Сила тока. Единицы силы тока

И конструирования электроприборов.

Электрическим током называют однонаправленное движение заряженных частиц. Сила тока - понятие, характеризующее данный процесс. Его физический смысл состоит в количестве заряда, протекающем через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Единицы измерения

В Системе международных единиц силу тока принято измерять в амперах (А). Так решила международная конференция электриков в 1881 г.

Ампер Андре-Мари - французский ученый, работавший в сфере физики и математики и приложивший немало труда в исследовании электричества. Его заслуги в данной области столь высоки, что многие представители ученого мира считают Ампера, достойным звания основателя электродинамики.

Ток в 1 А - достаточно сильный, потому зачастую применяют единицы миллиампер (мА, 0,001 А) и микроампер (мкА, 10^-6 А).

В системе единиц:

• СГСМ (электромагнитной), гораздо менее распространенной, силу тока измеряют в абамперах или био. Соотношение единиц следующее: 1 ампер = 0,1 абампер;
• СГСЭ (электростатической) применяют единицу статампер. Соотношение: 1 ампер = 2997924536,843 статампер.

Единицы абампер и статампер широко применяются в теоретической физике.

Формула

При выполнении расчетов силу тока обозначают литерой I.

Формула силы тока представляется такой I = q / t, где:

• q - заряд, Кл (кулон);
• T - время, с.

Отсюда следует размерность ампера: {А} = {Кл / с}. 1 Кл равен заряду 6,241509343 х 10 18 электронов. В 2011 году определение единицы ампер, как и некоторых других, было решено изменить, привязав его к заряду электрона.

При известных - и , силу тока определяют по I = U / R, где:

• U - напряжение, В;
• R - электрическое сопротивление участка цепи, Ом.

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).

В конце 19-го века имело силу иное определение, основанное на способности электротока осуществлять электролиз, то есть выделять из раствора различные элементы.

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).

Сила тока разных устройств

Сила тока, протекающего в различных приборах и схемах, довольно сильно варьируется, вот несколько примеров:

• слуховой аппарат: 0,7 мА;
• плазменный телевизор с диагональю экрана 56 дюймов: 250–290 мА;
• тостер, мини-духовка: 5-6 А;
• : 500–830 мА;
• фен для волос: 4,5 А.

В электрической цепи

Ток в электрической цепи подчиняется законам, открытым Г. Кирхгофом:

На этом явлении основано действие выключателя дифференциального тока, известного в обиходе под названием . Один контакт прибора подключается к фазе, другой - к нулевому проводу, которые по сути, являются началом и концом обслуживаемой данным УЗО цепи.

Согласно этому закону, токи в обеих частях прибора при нормальной работе цепи будут равными, независимо от вида и мощности подключенной нагрузки. Если вдруг появится разница (дифференциальный ток), это будет свидетельствовать об утечке тока.

В свою очередь, утечка означает одно из трех:

1. пробило фазу на электроприбора;
2. возник контакт между токоведущими частями и заземленными металлическими конструкциями, чреватый пожаром.

УЗО устроено так, чтобы при наличии дифференциального тока отключиться. Сигналом служит магнитное поле, появляющееся в приборе при утечке, тогда как при равных токах создаваемые ими магнитные поля взаимно уничтожаются.

Амперметр, в отличие от вольтметра, включается последовательно с нагрузкой, то есть в разрыв цепи (вольтметр включается параллельно).

Сечение провода

Протекающий в проводнике электрический ток действует двояко:

• создает электромагнитное поле;
• вызывает нагрев проводника.

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

Сечение провода по току и мощности

Мощность нагрева определяется формулой W = I 2 * R, где:

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

Сопротивление проводов зависит от площади их : 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.

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 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.

Сила 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 , 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.

Видео по теме

Что такое сила тока? Объяснение в видео:

Сила тока - важнейший параметр, характеризующий состояние электрической цепи. Потому радиолюбителю часто приходится измерять ее при помощи амперметра или . При этом важно помнить, что некоторые приборы не имеют защиты от перегрузки и как следствие диапазон измерений при неизвестном порядке измеряемой величины, следует подбирать начиная с наибольшего значения.

Понятие о силе тока является основой современной электротехники. Без этих базовых знаний невозможно сделать расчеты к схемам, выполнить действия по электрике, предотвратить, выявить и устранить повреждение в цепи.

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.

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.

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.

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:

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.

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.

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.

Видео

«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.

Что такое напряжение, и сила тока ?

Сегодня речь пойдет о самых базовых понятиях силы тока, напряжения, без общего понимания которых невозможно построение любого электротехнического устройства.

Итак, что же такое напряжение?

Попросту говоря напряжение - разница потенциала между двумя точками электрической цепи , измеряется в Вольтах. Стоит заметить что, напряжение всегда измеряется между двумя точками! То есть, когда говорят что напряжение на ножке контроллера 3 Вольта, подразумевается что разница потенциалов между ножкой контроллера и землей те самые 3 Вольта.

Земля(Масса, Ноль) - это точка электрической схемы с потенциалом 0 Вольт . Однако стоит заметить, что напряжение не всегда измеряется относительно земли. Например, замерив напряжение между двумя выводами контроллера, мы получим разницу электрических потенциалов данных точек схемы. То есть если на одной ножке 3 Вольта(То есть данная точка обладает потенциалом 3 Вольта относительно земли), а на второй 5Вольт(Опять же потенциал относительно земли), мы получим значение напряжения равное 2 вольтам, что равняется разнице потенциалов между точками 5 и 3 Вольта.

Из понятия напряжение вытекает следующее понятие - электрический ток. Из курса общей физики мы помним, что электрический ток есть направленное движение заряженных частиц по проводнику, измеряется в Амперах. Заряженные частицы движутся благодаря разнице потенциалов между точками. Принято считать, что ток происходит из точки с большим зарядом, в точку, обладающую меньшим зарядом. То есть, именно напряжение (разность потенциалов) создает условия протекания тока. При отсутствии напряжения - невозможен ток, то есть между точками с равным потенциалом ток отсутствует.

На своем пути, ток встречает препятствие в виде сопротивления, что препятствует его протеканию. Сопротивление измеряется в Омах. Подробнее о нем мы поговорим в следующем уроке. Однако, между током, напряжением и сопротивлением уже давно выведена следующая зависимость:

Где I - Сила тока в Амперах,U - Напряжение в Вольтах,R - Сопротивление в Омах.

Данное соотношение называется законом Ома. Так же справедливы следующие выводы из закона Ома:

Если у Вас ещё остались вопросы, задавайте их в комментариях. Лишь благодаря Вашим вопросам Мы сможем улучшить материал представленный на данном сайте!

На этом всё, в следующем уроке поговорим о сопротивлении.

Любое копирование, воспроизведение, цитирование материала, или его частей разрешено только с письменного согласия администрации MKPROG .RU . Незаконное копирование, цитирование, воспроизведение преследуется по закону!

Невозможно. Понятие о токе является основой, на которой, словно дом на надежном фундаменте, выстраиваются дальнейшие расчеты электроцепей и приводятся новые и новые определения. Сила тока представляет собой одну из величин международной поэтому универсальной единицей измерения является Ампер (А).

Физический смысл данной единицы поясняют следующим образом: сила тока в один ампер возникает при движении обладающих зарядом частиц по двум проводникам бесконечной протяженности, между которыми промежуток в один метр. При этом возникающая на каждом метровом участке проводников численно равна 2*10 в степени -7 Ньютон. Обычно добавляют, что проводники расположены в вакууме (что позволяет нивелировать влияние промежуточной среды), а их сечение стремится к нулю (при этом проводимость максимальна).

Однако, как это обычно бывает, классические определения понятны лишь специалистам, которым, по сути, уже не интересны азы. А вот незнакомый с электричеством человек «запутается» еще больше. Поэтому поясним, что такое сила тока, буквально «на пальцах». Представим обыкновенную батарейку, от полюсов которой к лампочке идут два изолированных провода. В разрыв одного провода подключен выключатель. Как известно из начального курса физики, электрический ток - это движение частиц, обладающих собственным Обычно ими принято считать электроны (действительно, именно электрон обладает единичным отрицательным зарядом), хотя на самом деле все немного сложнее. Данные частицы характерны для проводящих материалов (металлы), а вот в газовых средах дополнительно переносят заряд ионы (вспоминаем термины «ионизация» и «пробой воздушного промежутка»); в полупроводниках проводимость не только электронная, но и дырочная (положительный заряд); в электролитических растворах проводимость чисто ионная (например, автомобильные аккумуляторы). Но вернемся к нашему примеру. В нем ток формирует движение именно свободных электронов. Пока выключатель не включен, цепь разомкнута, частицам двигаться некуда, следовательно, сила тока равна нулю. Но стоит «собрать схему», как электроны устремляются от отрицательного полюса батарейки к положительному, проходя через лампочку и вызывая ее свечение. Сила, заставляющая их двигаться, происходит от электрического поля, создаваемого батарейкой (ЭДС - поле - ток).

Сила тока - это отношение заряда ко времени. То есть фактически речь идет о количестве электричества, проходящего по проводнику за условную единицу времени. Можно привести аналогию с водой: чем сильнее открыт кран, тем больший объем воды пройдет по трубопроводу. Но если воду измеряют литрами (кубометрами), то ток - количеством носителей заряда или, что также верно, амперами. Вот так все просто. Нетрудно понять, что увеличить силу тока можно двумя способами: убрав из цепи лампочку (сопротивление, препятствие движению), а также повысив создаваемое батарейкой электрическое поле.

Собственно, мы подошли к тому, как в общем случае выполняется расчет силы тока. Существует много формул: например, для полной цепи, учитывающей влияние характеристик источника питания; для переменного и для многофазных систем и пр. Однако всех их объединяет единое правило - знаменитый закон Ома. Поэтому приведем его общий (универсальный) вид:

где I - ток, в Амперах; U - напряжение на выводах источника питания, в Вольтах; R - сопротивление цепи или участка, в Омах. Эта зависимость лишь подтверждает все вышесказанное: увеличения тока можно добиться двумя способами, через сопротивление (наша лампочка) и напряжение (параметр источника).