторов и т. д. Происхождение сторонних сил может быть различным. В генераторах сторонние силы — это силы со стороны вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля со временем, или Лоренца сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны в движущемся проводнике; в гальванических элементах и аккумуляторах — это химические силы и т. д. Эдс определяет силу тока в цепи при заданном её сопротивлении (см. Ома закон). Измеряется эдс, как и напряжение, в вольтах.

Что такое ЭДС.

Электрическая цепь и закон Ома

Три величины — напряжение, электрический ток и сопротивление — могут быть четко представлены в электрической цепи. В простейшем случае она состоит из источника постоянного напряжения и резистора. Резистор подключен к источнику напряжения, а для упрощения возьмем, что сопротивление проводов равно 0 Ом.

Электрическая цепь

Направление электрического тока.

В электротехнике ток течет от плюса до минуса (смотрите рисунок ). Другими словами, как только возникает замкнутая цепь, ток начинает течь от положительного полюса к отрицательному полюсу источника напряжения. Мы говорим о замкнутой цепи, когда два полюса источника напряжения соединены друг с другом сопротивлением.

Как и чем измерять ток и напряжение?

Есть два способа определения силы тока и напряжения. С одной стороны, их можно определить арифметически с помощью закона Ома для участка цепи. С другой стороны, две переменные также могут быть определены путем измерения.

Однако для арифметического определения тока или напряжения должны быть известны две другие величины (напряжение и сопротивление либо ток и сопротивление).

С другой стороны, метрологический метод также работает с любой электрической цепью. Для этого в электрическую цепь необходимо вставить амперметр и вольтметр . Они используются для измерения силы тока и напряжения. Но здесь также применяется закон Ома, поскольку сопротивление нельзя измерить напрямую, но его можно будет рассчитать, когда будут измерены значения тока и напряжения.

Итак, ток измеряется так амперметром, который последовательно подключается к потребителю (резистору, лампе накаливания и т. д.), Через который нужно определять ток. На принципиальной схеме он изображен как A внутри круга (см. рисунок 1). Амперметр имеет очень низкое внутреннее сопротивление, чтобы не влиять на ток, который должен протекать через потребителя. В идеале, внутреннее сопротивление амперметра принимается равным 0 Ом и поэтому просто опускается.

Измерение напряжения производится с помощью вольтметра, который замеряет разность потенциалов между двумя его точками подключения. На электрической схеме он обозначен буквой V внутри круга (см. рисунок 1). В отличие от амперметра, вольтметр подключается параллельно нагрузке, на которой измеряется напряжение. Добавление вольтметра параллельно некоторому потребителю (например, резистору) создает току еще один «обходной» путь, что резко изменяет параметры цепи. Чтобы избежать этих нежелательных последствий, надо применять вольтметры с максимально большим сопротивлением.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ).

Вольт-амперная характеристика или характеристика UI резистора может быть записана путем приложения к нему различных напряжений и последующего измерения тока. Обычно при омическом сопротивлении достаточно одной точки измерения, которая затем соединяется с началом системы координат. Однако на практике, для целей контроля, выполняют серию измерений с тремя точками измерения.

Затем эти точки измерения отмечаются в системе координат и соединяются. Напряжение откладывают по оси абсцисс, а ток — по оси ординат. Пример ВАХ смотрите на рисунке ниже

Вольт-амперная характеристика

ВАХ может быть использована для определения тока через резистор при определенном напряжении.