Расчет электрических параметров необходим для правильных построений цепей. Поскольку целью использования электричества в электротехнике является задача по выполнению током работы, то встает вопрос о том, как найти силу тока. Данный параметр используют при вычислениях мощности и в расчетах потребления электрической энергии.
Существуют разные способы определения этого важного параметра, которые мы рассмотрим в данной статье.
Формулами
Параметры электрического тока всегда взаимосвязаны. Например, изменение величины нагрузки отображается на показателях других величин. Причем эти изменения подчиняются соответствующим законам, которые выражаются через формулы. Поэтому на практике для нахождения силы тока часто используют соответствующие формулы.
Через заряд и время
Вспомним определение (рис.1): электричество – это величина заряда, движимого силами электрического поля, преодолевающего за единицу времени условную плоскость проводника, называемую поперечным сечением проводника.
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
Через мощность и напряжение
В паспорте электроприбора обычно указывается его номинальная мощность и параметры электрической сети, для работы с которой он предназначен. Имея в распоряжении эти данные, можно вычислить силу тока по формуле: I = P/U.
Данное выражение вытекает из формулы для расчета мощности: P = IU.
Через напряжение или мощность и сопротивление
Силу электричества на участке цепи определяют по закону Ома. Для этого необходимо знать следующие параметры: сопротивление и напряжение на этом участке. Тогда I = U/R. Если известна мощность нагрузки, то ее можно выразить через квадрат силы тока умноженной на сопротивление участка: P = I2R, откуда
Для полной цепи эту величину вычисляют по закону Ома, но с учетом параметров источника питания.
Через ЭДС, внутреннее сопротивление и нагрузку R
Применяя закон Ома, адаптированный для полной цепи, вы можете вычислить максимальный ток по формуле I = ε / (R+r′), если известны параметры:
- внешнее сопротивление проводников (R);
- ЭДС источника питания (ε);
- внутреннее сопротивление источника, обладающего ЭДС (r′).
Примечание! Реальные источники питания обладают внутренним сопротивлением. Поскольку в электрической цепи
показатель силы тока может уменьшаться в связи с возрастанием сопротивления источника питания или в результате падения ЭДС. Именно из-за роста внутреннего сопротивления садится аккумулятор и ослабевает ЭДС элементов питания.
Закон Джоуля-Ленца
Казалось бы, что расчет силы тока по количеству тепла, выделяющегося в результате нагревания проводника, не имеет практического применения. Однако это не так. Рассмотрим это на примере.
Пусть требуется найти силу тока во время работы электрочайника. Для этого доведите до кипения 1 кг воды и засеките время в секундах. Предположим, начальная температура составляла 10 ºС. Тогда Q = Cm(τ – τ0) = 4200 Дж/кг× 1 кг (100 – 10) = 378 000 Дж.
Из закона Джоуля-Ленца (изображение на рис. 2) вытекает формула:
Измерив сопротивление электроприбора и подставив значения в формулу, получим величину потребляемого тока.
Измерительными приборами
Если под руками имеются измерительные приборы, то с их помощью довольно просто найти силу тока. Необходимо лишь соблюдать правила измерений и не забывать о правилах безопасности.
Амперметром
Пользуясь приборами для измерения ампеража, следует помнить, что они подключаются в цепи последовательно. Внутреннее сопротивление амперметра очень маленькое, поэтому прибор легко выводится из строя, если проводить измерения пределами значений, для которых он рассчитан.
Схема подключения амперметра показана на рисунке 3. Обратите внимание на то, что на участке измеряемой электрической цепи обязательно должна быть нагрузка.
Большинство аналоговых амперметров, например, таких, как на рисунке 4, предназначены для измерений параметров в цепях с постоянными токами.
Обратите внимание распределение шкалы амперметра. Цена первого деления 50 А, а всех последующих – 10 А. Максимальная величина, которую можно измерить данным амперметром не должна превышать 300 А. Для измерений электрической величины в меньших либо в больших пределах следует применять соответствующие приборы, предназначенные для таких диапазонов. В этом смысле универсальность амперметра ограничена.
При измерениях постоянных токов необходимо соблюдать полярность щупов при подключении амперметра. Для подключения прибора требуется разрывать цепь. Это не всегда удобно. Иногда вычисление силы тока по формуле является предпочтительней, особенно если приходится проводить измерения в сложных электротехнических схемах.
Мультиметром
Преимущество мультиметра в том, что этот прибор многофункциональный. Современные мультиметры цифровые. У них есть режимы для измерений в цепях постоянных и переменных токов. В режиме измерения силы тока этот измерительный прибор подключается в цепь аналогично амперметру.
Перед включением мультиметра в цепь, всегда проверяйте режим измерений, а пределы измерения выбирайте заведомо большие предполагаемой силы тока. После первого измерения можно перейти в режим с меньшим диапазоном.
Для работы с переменным напряжением переводите прибор в соответствующий режим. Считывайте значения с дисплея после того, как цифры перестанут мелькать.
Примеры
Покажем на простых примерах, как решать задачи на вычисление силы тока по формуле.
Задача 1.
На участке цепи имеются три параллельно включенных резистора (см. рис. 5). Значения сопротивлений резисторов: R1 = 5 Ом; R2 = 25 Ом; R3 = 50 Ом. Требуется рассчитать силу тока для каждого резистора и на всём участке, если на нем поддерживается постоянное напряжение 100 В.
Решение: При параллельном соединении нагрузочных элементов U = const, то есть, напряжение одинаково на всех резисторах и составляет 100 В. Тогда, по закону Ома I = U/R
- I1 = U/R1 =100/5 = 20 А;
- I2 = U/R2 =100/25 ≈ 4 А;
- I3 = U/R3 =100/50 = 2 А.
Для вычисления искомого параметра на всем участке цепи, нам необходимо знать общее сопротивление этого участка. Учитывая тот факт, что при параллельном соединении нагрузочных элементов в цепи их общее сопротивление равно:
Имеем: 1/R= 1/5 + 1/25 + 1/50 = 13/50; R = 50/13 ≈ 3.85 (Ом)
Тогда: I = U/R = 100 В/3,85 Ом ≈26 А.
Ответ:
- Сила тока на сопротивлениях: I1 =20 А; I2 = 4А; I3 = 2 А.
- Сила тока, поступающего на рассматриваемый участок цепи равна 26 А.
Задача 2.
Мощность электрочайника 2 кВт. Чайник работает от городской сети под напряжением 220 В. Сколько электричества потребляет этот электроприбор?
Решение:
Воспользуемся формулой для нахождения силы тока, включающей напряжение и мощность: I = P/U.
- 2 кВт преобразим в ватты: 2 кВт = 2000 Вт.
- Подставляем данные: I = 2 000 Вт/ 220 В ≈ 9 А
- Ответ: Нагревательный элемент электрочайника рассчитан на 9 А.
Задача 3.
Вычислить силу тока в цепи, если известно, что сопротивление составляет 5 Ом, ЭДС источника питания 6 В, а его внутреннее сопротивление составляет 1 Ом.
Решение.
Применяя закон Ома для полной цепи, запишем: I = ε / (R+r′)
I = 6 В / (5 Ом + 1 Ом) = 1 А.
Ответ: сила тока 1 А.
Задача 4.
Сколько энергии потребляет электроплита за 2 часа работы, если сопротивление нагревательного элемента 40 Ом?
Решение:
За время t электричество выполнит работу A = U*I*t.
Напряжение сети известно – оно составляет 220 В.Силу тока находим по формуле: I = U/R, тогда A = (U2/R)*t или
A = ((220 В)2 / 40 Ом) * 2 ч = 2420 Втч = 2,42 кВтч
Ответ: За 2 часа работы электроплита потребляет 2,42 кВт часов электроэнергии.
Применяя формулы для вычисления параметров электричества, пользуясь фундаментальными законами физики можно находить неизвестные данные для составных элементов цепей и электроприборов с целью оценки их состояния. В каждом отдельном случае необходимо определить известные параметры тока, которые можно использовать в дальнейших вычислениях. Обычно, это напряжение, мощность или сопротивление нагрузки.
Если можно обойтись без измерений амперметром – лучше прибегнуть к вычислениям, даже если при этом потребуется измерить напряжение. Такое измерение можно проводить без разрыва электрической цепи, чего нельзя сделать при помощи амперметра.
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 14 ноября 2022 года; проверки требует 1 правка.
У этого термина существуют и другие значения, см. Сила (значения).
| Сила тока | |
|---|---|
 ,  |
|
| Размерность | I |
| Единицы измерения | |
| СИ | А |
| Примечания | |
| скалярная величина |
| Классическая электродинамика |
|---|
 |
| Электричество · Магнетизм |
|
Электростатика Закон Кулона |
|
Магнитостатика Закон Био — Савара — Лапласа |
|
Электродинамика Векторный потенциал |
|
Электрическая цепь Закон Ома |
|
Ковариантная формулировка Тензор электромагнитного поля |
| См. также: Портал:Физика |
Сила тока, также просто ток — скалярная физическая величина, равная отношению электрического заряда 
, прошедшего через определённую поверхность за бесконечно малый промежуток времени 
, к длительности этого промежутка[1][2][3]:
В качестве поверхности обычно рассматривается сечение проводника.
Выбор буквенного обозначения соответствует французскому названию величины (фр. intensité du courant); реже используется символ 
.
Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (обозначение: А), ампер является одной из семи основных единиц СИ. 1 А = 1 Кл/с.
Понятие силы тока широко используется в задачах электротехники и схемотехники. Величина 
входит в закон Ома для участка цепи.
Несмотря на наличие слова «сила» в наименовании понятия, сила тока не является силой ни по смыслу, ни по размерности.
Сила тока и плотность тока[править | править код]
Сила тока связана с плотностью тока через соотношение
.
Точка означает скалярное произведение, 
— векторный элемент площадки (элемент площади поверхности 
, домноженный на единичный вектор нормали к ней 
) а интегрирование выполняется по всей площади сечения. В простейшем случае, когда ток течёт равноплотно, а сечение перпендикулярно плотности тока (то есть 
) будет 
.
Силой тока чаще оперируют в технических приложениях, а плотностью тока — в физических задачах, посвящённых анализу поведения носителей заряда.
Происхождение тока[править | править код]
За протекание тока ответственно упорядоченное движение заряженных частиц, в роли которых обычно выступают электроны, ионы или дырки. Плотность тока представляет собой плотность потока этих частиц. Она зависит от их заряда 
, концентрации 
и средней скорости упорядоченного движения 
. Если наличествует только один сорт частиц, то[4] 
. Сила тока является потоком вектора 
.
Постоянный и переменный ток[править | править код]
Если не меняется со временем, ток называется постоянным, а при наличии зависимости 
— переменным.
В случае переменного тока различают мгновенную силу тока 
, среднюю (за некоторый конечный промежуток времени 
) силу тока 
, амплитудную (пиковую) силу тока 
и эффективную силу тока (равную силе постоянного тока, который выделяет такую же мощность) 
, где 
— достаточно большое время интегрирования.
Закон Ома[править | править код]
По закону Ома сила тока для участка цепи пропорциональна приложенному к участку цепи напряжению 
и обратно пропорциональна сопротивлению 
проводника этого участка цепи:
- .
По закону Ома для полной цепи,
- ,
где 
— внутреннее сопротивление источника электродвижущей силы 
.
Мощность, выделяемая на омической нагрузке, рассчитывается как
- .
Пользуясь законом Ома, её можно выразить через другие величины. На диаграмме справа представлена взаимосвязь величин , , , 
.
Измерение силы тока[править | править код]
Для измерения силы тока используют специальный прибор — амперметр (для приборов, предназначенных для измерения малых токов, также используются названия миллиамперметр, микроамперметр, гальванометр). Его включают в разрыв цепи[5] в том месте, где нужно измерить силу тока.
Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении).
Примечания[править | править код]
- ↑ ФЭ, 1994, с. 496.
- ↑ БЭСФ, 1998, с. 677.
- ↑ Мякишев Г. Я.,. Физика. 10 класс : учеб. для общеобразовательны. учреждений: базовый и просил. уровня. — 19-е изд.. — М.: Просвещение, 2010. — С. 290. — 366 с. — ISBN 978-5-09-022776-6.
- ↑ Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 173—174. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3.
- ↑ Силу переменного тока можно измерять без разрыва цепи с помощью измерительного прибора под названием токоизмерительные клещи. Современные приборы такого типа могут измерять и силу постоянного тока.
Литература[править | править код]
- Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 173—174. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3.
- Физическая энциклопедия. — Москва: Советская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — ISBN 978-5-85270-087-2.
- Физика: большой энциклопедический словарь / А. М. Прохоров (ред.). — 4-е (репр.) изд.. — Москва: Большая российская энциклопедия, 1998. — (Большие энциклопедические словари). — ISBN 978-5-85270-306-4.
Как разными способами найти силу тока
Содержание
- 1 Зачем нужно находить силу тока
- 2 Вычисление тока, если известны мощность и напряжение
- 3 Определение мощности прибора
- 4 Вычисление тока при известных значениях напряжения и сопротивления
- 5 Использование мощности и сопротивления
- 6 Непосредственное измерение силы тока
- 7 Видео по теме
Знание силы тока в электрической цепи является в некоторых случаях необходимым. Ее определяют не только с помощью непосредственного измерения, но и расчетов. В последнем случае нужную информацию можно получить на основе технических характеристик оборудования.
Зависимости между основными электрическими величинами
Зачем нужно находить силу тока
Любое вещество состоит из атомов, которые включают в себя положительно заряженное ядро и вращающиеся вокруг него электроны. При отсутствии электрического поля движение этих частиц является хаотичным. Но как только проводник становится частью электрической цепи, подключённой к источнику питания, электроны начинают двигаться по направлению к положительному полюсу.
Ток проявляется через заряд. Каждый электрон несёт в себе элементарный отрицательный электрический заряд. Сила тока — это количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за какой-то отрезок времени. Следовательно, можно сделать вывод, что рассматриваемый параметр определяют заряд и время.
Электроток, выраженный через заряд и время
Найти силу тока в проводнике можно только в том случае, когда электрическая цепь подключена к источнику питания. Например, это может быть включение бытового прибора в электросеть с переменным напряжением, равным 220 В. Разным приборам для работы нужна разная мощность. В некоторых случаях даже выключенное оборудование может потреблять небольшое количество электричества, если оставить его вилку в розетке. Поэтому рассчитать силу тока в цепи можно через мощность и напряжение.
Слишком интенсивный электроток способен создавать проблемы. Он может, например, привести к перегреву деталей или к их разрушению. Если большой ток пройдёт через человека, то это нанесет серьёзный вред его здоровью или даже станет опасным для жизни. Для нормального и безопасного функционирования оборудования важно, чтобы электроток соответствовал установленным нормативам. Определение силы тока по мощности и напряжению позволяет проверить, насколько она соответствует требованиям.
Вычисление тока, если известны мощность и напряжение
Есть простой способ, как узнать ток, зная мощность и напряжение. В данном случае рассчитать постоянный ток можно по формуле:
Расчет для переменного тока через мощность усложняется, поскольку его величина и направление постоянно меняются. Это обстоятельство нужно учитывать при расчетах. Если питание однофазное, то используется такая формула:
Чтобы определить силу переменного тока в трехфазной сети, следует воспользоваться формулой:
При рассмотрении переменного тока нужно учитывать не только активную, но и реактивную мощность. Первая связана с активным сопротивлением, а вторая — с реактивным (ёмкостным и индуктивным). Соотношение между различными видами отражается с помощью cos φ.
Косинус угла «фи» обычно указывают в технической документации прибора. Если эту информацию нельзя получить из документации, то в расчетах очень мощных устройств принимают значение 0.8. Для большинства обычных бытовых приборов в вычислениях используют 0.95.
Подставив в формулу, применяемую для определения силы тока на участке цепи, значения напряжения U = 220 В для однофазной цепи и 380 В для трехфазной, а также cos φ = 0.95, получим следующие выражения:
Как видим, сила тока в трехфазной и однофазной сети при одинаковой нагрузке будет разной. В однофазной она втрое больше, чем в трехфазной.
Определение мощности прибора
Перед тем как найти силу электрического тока, нужно определить величину используемой мощности:
- Ее значение должно указываться в технической документации. Однако она не всегда доступна. В частности, документация может быть утеряна.
- На задней панели приборов часто имеется наклейка, на которой приведены важнейшие характеристики устройства. В числе прочих обычно указывают мощность.
Задняя панель прибора с указанием основных данных
- Можно воспользоваться таблицей с указанием средних значений мощности для различных видов устройств.
Мощность разных приборов
При вычислениях необходимо помнить, что пусковая мощность может превышать рабочую. Расчёт силы тока должен учитывать обе этих величины. Когда пусковая мощность вызывает резкое мгновенное увеличение силы тока, оно не должно превышать допустимой величины. Для бытовой техники пусковую мощность указывают редко. Поэтому перед тем как рассчитать силу тока, необходимо обратиться к соответствующим справочникам, чтобы найти определенное значение мощности. Для получения ее точной величины следует провести измерение ваттметром.
Вычисление тока при известных значениях напряжения и сопротивления
Если известно напряжение и сопротивление, то сила тока вычисляется по формуле, вытекающей из закона Ома:
Если известны значения ЭДС, внутреннего сопротивления и нагрузки, то можно найти силу тока, используя закон Ома для полной цепи:
Использование мощности и сопротивления
Как известно, мощность можно находить по формуле.
Применив в данном выражении закон Ома, можно привести его к следующему виду:
Теперь силу тока можно выразить так:
Следовательно, вычислить силу тока можно разными способами.
Непосредственное измерение силы тока
Величину силы тока можно не только рассчитывать, но и измерять, используя такие приборы, как амперметр или мультиметр. Любой из них при измерениях должен стать частью электрической цепи. Поэтому прибор нужно подключать последовательно.
Если нет большой нужды измерять силу тока амперметром, то лучше вычислить этот параметр, используя формулы, даже если для этого придется измерить напряжение. Вольтметром эта процедура осуществляется без разрыва электроцепи, чего нельзя сделать при использовании амперметра.
Также применяется магнитометрический способ. Примером его использования являются токовые клещи. Перед тем как определить силу электротока, их устанавливают так, чтобы они охватывали провод. Поскольку вокруг проводника при протекании тока образуется магнитное поле, которое клещи улавливают, то по его характеристикам прибор определяет силу тока в цепи.
Видео по теме
Как найти силу тока — формула в физике через мощность и напряжение, при смешанном соединении, в резисторе, проводнике
Чтобы правильно построить электрические цепочки в физике необходим расчёт параметров электроэнергии. Поскольку цель использования электрического тока в электротехнической технике – выполнение током работы, то появляется вопрос о поиске значения силы тока.
Однако, помимо этого следует понимать различие между разными видами электрической мощности, а также знать несколько способов для их вычисления.
Содержание
Определения
Сила тока – физическая величина, являющаяся одной из главных характеристик электрического тока. Она определяется таким понятием как: направленное движение электрических частиц. Другими словами, сила тока равна заряду, который за одну единицу времени прошёл через сечение проводника. Обозначается сила тока: [ I ] и исчисляется в Амперах (А).
Электрическая мощность — физическая величина, которая показывает с какой скоростью преобразуется или передаётся энергия электричества. Данная величина – характеристика производительности прибора. Обозначается: [ P ] и измеряется в Ватт (Вт).
Интересно! Впервые «Ватт» стали использоваться только в 1882 году. Ранее данный термин заменялся «лошадиными силами» (которые, в некоторых сферах, таких как автомобилестроение, используются и сейчас).
Формулы
Для нахождения силы тока
Сила тока рассчитывается по следующим формулам:
I = q/t
- q – заряд, который проходит через сечение проводника,
- t – время в секундах.
Закон Ома:
I = P/U
- P – электрическая мощность,
- U – электрическое напряжение.
I = U/R
- U – электрическое напряжение,
- R – электрическое сопротивление.
Следствие закона Джоуля-Ленца:
I = корень из Q/Rt
- R – электрическое сопротивление,
- Q – количество теплоты,
- t – время.
Для мощности электрического тока
P = A/t
- A – работа, которую выполняет электроприбор,
- t – время.
P = UxI
- U – электрическое напряжение,
- I – сила тока.
P = U2/R
- U – электрическое напряжение,
- R – электрическое сопротивление.
Нахождение силы тока при помощи приборов
Помимо формул, в некоторых случаях, гораздо удобнее использовать вычислительные приборы. Самое главное: правильно их использовать. При измерении следует соблюдать определенные правила и помнить о технике безопасности.
Амперметр
Амперметр – самый распространённый прибор для применения его в электрической цепи.
Единственным недостатком данного прибора является его собственное маленькое сопротивление, из-за чего он может сгореть или просто выключиться, если ему придется измерять силу тока, на которую он не рассчитан. Именно поэтому считается, что универсальность амперметра сильно ограничена.
Если появляется необходимость измерить постоянный ток, то для измерения прибором придется разорвать цепь, а также не забыть про полярность подключения. Данный процесс не всегда удобен и как следствие иногда вычисление по формулам является более предпочтительным.
Существует несколько видов амперметров, каждый из которых используется локально, то есть в определенных электрических цепочках. Наиболее популярными стали: тепловой, электромагнитный, магнитноэлектрический, электродинамический и индукционный амперметр.
Правила при работе с амперметром
- Клемму амперметра, на которой изображен «плюс» – соединяем с проводом, который идет от положительного полюса. Клемма с «минусом» – наоборот.
- Подключать амперметр в электрическую цепь, при отсутствии потребителя тока, нельзя.
- Подключается амперметр в цепи последовательно.
Мультиметром
Мультиметр является многофункциональным прибором, то есть он может измерять ток и постоянных, и переменных токов. Его подключение аналогично амперметру (при условии измерения силы тока).
Прежде чем включить мультиметр внутри цепи, важно проверить режим измерения, а также выбрать пределы измерения гораздо больше силы, которую Вы ожидаете увидеть (современные мультиметры имеют цифровое табло).
При нахождении значения переменного тока переключите прибор на нужный режим и записывайте значения только после того, как цифры на дисплее перестанут мигать.
Единицы измерения на практике
Единицы измерения, приведенные в формулах, порой могут оказаться неудобным на практике, и оттого считаются «теоретическими». Например, в паспортах различных электроприборах (лампочек, телевизоров) Вы не увидите электрическую мощность в Ваттах. Это связано с тем, что если преобразовать формулу, то мы получим, что один Ватт – это 1 Джоуль/1 секунду.
И такое выражение крайне неудобное, ведь электроприборы потребляют ток в течение долгого времени: несколько минут, часов, дней, а расчет электричества по электросчетчику проводится раз в месяц!
Такие расчеты не оправданы и, как следствие, на практике время стали выражать не в секундах, а в часах, из-за чего электрический ток больше не выражается в Ваттах, а в ватт-час (ВтхЧ) или киловатт-час (кВтхЧ).
Из-за введения разных терминов (единиц измерения) мощности, следует разобраться как отличать килоВатт от килоВатт в час. Понятие первое показывает непосредственную мощность электротехники. Другими словами, в виде числа показывает способность прибора преобразовывать энергию электричества. КилоВатт в час – это то, сколько килоВатт за единицу времени (один час) может потребить, например, лампочка.
Сама мощность прибора никак не зависит от времени, однако то, какую мощность он может потребить – напрямую зависит от времени.
Узнать мощность электротехники, без использования формул или специальных приборов, можно взглянув на паспорт (инструкцию) выбранного объекта или на наклейку на нем.
- Телевизор в среднем потребляет до 200 Вт.
- Компьютер – 550 Вт.
- Электрический чайник – 1200 Вт.
- Тостер – 1200 Вт.
- Электрообогреватель – 1400 Вт.
- Микроволновая печь (СВЧ) – 1800 Вт.
- Электроплита – 2500 Вт.
Связь мощности тока с действием тока в электрической цепи
Определить нагрузку на прибор в электрической цепи можно с помощью сравнения мощности тока и номинальной мощности электротехники.
В случае, если мощность самого тока меньше, то его недостаточно или он в целом не проявляется. Это значит, что, если подключить мощный прибор – работать он не начнет.
Обратная ситуация, если сила тока слишком велика, то слабые приборы просто сгорят.
С помощью приведенных выше формул можно находить неизвестные переменные, которые используются в вычислительных задачах, связанных с электричеством. Самые распространенные величины в таких задачах: сопротивление, мощность, напряжение.
Каждый электроприбор имеет свою электрическую мощность и рассчитан на определенную силу тока. При избытке – прибор может сломаться, а при недостатке – не будет работать.
Иногда удобней будет использовать вычислительные «помощники», такие, как амперметр и мультиметр. Они изобретены для того, чтобы измерить силу тока в цепи, однако важно помнить об особенностях их использования.
Фото определения силы тока
Об авторе: Эксперт в области электричества, общих вопросов
Задать вопрос
Определение
Сила тока — физическая величина, которая позволяет дать количественную характеристику току. Она обозначается буквой I и численно равна заряду, который за единицу времени протекает через поперечное сечение проводника.
Природа происхождения
Определение
Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц под воздействием электрического поля.
В качестве частиц выступают:
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
- в металлических проводниках — электроны;
- в полупроводниках — дырки или электроны;
- в вакууме — электроны (при определенных условиях);
- в газах — электроны и ионы;
- в растворах и расплавах электролитов — ионы.
Пока по проводнику не течет электрический ток частицы движутся хаотично. И их количество перетекших в одном направлении примерно соответствует и количеству частиц, перетекших в противоположном направлении.
Но ситуация меняется после того, как по проводнику пускают ток. В этом случае количество движущихся в одном направлении частиц значительно возрастает. И чем больше их проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, тем больше и сила тока.
Модель электрической цепи
Лучше понять физический смысл рассматриваемой величины можно на примере механической модели электрической цепи. В качестве ее возьмем водопроводную сеть частного дома.
Для того, чтобы вода начала поступать в водопровод из скважины или колодца необходим насос. Поэтому его можно рассматривать в качестве аналога батареи или иного источника тока. Он создает в системе давление, которое и приводит воду в движение. Соответственно трубы выступают роли проводников, молекулы воды — электронов, а краны — электрических переключателей.
Чем сильнее напор в водопроводной системе, тем большее количество воды, а вернее ее молекул, протекает через поперечное сечение трубы за каждую секунду. Отсюда можно сделать вывод, что чем больше сила тока, тем сильнее и его действие.
Примечание
Воздействие тока силой до 0,5 мА (частота 50 Гц) человек не ощущает. При силе от 2 до 10 мА возникают болезненные сокращения мышц. А удар током силой свыше 100 мА грозит развитием фибрилляции желудочков и остановкой сердечной деятельности.
Единица измерения
Так как сила тока — это количественная величина, то в физике есть и единица ее измерения. Она позволяет проводить сравнительный анализ различных токов и их действий.
В чем измеряется
Формула силы тока записывается так:
(I=frac{triangle q}{triangle t})
где (triangle t) — это единица времени, а (triangle q) — количества электрического заряда, протекшего за указанный промежуток времени через поперечное сечение проводника.
В Интернациональной системе (СИ) заряд измеряется в Кулонах, а время — в секундах. В соответствии с этим единица измерения силы тока — Кулон/секунду. По международному соглашению ее стали называть Ампером.
Примечание
В 1948 году было предложено определять силу тока по взаимодействию двух проводников, расположенных в вакууме на расстоянии одного метра друг от друга и длиной в один метр.
За силу тока в 1 A принимают такой ток, при котором два проводника притягиваются друг к другу (ток течет в одном направлении) или отталкиваются (ток течет в разных направлениях) с силой 0,0000002 H.
На практике очень часто применяются кратные единицы силы тока:
1 кА = 103 А, 1 мкА = 10-6 А, 1 мА = 10-3 А
В честь кого названа единица измерения
Единица измерения силы тока была названа в честь французского ученого Андрэ-Мари Ампер. Его называют «отцом» учения о электромагнетизме. Именно он ввел в науку такие термины как электрический ток, электростатика и электродинамика, гальванометр, напряжение, электродвижущая сила, соленоид. Амперу удалось найти доказательство теоремы «О циркуляции магнитного поля» и описать математически силу взаимодействия между токами.
Как найти силу тока
С проблемой определения силы тока сталкиваются и при решении задач, и в повседневной жизни. Вычислить этот параметр для проводника или электрической цепи можно не только путем проведения измерений, но и при помощи формул.
В проводнике
Основными величинами, характеризующими электрический ток, являются сила, напряжение и сопротивление. Взаимосвязь между ними была установлена экспериментальным путем в 1826 году Георгом Омом. В последствии она была сформулирована в виде закона, который и был назван в честь ученого.
Определение
Закон Ома: сила тока в участке цепи или проводнике обратно пропорциональна сопротивлению и прямо пропорциональна напряжению.
Рассчитать силу тока в проводнике также можно, если разделить мощность на напряжение.
При протекании тока происходит нагревание проводника. И по количеству выделившегося тепла на основании закона Джоуля-Ленца возможно провести вычисление силы тока.
В цепи
Реальный источник тока всегда обладает своим внутренним сопротивлением.
Определение
Закон Ома для полной цепи формулируется так: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна сумме внутреннего и внешнего сопротивления.
Формулы
Закон Ома для участка цепи:
(I=frac UR)
где R — сопротивление проводника, а U — напряжение.
Закон Ома для полной цепи:
(I=fracSigma{R+r})
где ε — электродвижущая сила источника тока, R + r — сумма сопротивлений источника и внешней нагрузки.
Формула, для определения силы тока по мощности и напряжению:
(I=frac PU)
где P — мощность, а U — напряжение.
Определение
Закон Джоуля-Ленца: при протекании по проводнику тока происходит выделение тепла (Q), которое равно произведению квадрата силы тока (I) на время (t), которое он протекал и на сопротивление проводника (R).
Математически формула выглядит так:
(Q=I^2Rt)
Исходя из нее можно вывести еще одну формулу для расчета силы тока:
(I=sqrt{frac Q{Rt}})
Как можно измерить силу тока
Для измерения силы тока используется прибор, называемый амперметром. На электрических схемах он обозначается буквой А, заключенной в окружность.
В любом проводнике замкнутой цепи, собранной последовательно, протекает электрический ток одинаковой величины. Поэтому для его измерения достаточно просто разомкнуть эту цепь в любом месте и подключить амперметр. Нельзя подключать его к источнику тока при отсутствии устройства потребления.
Ток бывает переменный и постоянный. И для его измерения необходимы разные устройства. На шкале амперметров для постоянного тока имеется одно из следующих обозначений — «-», «DC» или указание на полярность подключения. Амперметры, предназначенные для измерения силы переменного тока обозначаются «(sim)» или «АС».
Амперметр для постоянного тока необходимо включать в цепь с соблюдением полярности, то есть к клемме прибора, имеющей обозначение «+», присоединяют провод, идущий от положительного электрода.
Примечание
Если на источнике тока отсутствует указание полярности, то узнать ее можно по электрической схеме. Короткая линия всегда соответствует «минусу», а длинная — «плюсу».
Амперметр для переменного тока не имеет полярности и подключается без ее учета.
Описание прибора
Амперметр — это один из электроизмерительных приборов. Он обладает очень низким сопротивлением, чтобы не оказывать влияния на величину измеряемой силы тока. Ведь закон Ома гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Это означает, что чем больше сопротивление проводников, тем меньше сила тока.
Шкала прибора может быть градуирована не только в А, но и в других кратных единицах — мкА, мА, кА.
Амперметры бывают:
- аналоговые (стрелочные);
- цифровые (электронные).
Измерители стрелочного типа не нуждаются в источнике питания, так как потребляют электрический ток непосредственно из измеряемой цепи. Но они показывают величину силы тока с некоторой задержкой, а не мгновенно.
Электронные амперметры практически полностью лишены такого недостатка как инерционность. Современные процессоры, используемые в этих моделях, обеспечивают частоту обновления показателей до 1000 в минуту. Их недостатком является высокая цена и необходимость отдельного источника питания для функционирования.
Примеры нахождения силы тока в задачах
Задача №1
Определите силу тока проводнике, имеющем сопротивление 55 Ом при напряжении в сети 220В.
Решение
(I=frac UR)
Вычисление
(I=frac{220}{50}=4.4;A)
Ответ: сила тока в проводнике 4,4 А.
Задача №2
Сила тока в резисторе при напряжении 100В (U1) составляет 4 А (I1). Если напряжение увеличить на 20В (Δ U), как изменится сила тока (I2), протекающего через этот резистор?
Решение
По условию задачи сопротивление резистора не изменяется. Тогда:
(frac{U1}{I1}=frac{U2}{I2};Rightarrow;I2=frac{I1times U2}{U1})
(U2=U1+triangle U)
(I2=frac{I1timesleft(U1+triangle Uright)}{U1})
Вычисление
(I2=frac{4timesleft(100+20right)}{100}=4.8;A)
Ответ: сила тока станет 4,8 А.
Задача №3
Определите силу тока в цепи с внешним сопротивлением 10 Ом и источником постоянного тока, ЭДС которого составляет 15В, а внутреннее сопротивление – 1 Ом.
Решение
(I=fracvarepsilon{R+r})
Вычисление
(I=frac{15}{10+1}=1.37A)
Ответ: 1,37 А.
Задача №4
При какой силе тока (I) проволока с сопротивлением (R) 20 Ом за 300 секунд (t) выделит 6 кДж теплоты (Q)?
Решение
(I=sqrt{frac Q{Rt}})
Вычисление
(I=sqrt{frac{6000}{20ast300}}=1A)
Ответ: 1 А.
