Электрический ток представляет собой направленное движение электрических зарядов. Величина тока определяется количеством электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Одним количеством электричества, проходящим по проводнику, мы еще не можем полностью охарактеризовать электрический ток. Действительно, количество электричества, равное одному кулону, может проходить по проводнику в течение одного часа, и тоже самое количество электричества может быть пропущено по нему в течение одной секунды.

Интенсивность электрического тока ко втором случае будет значительно больше, чем в первом, так как то же самое количество электричества проходит в значительно меньший промежуток времени. Для характеристики интенсивности электрического тока количество электричества, проходящее по проводнику, принято относить к единице времени (секунде). Количество электричества, проходящее по проводнику в одну секунду, называется силой тока. В качестве единицы силы тока в системе принят ампер (а).

Сила тока - количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в одну секунду.

Сила тока обозначается английской буквой I .

Ампер - единица силы электрического тока (одна из ), обозначается А. 1 А равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 10 –7 Н на каждый метр длины.

Сила тока в проводнике равна одному амперу, если ежесекундно через поперечное сечение его проходит один кулон электричества.

Ампер - сила электрического тока, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит количество электричества, равное одному кулону: 1 ампер = 1 кулон/1 секунду.

Часто применяют вспомогательные единицы: 1 миллиампер (ма) = 1/1000 ампер = 10 -3 ампер, 1 микроампер (мка) = 1/1000000 ампер = 10 -6 ампер.

Если известно количество электричества, прошедшее через сечение проводника за некоторый промежуток времени, то силу тока можно найти по формуле: I=q/t

Если в замкнутой цепи не имеющей разветвлений, проходит электрический ток, то через любое поперечное сечение (в любом месте цепи) проходит в секунду одно и тоже количество электричества, независимо от толщины проводников. Это объясняется тем, что заряды не могут накапливаться в каком-нибудь месте проводника. Следовательно, сила тока в любом месте электрической цепи одинакова.

В сложных электрических цепях с различными ответвлениями это правило (постоянство тока во всех точках замкнутой цепи) остается, конечно, справедливым, но оно относится только к отдельным участкам общей цепи, которые могут рассматриваться как простые.

Измерение силы тока

Для измерения силы тока служит прибор, который называется амперметром. Для измерения очень малых сил тока применяются миллиамперметры и микроамперметры, или гальванометры. На рис. 1. показано условное графическое изображение амперметра и миллиамперметра на электрических схемах.

Рис. 1. Условные обозначения амперметра и миллиамперметра

Рис. 2. Амперметр

Для того, чтобы измерит силу тока нужно включить амперметр в разрыв цепи (см. рис. 3). Измеряемый ток проходит от источника через амперметр и приемник. Стрелка амперметра показывает силу тока в цепи. Где именно включить амперметр, т. е. до потребителя (считая ) или после него, совершенно безразлично, так как сила тока в простой замкнутой цепи (без разветвлений) будет одинакова во всех точках цепи.

Рис. 3. Включение амперметра

Иногда ошибочно считают, что амперметр, включенный до потребителя, будет показывать большую силу тока, чем включенный после потребителя. В этом случае считают, что «часть тока» тратится в потребителе для приведения его в действие. Это, конечно, неверно, и вот почему.

Электрический ток в металлическом проводнике представляет собой электромагнитный процесс, сопровождаемый упорядоченным движением электронов по проводнику. Однако энергия переносится не электронами, а электромагнитным полем, окружающим проводник.

Через любое поперечное сечение проводников простой электрической цепи проходит в точности одно и то же количество электронов. Какое количество электронов вышло от одного полюса источника электрической энергии, такое же количество их пройдет через потребитель и, конечно, поступит к другому полюсу, источника, ибо электроны как материальные частички израсходоваться при своем движении не могут.

Рис. 4. Измерение силы тока с помощью мультиметра

В технике встречаются очень большие силы тока (тысячи ампер) и очень маленькие (миллионные доли ампера). Например, сила тока электрической плитки примерно 4 - 5 ампер, лампы накаливания - от 0,3 до 4 ампер (и больше). Ток, проходящий через фотоэлементы, составляет всего несколько микроампер. В главных проводах подстанций, дающих электроэнергию для трамвайной сети, сила тока достигает тысяч ампер.

Определение 1

Ток является процессом, при протекании которого (под непосредственным влиянием электрического поля) начинает осуществляться движение некоторых заряженных частиц.

Такими заряженными частицами могут выступить разные элементы (все будет зависеть от ситуации). В случае с проводниками, например, в роли таковых частиц, выступят электроны.

Понятие силы тока

Сила электрического тока будет представлять величину, характеризующую порядок движения электрических зарядов, численно равную количеству заряда $\delta q$, который при этом протекает сквозь определенную поверхность $S$, (представляющую поперечное сечение проводника) за единицу времени:

$I=\frac{\delta q}{\delta t}$

С целью определения силы тока $I$, требуется разделить электрический заряд $\delta q$, прошедший через поперечное сечение проводника за время $\delta t$, на это время.

Сила тока будет зависимой от заряда, переносимого посредством всех частиц, скорости их ориентированного в конкретном направлении движения и площади поперечного проводникового сечения.

Рассмотрим проводник с площадью поперечного сече­ния $S$. Заряд всех частиц обозначим $q_о$. В объеме проводника, ограниченного двумя сечениями, содержится $nS\delta l$ частиц, где $n$ представляет их концентрацию. Их общий заряд окажется таким:

$q={q_о}{nS\delta I}$

При условии движения частиц со средней скоростью $v$, за время $\delta t=\frac{\delta I}{v}$ все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, успеют пройти через второе поперечное сечение, что означает соответствие силы тока расчетам по такой формуле:

$I={q_о}{nvS}$, где:

• $I$ - обозначение силы электричества, измеряется в Амперах (А) или Кулонах/секунду;
• $q$ - заряд, идущий по проводнику, единица измерения Кулоны (Кл);

В СИ единицу силы тока считают основной, а называется она ампер (А). Измерительным прибором выбран амперметр, чей принцип работы основывается на магнитном действии тока.

Замечание 1

При оценке скорости упорядоченного движения электронов внутри проводника, выполненная, согласно формуле для медного проводника при площади поперечного сечения в один квадратный миллиметр, мы получаем незначительную величину (0,1мм/с).

Отличие силы тока от напряжения

В физике различают такие понятия, как «сила тока» и «напряжение». Между ними существуют некоторые отличия, рассмотрение которых играет важное значение для понимания принципа действия силы тока.

Под «силой тока» понимается некоторое количество электричества, «напряжением», в то же время считается мера потенциальной энергии. При этом данные понятия достаточно сильно взаимозависимы. Важнейшими факторами, влияющими на них, являются:

• материал проводника;
• температура;
• внешние условия.

Различия можно наблюдать также и в способе их получения. Если в случае воздействия на электрические заряды создается напряжение, ток возникнет уже за счет действия напряжения между точками схемы. Также существует различие и в сравнении с таким понятием, как «энергопотребление». Оно будет заключаться именно в мощности. Так, если напряжение требуется для характеристики потенциальной энергии, то ток уже будет характеризовать энергию кинетическую.

Способы определения силы тока

Вычисляется сила тока на практике с задействованием специальных измерительных приборов либо посредством отдельных формул (при условии наличия исходных данных). Основной формулой, согласно которой рассчитывается сила тока, выглядит следующим образом:

Существование электричества может быть постоянным (например, содержащийся в батарейке ток), а также переменным (ток в розетке). Освещение помещений и работа всех приборов электрического типа происходит именно посредством воздействия переменного электричества. Основным отличием переменного тока от постоянного выступает его более сильная склонность к трансформации.

Наглядным примером действия переменного тока может также послужить эффект включения люминесцентных ламп. Так в процессе включения такой лампы начинает осуществляться движение заряженных частиц то вперед, то назад, что объясняет действие переменного тока. Именно данный вид электричества считается наиболее распространенным в быту. Соответственно закону Ома, силу тока рассчитывают по формуле (для участка электроцепи):

Сила тока, таким образом, оказывается прямо пропорциональна напряжению $U$, измеряемому в Вольтах, к участку цепи и обратно пропорциональной $R$-сопротивлению проводника указанного участка, выражаемому в Омах. Расчет силы электричества в полной цепи рассчитан таким образом:

$I=\frac{E}{R+r}$, где:

• $Е$ - электродвижущая сила, ЭДС, Вольт;
• $R$ - внешнее сопротивление, Ом;
• $r$ - внутреннее сопротивление, Ом.

Основными способами определения силы тока посредством систем приборов на практике являются следующие:

1. Магнитоэлектрический измерительный метод. Его преимуществами выступают высокая чувствительность и точность показаний при незначительном энергопотреблении. Указанный способ применим исключительно при определении величины силы постоянного тока.
2. Электромагнитный способ заключается в нахождении силы токов переменного и постоянного типов путем процесса трансформации из электромагнитного поля в сигнал магнитного модульного датчика.
3. Косвенный метод направлен на определение за счет вольтметра напряжения при определенном сопротивлении.

Замечание 2

С целью нахождения силы тока, на практике зачастую применяется специальный прибор амперметр. Такое устройство включается в разрывы электроцепи в требуемой точке измерения силы электрозаряда, прошедшего за некоторое время через сечение провода.

При определении величины силы малого электричества применяют миллиамперметры, микроамперметры, а также гальванометры, также подключаемые к определенному месту в цепи, где необходимо найти силу тока. Подключение может быть выполнено двумя способами:

• последовательным;
• параллельным.

Определение силы тока, который потребляется, считается не так часто востребованным, как измерение напряжения или сопротивления. В то же время, без вычисления физической величины силы тока становится невозможным расчет потребляемой мощности.

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

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) .

На рисунке представлена схема устройства электроснабжения квартиры при однофазном подключении к сети напряжением 220 В .

Как видно из рисунка, различные потребители электроэнергии подключены через соответствующие автоматы к электросчётчику и далее общему автомату, который должен быть рассчитан на нагрузку приборов, которыми будет оборудована квартира. Провод, который подводит питание также должен удовлетворять нагрузке энергопотребителей.

Ниже приводится таблица для скрытой проводки при однофазной схеме подключения квартиры для подбора провода при напряжении 220 В

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.

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.

16. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока

Электрический ток - направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля.

Сила тока (I) - скалярная величина, равная отношению заряда (q), прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени (t), в течение которого шёл ток.

I=q/t, где I- сила тока, q - заряд, t - время.

Единица измерения силы тока в системе СИ: [I]=1A (ампер)

17. Источники тока. Эдс источника

Источник тока - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

ЭДС - энергетическая характеристика источника. Это физическая величина, равная отношению работы, совершенной сторонни­ми силами при перемещении электрического заряда по замкнутой цепи, к этому заряду:

Измеряется в вольтах (В).

Источник ЭДС - двухполюсник, напряжение на зажимах которого не зависит от тока, протекающего через источник и равно его ЭДС. ЭДС источника может быть задана либо постоянным, либо как функция времени, либо как функция от внешнего управляющего воздействия.

18. Закон Ома : сила тока, текущего по однородному участку проводника, прямо пропорциональна падению напряжения на проводнике:

-закон Ома в интегральной форме R – электрическое сопротивление проводника

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью. Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью: Единица, обратная Ом, называется Сименсом [См].

- закон Ома в дифференциальной форме.

19. Обобщенный закон Ома

Обобщенный закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участке цепи постоянного тока, содержащем резистор и идеальный источник ЭДС (рис.1.2):

Формула справедлива для указанных на рис.1.2 положительных направлений падения напряжения на участке цепи (Uab ), идеального источника ЭДС (Е ) и положительного направления тока (I ).

Закон Джоуля-Ленца

Выражение закона Джоуля - Ленца

Интегральная форма закона

Если принять, что сила тока и сопротивление проводника не меняется в течение времени, то закон Джоуля - Ленца можно записать в упрощенном виде:

Применив закон Ома и алгебраические преобразования, получаем приведенные ниже эквивалентные формулы:

Эквивалентные выражения теплоты согласно закона Ома

Словесное определение закона Джоуля - Ленца

Если принять, что сила тока и сопротивление проводника не меняется в течение времени, то закон Джоуля - Ленца можно записать в упрощенном виде:

20. Магни́тное по́ле - силовое поле, действующее на движущиесяэлектрические заряды и на тела, обладающиемагнитным моментом, независимо от состояния ихдвижения; магнитная составляющаяэлектромагнитного поля

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/илимагнитными моментамиэлектроноватомах (и магнитными моментами другихчастиц, что обычно проявляется в существенно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно возникает в результате изменения во времени электрического поля.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля). С математической точки зрения- векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).

Ещё одной фундаментальной характеристикой магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал .

Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле , проявлениями которого являются, в частности свет и все другие электромагнитные волны .

Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц или изменяющимся во времени электрическим полем , или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам)

Графическое изображение магнитных полей

Для графического изображения магнитных полей используются линии магнитной индукции. Линия магнитной индукции –это линия, в каждой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.