Что означает термин 'сила тока'. Формула тока. По какой формуле можно найти, вычислить силу электрического тока. Закон Ома

Определение

Электрическим током называют упорядоченное движение носителей зарядов. В металлах таковыми являются электроны, отрицательно заряженные частицы с зарядом, равным элементарному заряду. Направлением тока считают направление движения положительно заряженных частиц.

Силой тока (током) через некоторую поверхность S называют скалярную физическую величину, которую обозначают I, равную:

где q – заряд, проходящий сквозь поверхность S, t – время прохождения заряда. Выражение (1) определяет величину силы тока в момент времени t (мгновенное значение величины силы тока).

Некоторые виды силы тока

Ток носит название постоянного, если его сила и направление с течением времени не изменяются, тогда:

Формула (2) показывает, что сила постоянного тока равна заряду, который проходит сквозь поверхность S в единицу времени.

Если ток является переменным, то выделяют мгновенную силу тока (1), амплитудную силу тока и эффективную силу тока. Эффективной величиной силы переменного тока (I eff) называют такую силу постоянного тока, которая выполнит работу равную работе переменного тока в течение одного периода (T):

Если переменный ток можно представить как синусоидальный:

то I m – амплитуда силы тока ( – частота силы переменного тока).

Плотность тока

Распределение электрического тока по сечению проводника характеризуют при помощи вектора плотности тока (). При этом:

где – угол между векторами и ( – нормаль к элементу поверхности dS), j n – проекция вектора плотности тока на направление нормали ().

Сила тока в проводнике определяется при помощи формулы:

где интегрирование в выражении (6) проводится по всему поперечному сечению проводника S

Для постоянного тока имеем:

Если рассматривать два проводника с сечениями S 1 и S 2 и постоянными токами, то выполняется соотношение:

Сила тока в соединениях проводников

При последовательном соединении проводников сила тока в каждом из них одинакова:

При параллельном соединении проводников сила тока (I) вычисляется как сумма токов в каждом проводнике (I i):

Закон Ома

Сила тока входит в один из основных законов постоянного тока – закон Ома (для участка цепи):

где - – разность потенциалов на концах, рассматриваемого участка, - ЭДС источника, который входит в участок цепи, R – сопротивление участка цепи.

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 по направлению тока) 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.

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).

Сила тока — это движение заряженных частиц в одном направлении. Найти силу тока можно на практике с использованием специальных приборов для измерения, а можно рассчитать с помощью уже выведенных готовых формул, если есть исходные данные.

Физическая величина, которая показывает заряд, что проходит за какую-то единицу времени через проводник, называется силой тока. Основная формула, согласно которой можно рассчитать эту силу: I = q/t. То есть отношение прошедшего через поперечное сечение заряда к интервалу времени, в течение которого шло электричество, равно искомой величине I.

Расшифровка обозначений:

• I — обозначение силы электричества, измеряется в Амперах (А) или 1 Кулон/секунду;
• q — заряд, идущий по проводнику, единица измерения Кулоны (Кл);
• t — интервал прохождения заряда, измеряется в секундах (с).

Электричество может быть постоянным — это ток, который содержит батарейка, или от которого поддерживается работа мобильного телефона, и переменным — то, что находится в розетке. Освещение помещений и работа всех электроприборов происходит именно переменным электричеством. Отличие переменного тока в том, что он легче поддается трансформации, нежели постоянный. Наглядный пример по работе переменного тока можно наблюдать при включении люминисцентных ламп: пока лампа включается, происходит движение заряженных частиц вперед — назад — вперед. В этом и есть основная суть переменного тока. По умолчанию речь идет об измерении именно этого вида электричества, так как он наиболее распространен в быту.

В соответствии с законом Ома, силу тока можно рассчитать по формуле (для участка электрической цепи): I=U/R, согласно которой сила электричества прямо пропорциональна напряжению U, измеряемому в Вольтах, к участку цепи и обратно пропорциональна R-сопротивлению проводника этого участка, выраженному в Омах.

Исходя из закона Ома, расчет силы электричества в полной цепи выглядит так: I = E/ R+r, где

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

Законы Ома применимы для вычисления постоянного тока, если же требуется узнать величину силы переменного электричества, то добытые значения следует поделить на корень из двух.

Основные способы определения силы тока с помощью систем приборов на практике:

• Магнитоэлектрический метод измерения, преимуществом которого является чувствительность и точность показаний, а также незначительное потребление энергии. Этот способ можно применять только для определения величины силы постоянного тока.
• Электромагнитный — это нахождение силы переменного и постоянного токов методом трансформации из электромагнитного поля в сигнал магнитомодульного датчика.
• Косвенный, с помощью вольтметра находится напряжение на определенном сопротивлении.

Чтобы найти силу тока на деле, чаще всего используют специальный прибор для этого — Амперметр. Это устройство включают в разрывы электрической цепи в необходимой точке измерения силы электрического заряда, прошедшего за какое-то время через сечение провода. Для нахождения величины силы малого электричества применяются миллиамперметры, микроамперметры и гальванометры, которые также подключаются к тому месту в цепи, где требуется узнать силу тока. Подключение может происходить двумя способами: последовательно и параллельно.

Определение силы потребляемого тока не так часто востребовано, как измерение сопротивления или напряжения, но без нахождения физической величины силы тока невозможен расчет потребляемой мощности.

У шкільних підручниках фізики електричним струмом називають спрямований рух електричних зарядів. Однак зіставляти силу струму з витратою води в трубі, а напруга - з її напором, невірно. Також неправильно буде ототожнювати рух зарядів з переміщенням вільних електронів.

Швидкість дрейфу вільних електронів в провідниках дуже мала - близько 10 мм / с. Електричний струм - поширення електромагнітного поля в провіднику або в просторі.

У чому ж сила струму?

Якщо на провідник подати напругу, то електричне поле в ньому зміниться. Виникне як би очікування відповідного поїзда в метро. Ось, поїзд підійшов, двері відкрилися - це ми замкнули ланцюг: вставили штепсель в розетку, клацнули вимикачем. Люди пішли, в русі вони виділяють енергію. Її можна використовувати: поставити, наприклад, турнікет, і нехай крутять.

Тобто в електричному полі є запас енергії. Якщо рівновага поля порушено - замкнута ланцюг, відкрита якась двері для зарядів - піде струм. Але щоб його енергія перетворилася в роботу або тепло, струм повинен відчувати певний опір. Носіїв зарядів (електрони, іони) «турнікет» (нагрівач, мотор, лампочка) не обурить, і вони будуть справно працювати на нас.

Отже, сила струму - його здатність виробляти деяку дію, обумовлена запасом енергії в електромагнітному полі. Але щоб здатність перетворилася на роботу або тепло, потрібно ще докласти напруга: слабосильний не прокрутить тугий турнікет, навіть якщо попереду шлях вільний. 1 А струму при 1 В напруги дасть роботу в 1 Дж і, якщо вона буде здійснена протягом 1 с, то потужність вийде в 1 Вт Але при нульовій напрузі струм будь-якої сили роботи не проведе - його сила буде витрачена даремно.

Струм дуже великої сили при практично повній відсутності напруги можливий у надпровідниках.

Як вимірюють силу струму

Силу струму вимірюють спеціальними приладами - амперметрами. У побутових тестерах-мультиметр теж є режим вимірювання струму-на перемикачі він позначається буквами A (ампер) або mA (мілліампери- 1 mA = 1/1000 A).

Щоб виміряти струм звичайним амперметром або тестером, його потрібно включити в розрив дроту. Зараз є амперметри, що дозволяють вимірювати струм, не порушуючи електричний ланцюг. Для цього або до дроту прикладають спеціальний датчик (датчик Холла), або охоплюють провід кільцем амперметра - струмових кліщів. У тому і іншому випадку вимірюється магнітне дію струму, за яким і судять про його силу.

Дія струму на людину

Дія струму на людину залежить від його виду - постійний або змінний - часу впливу і сили струму. Найнебезпечніший - струм промислової частоти 50/60 Гц, той самий, який в розетці. Його дія на людину визначають, вважаючи час впливу в 1 с.

Значення промислової частоти 50/60 Гц склалося історично і технічно невигідно. Перш ніж це стало зрозуміло, світова енергетика склалася, і змінити частоту тепер неможливо.

Струм силою в 0,1 mA для людини невідчутний. Струм в 1 mA викликає легке пощипування. 3 mA дають відчутний удар, а після - озноб і інші неприємні ощущенія- з часом можливо прояв різних побічних ефектів. 10 mA викликають судоми, це неотпускающий струм. 100 mA вважається струмом смертельним, якщо потерпілий протягом 15 хв не був доставлений в реанімацію.

Струм через провідник залежить від прикладеної напруги, як ривок натовпу до дверей - від напору ззаду. Ця залежність виражається відомим законом Ома.

Опір тіла людини може змінюватися в широких межах, тому для правил електробезпеки беруть найменше з можливих значень - 1000 Ом. Виходячи з цього безпечним напругою вважається 12 В і менше.

Ефективним заходом захисту від ураження електрострумом є захисне заземлення. За аналогією з кинувшись натовпом: їй широко відкривають запасний вхід, і вона вільно проходить туди, нікого не затоптавши.