Когда говорят о силе тока, то делают акцент на движении частиц, заряженного типа в заданном направлении. При этом данный параметр является важной характеристикой цепи. Как произвести замеры силы тока в электроцепях и при помощи чего это сделать, мы расскажем в статье.
Электрические цепи и их разновидности
Электрическая цепь представляет собой комплекс устройств и отдельных объектов, которые связываются заданным способом. Они обеспечивают путь для прохождения электротока. Для характеристики отношения заряда, протекающего в рамках каждого отдельного проводника за некоторое время, к продолжительности этого времени используется определенная физическая величина. И это сила тока в электрической цепи.
В состав такой цепи включены источник энергии, энергопотребители, т.е. нагрузка и провода. Они делятся на две разновидности:
- Неразветвленные – ток, движущийся от генератора к энергопотребителю, не меняется по своему значению. Например, это освещение, включающее в свой состав только одну лампочку.
- Разветвленные – цепи, имеющие некоторые ответвления. Ток, двигаясь от источника, разделяется и идет на нагрузку по нескольким ветвям. При этом его значение меняется.
Примером может служить освещение, включающее многорожковую люстру.
Ветвь являет собой один или несколько компонентов, соединенных последовательно. Движение тока идет от узла с высоким напряжением к узлу с минимальным его значением. При этом входящий ток на узле совпадает с выходящим.
Цепи могут быть нелинейными и линейными. Если в первых существует один и более элементов, где есть зависимость значений от тока и напряжения, то у вторых характеристики элементов не имеют такой зависимости. Кроме того, в цепях, характеризующихся постоянным током, его направление не меняется, а при условии переменного тока происходит его изменение с учетом параметра времени.
Онлайн калькулятор расчета силы тока в цепи
Сила тока и закон Ома
Осуществляя расчет силы тока цепи, следует помнить, что эта величина физического типа, демонстрирующая определенный заряд. Он протекает за некоторую временную единицу по проводнику. Базовая схема вычисления следующая:
I=q/t , где:
- I – сила электричества в Амперах (А) или Кл/с;
- q – заряд, перемещающийся в рамках проводника в Кулонах (Кл);
- t – время, затраченное на перемещение заряда, с.
В соответствии с положениями закона Ома для отдельной части цепи при вычислении силы тока применяется схема, показывающая:
- прямую зависимость силы тока от напряжения;
- взаимосвязь обратного типа с сопротивлением.
I=U/R , где:
- U – выраженное в вольтах напряжение, В;
- R – показатель сопротивления, Ом.
Отсюда будет следовать такая зависимость:
I = E/ R+r , где:
- Е – ЭДС, В;
- R – сопротивление внешнего типа, Ом
- r – сопротивление внутреннее, Ом
Воспользуйтесь другими онлайн калькуляторами:
Определение силы тока приборами
Измерение рассматриваемых характеристик цепи может быть осуществлено при помощи разнообразных приборов, которые активно применяются в практической деятельности:
Магнитоэлектрический способ замеров – применяется при расчете показателя для постоянного тока. Этот метод обеспечивает высокую точность измерений за счет высокого уровня чувствительности. При этом расход электроэнергии будет незначительным.
Электромагнитный – позволяет определить силу как переменного, так и постоянного тока посредством трансформационных преобразований из поля электромагнитного типа в сигнал, который излучает магнитомодульный датчик.
Косвенный подход к замерам предполагает необходимость использования вольтметра. Этот прибор идентифицирует параметры напряжения при конкретных значениях сопротивления.
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?
«Физика - 10 класс»
Электрический ток - направленное движение заряженных частиц. Благодаря электрическому току освещаются квартиры, приводятся в движение станки, нагреваются конфорки на электроплитах, работает радиоприемник и т. д.
Рассмотрим наиболее простой случай направленного движения заряженных частиц - постоянный ток.
Какой электрический заряд называется элементарным?
Чему равен элементарный электрический заряд?
Чем различаются заряды в проводнике и диэлектрике?
При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда из одной точки в другую. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит (рис. 15.1, а). Поперечное сечение проводника в среднем пересекает одинаковое число электронов в двух противоположных направлениях. Электрический заряд переносится через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в направленном движении (рис. 15.1, б). В этом случае говорят, что по проводнику идёт электрический ток .
Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.
Электрический ток имеет определённое направление.
За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.
Если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет. Полный заряд, переносимый через любое сечение, будет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.
Направление тока совпадает с направлением вектора напряжённости электрического поля. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.
Выбор направления тока не очень удачен, так как в большинстве случаев ток представляет собой упорядоченное движение электронов - отрицательно заряженных частиц. Выбор направления тока был сделан в то время, когда о свободных электронах в металлах ещё ничего не знали.
Действие тока.
Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают.
Во-первых, проводник, по которому идёт ток, нагревается.
Во-вторых, электрический ток может изменять химический состав проводника: например, выделять его химические составные части (медь из раствора медного купороса и т. д.).
В-третьих, ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Это действие тока называется магнитным .
Так, магнитная стрелка вблизи проводника с током поворачивается. Магнитное действие тока в отличие от химического и теплового является основным, так как проявляется у всех без исключения проводников. Химическое действие тока наблюдается лишь у растворов и расплавов электролитов, а нагревание отсутствует у сверхпроводников.
В лампочке накаливания вследствие прохождения электрического тока излучается видимый свет, а электродвигатель совершает механическую работу.
Сила тока.
Если в цепи идёт электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника всё время переносится электрический заряд.
Заряд, перенесённый в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока .
Если через поперечное сечение проводника за время Δt переносится заряд Δq, то среднее значение силы тока равно
Средняя сила тока равна отношению заряда Δq прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.
Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным .
Сила переменного тока в данный момент времени определяется также по формуле (15.1), но промежуток времени Δt в таком случае должен быть очень мал.
Сила тока, подобно заряду, - величина скалярная. Она может быть как положительной , так и отрицательной . Знак силы тока зависит от того, какое из направлений обхода контура принять за положительное. Сила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I < 0.
Связь силы тока со скоростью направленного движения частиц.
Пусть цилиндрический проводник (рис. 15.2) имеет поперечное сечение площадью S.
За положительное направление тока в проводнике примем направление слева направо. Заряд каждой частицы будем считать равным q 0 . В объёме проводника, ограниченном поперечными сечениями 1 и 2 с расстоянием Δl между ними, содержится nSΔl частиц, где n - концентрация частиц (носителей тока). Их общий заряд в выбранном объёме q = q 0 nSΔl. Если частицы движутся слева направо со средней скоростью υ, то за время все частицы, заключенные в рассматриваемом объёме, пройдут через поперечное сечение 2. Поэтому сила тока равна:
В СИ единицей силы тока является ампер (А).
Эта единица установлена на основе магнитного взаимодействия токов.
Измеряют силу тока амперметрами . Принцип устройства этих приборов основан на магнитном действии тока.
Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике.
Найдём скорость упорядоченного перемещения электронов в металлическом проводнике. Согласно формуле (15.2) где е - модуль заряда электрона.
Пусть, например, сила тока I = 1 А, а площадь поперечного сечения проводника S = 10 -6 м 2 . Модуль заряда электрона е = 1,6 10 -19 Кл. Число электронов в 1 м 3 меди равно числу атомов в этом объёме, так как один из валентных электронов каждого атома меди является свободным. Это число есть n ≈ 8,5 10 28 м -3 (это число можно определить, если решить задачу 6 из § 54). Следовательно,
Как видите, скорость упорядоченного перемещения электронов очень мала. Она во много раз меньше скорости теплового движения электронов в металле.
Условия, необходимые для существования электрического тока.
Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо наличие свободных заряженных частиц.
Однако этого ещё недостаточно для возникновения тока.
Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима сила, действующая на них в определённом направлении.
Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за столкновений с ионами кристаллической решётки металлов или нейтральными молекулами электролитов и электроны будут двигаться беспорядочно.
На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силой:
Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.
Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.
Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника в соответствии с формулой (14.21) существует разность потенциалов. Как показал эксперимент, когда разность потенциалов не меняется во времени, в проводнике устанавливается постоянный электрический ток . Вдоль проводника потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального на другом, так как положительный заряд под действием сил поля перемещается в сторону убывания потенциала.
Для обеспечения безопасности при эксплуатации бытовых электроприборов необходимо верно вычислить сечение питающего кабеля и проводки. Поскольку ошибочно выбранное сечение жил кабеля способно привести к возгоранию проводки из-за короткого замыкания. Это грозит возникновением пожара в здании. Это также относится к выбору кабеля для подключения электрических двигателей .
Расчет тока
Величина тока рассчитывается по мощности и необходима на этапе проектирования (планирования) жилища – квартиры, дома.
- От значения этой величины зависит выбор питающего кабеля (провода) , по которому могут быть подключены приборы электропотребления к сети.
- Зная напряжение электрической сети и полную нагрузку электроприборов, можно по формуле вычислить силу тока, который потребуется пропускать по проводнику (проводу, кабелю). По его величине выбирают площадь сечения жил.
Если известны электропотребители в квартире или доме, необходимо выполнить несложные расчёты, чтобы правильно смонтировать схему электроснабжения .
Аналогичные расчёты выполняются для производственных целей: определения необходимой площади сечения жил кабеля при осуществлении подключения промышленного оборудования (различных промышленных электрических двигателей и механизмов).
Однофазная сеть напряжением 220 В
Сила тока I (в амперах, А) подсчитывается по формуле:
I = P / U ,
где P – электрическая полная нагрузка (обязательно указывается в техническом паспорте устройства), Вт (ватт);
U – напряжение электрической сети, В (вольт).
Ниже в таблице представлены величины нагрузки типичных бытовых электроприборов и потребляемый ими ток (для напряжения 220 В) .
| Электроприбор | Потребляемая мощность, Вт | Сила тока, А |
| Стиральная машина | 2000 – 2500 | 9,0 – 11,4 |
| Джакузи | 2000 – 2500 | 9,0 – 11,4 |
| Электроподогрев пола | 800 – 1400 | 3,6 – 6,4 |
| Стационарная электрическая плита | 4500 – 8500 | 20,5 – 38,6 |
| СВЧ печь | 900 – 1300 | 4,1 – 5,9 |
| Посудомоечная машина | 2000 - 2500 | 9,0 – 11,4 |
| Морозильники, холодильники | 140 - 300 | 0,6 – 1,4 |
| Мясорубка с электроприводом | 1100 - 1200 | 5,0 - 5,5 |
| Электрочайник | 1850 – 2000 | 8,4 – 9,0 |
| Электрическая кофеварка | 6з0 - 1200 | 3,0 – 5,5 |
| Соковыжималка | 240 - 360 | 1,1 – 1,6 |
| Тостер | 640 - 1100 | 2,9 - 5,0 |
| Миксер | 250 - 400 | 1,1 – 1,8 |
| Фен | 400 - 1600 | 1,8 – 7,3 |
| Утюг | 900 - 1700 | 4,1 – 7,7 |
| Пылесос | 680 - 1400 | 3,1 – 6,4 |
| Вентилятор | 250 - 400 | 1,0 – 1,8 |
| Телевизор | 125 - 180 | 0,6 – 0,8 |
| Радиоаппаратура | 70 - 100 | 0,3 – 0,5 |
| Приборы освещения | 20 - 100 | 0,1 – 0,4 |
На рисунке представлена схема устройства электроснабжения квартиры при однофазном подключении к сети напряжением 220 В .
Ниже приводится таблица для скрытой проводки при однофазной схеме подключения квартиры для подбора провода при напряжении 220 В
| Сечение жилы провода, мм 2 | Диаметр жилы проводника, мм | Медные жилы | Алюминиевые жилы | ||
| Ток, А | Мощность, Вт | Ток, А | Мощность, кВт | ||
| 0,50 | 0,80 | 6 | 1300 | ||
| 0,75 | 0,98 | 10 | 2200 | ||
| 1,00 | 1,13 | 14 | 3100 | ||
| 1,50 | 1,38 | 15 | 3300 | 10 | 2200 |
| 2,00 | 1,60 | 19 | 4200 | 14 | 3100 |
| 2,50 | 1,78 | 21 | 4600 | 16 | 3500 |
| 4,00 | 2,26 | 27 | 5900 | 21 | 4600 |
| 6,00 | 2,76 | 34 | 7500 | 26 | 5700 |
| 10,00 | 3,57 | 50 | 11000 | 38 | 8400 |
| 16,00 | 4,51 | 80 | 17600 | 55 | 12100 |
| 25,00 | 5,64 | 100 | 22000 | 65 | 14300 |
Как видно из таблицы сечение жил зависит кроме нагрузки и от материала, из которого изготовлен провод.
Трёхфазная сеть напряжением 380 В
При трёхфазном электроснабжении сила тока I (в амперах, А) вычисляется по формуле:
I = P /1,73 U
,
где P -потребляемая мощность, Вт;
U - напряжение в сети, В,
так как напряжение при трёхфазной схеме электроснабжения 380 В, формула примет вид:
I = P /657, 4 .
В случае подведения к дому трёхфазного электроснабжения напряжением 380 В схема подключения будет выглядеть следующим образом.
Сечение жил в питающем кабеле при различной нагрузке при трёхфазной схеме напряжением 380 В для скрытой проводки представлена в таблице.
| Сечение жилы провода, мм 2 | Диаметр жилы проводника, мм | Медные жилы | Алюминиевые жилы | ||
| Ток, А | Мощность, Вт | Ток, А | Мощность, кВт | ||
| 0,50 | 0,80 | 6 | 2250 | ||
| 0,75 | 0,98 | 10 | 3800 | ||
| 1,00 | 1,13 | 14 | 5300 | ||
| 1,50 | 1,38 | 15 | 5700 | 10 | 3800 |
| 2,00 | 1,60 | 19 | 7200 | 14 | 5300 |
| 2,50 | 1,78 | 21 | 7900 | 16 | 6000 |
| 4,00 | 2,26 | 27 | 10000 | 21 | 7900 |
| 6,00 | 2,76 | 34 | 12000 | 26 | 9800 |
| 10,00 | 3,57 | 50 | 19000 | 38 | 14000 |
| 16,00 | 4,51 | 80 | 30000 | 55 | 20000 |
| 25,00 | 5,64 | 100 | 38000 | 65 | 24000 |
Для расчёта тока в цепях питания нагрузки, характеризующейся большой реактивной полной мощностью, что характерно применению электроснабжения в промышленности:
- электрические двигатели;
- дроссели приборов освещения;
- сварочные трансформаторы,;
- индукционные печи.
При расчётах необходимо учитывать это явление. В мощных приборах и оборудовании доля реактивной нагрузки выше и поэтому для таких приборов в расчетах коэффициент мощности принимают равным 0,8.
Сила тока
Характеристикой тока в цепи служит величина, называемая силой тока (I ). Сила тока – физическая величина, характеризующая скорость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда q , прошедшeгo через пoперeчное сечение проводника за промежуток времени t , к этому промежутку времени: I = q/t . Единица измерения силы тока – 1 ампер (1 А).
Определение единицы силы тока основано на магнитном действии тока, в частности на взаимодействии параллельных проводников, по которым идёт электрический ток. Такие проводники притягиваются, если ток по ним идёт в одном направлении, и отталкиваются, если направление тока в них противоположное.
За единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной 1 м, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 2*10 -7 Н . Эта единица и называется ампером (1 А).
Зная формулу силы тока, можно получить единицу электрического заряда: 1 Кл = 1А * 1с.
Амперметр
Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называется амперметром . Его работа основана на магнитном действии тока. Основные части амперметра магнит и катушка . При прохождении по катушке электрического тока она в результате взаимодействия с магнитом, поворачивается и поворачивает соединённую с ней стрелку. Чем больше сила тока, проходящего через катушку, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки. Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить, и потому он имеет малое внутреннее сопротивление, которое практически не влияет на сопротивление цепи и на силу тока в цепи.
У клемм амперметра стоят знаки «+» и «-» , при включении амперметра в цепь клемма со знаком «+» присоединяется к положительному пoлюсу источника тока, а клемма со знаком «-» к отрицательному пoлюсу истoчникa тока.
Напряжение
Источник тока создаёт электрическое поле, которое приводит в движение электрические заряды. Характеристикой источника тока служит величина, называемая напряжением . Чем оно больше, тем сильнее созданное им поле. Напряжение характеризует работу, которую совершает электрическое поле по перемещению электрического заряда.
Напряжение (U ) — это физическая величина, равную отношению работы (А ) электрического поля по перемещению электрического заряда к заряду (q): U = A/q .
Возможно другое определение понятия напряжения. Если числитель и знаменатель в формуле напряжения умножить на время движения заряда (t ), то получим: U = At/qt . В числителе этой дроби стоит мощность тока (Р ), а в знаменателе - сила тока (I ). Получается формула: U = Р/I , т.е. напряжение - это физическая величина, равная отношению мощности электрического тока к силе тока в цепи.
Единица напряжения: [U ] = 1 Дж/1 Кл = 1 В (один вольт).
Вольтметр
Напряжение измеряют вольтметром. Он имеет такое же устройство, что и амперметр и такой же принцип действия, но он подключается параллельно тому участку цепи, напряжение на котором хотят. Внутреннее сопротивление вольтметра достаточно большое, соответственно проходящий через него ток мал по сравнению с током в цепи.
У клемм вольтметра стоят знаки «+» и «-» , при включении вольтметра в цепь клeмма со знаком «+» присоединяется к положительному полюсу источника тока, а клеммa со знаком «-» к отрицательному полюсу источника тока.
Формулы и определения.
1. Все проводники, используемые в электрических цепях , имеют условные обозначения для изображения на схемах и могут образовывать последовательные, параллельные и смешанные соединения.
2. Мощность тока – физическая величинa, хаpактеpизующая скорость превращения электрической энергии в другие её виды. Единица для измерения – 1 ватт (1 Вт). Измерительный прибор – ваттметр.
3. Сила тока – физическaя вeличина, характеpизующaя скоpость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда, пpoшедшего через попеpeчное сечение проводника, ко времени перемещения. Единица – 1 ампер (1 А). Измерительный прибор – амперметр (подключают последовательно).
4. Электрическое напряжение – физическaя вeличина, характеризующая электрическое поле, создающее ток, и равная отношению мощности тока к его силе. Единица – 1 вольт (1 В). Измерительный прибор – вольтметр (подключают параллельно)
5. Работа тока – физичeская величинa, хаpактеpизующая количество электроэнергии, превратившейся в другие виды энергии. Единица – 1 джоуль (1 Дж). Измерительный прибор – электрический счётчик, использующий единицу 1 киловатт-час (1 кВт·ч).
Конспект урока «Сила тока. Напряжение».