Электрический ток. все о силе тока в физике

Влияние силы тока на разные материалы

Одна и та же сила тока оказывает разное влияние при прохождении через различные материалы. Металлы, например, отличаются хорошей проводимостью. Примеси повышают сопротивление, поэтому для улучшения экономических показателей линии электропередач создают из хорошо очищенной меди. Полимерные соединения – диэлектрики, их часто используют для создания изоляции.

Вода проводит электрический ток, благодаря находящимся в ней ионам. Это свойство используют для фильтрации, создания тонких покрытий и автономных источников питания. Достаточно опустить в жидкость пластины с разноименными зарядами, чтобы обеспечить перемещение частиц в противоположных направлениях.

Слабым электрическим током стимулируют мозговую деятельность, оказывают стимулирующее воздействие на кожные покровы. Специализированные аппараты применяют в медицинских учреждениях и салонах красоты. Сильный ток опасен для человека, поэтому при работе с электричеством следует применять соответствующие средства защиты.

Что такое единица измерения силы тока

Cила тока: формула

Ниже отмечены основные параметры типичной электрической цепи (в скобках приведены стандартные обозначения для формул и сокращенные наименования):

• единицы измерения силы тока (I) – Амперы (А);
• напряжения (U) – Вольты (В);
• сопротивления (R) – Омы (Ом).

Для полноты изучения необходимо вспомнить о количественном показателе, мощности (W). Ее измеряют в Ваттах (Вт).

Если продолжить аналог с водой, можно сделать несколько важных промежуточных выводов. Чтобы пропустить больше жидкости (электронов) увеличивают диаметр трубы (проводника). Это решение сопровождается увеличением тока. Напряжение измеряют разницей потенциалов между двумя точками цепи. Для его увеличения изменяют нужным образом соотношение зарядов.

Сопротивление препятствует прохождению электронов. Этот процесс сопровождается преобразованием электрической энергии в тепловую. В некоторых устройствах данная особенность выполняет полезные функции.

Нагревательный элемент в бойлере отличается высоким сопротивлением (R)

Потребляемую мощность можно сравнить с количеством воды, которая поступает через определенное сечение транспортной системы за единицу времени.

Направление и величина электрического тока. Количество электричества

Мы неоднократно подчеркивали, что электроны в электрическом поле перемещаются от точек с более низким потенциалом к точкам с более высоким потенциалом. Следовательно, и в электрической цепи, показанной на рис. 1, электроны движутся от отрицательного полюса источника электрической энергии к положительному: поэтому следовало бы считать, что электрический ток идет от минуса (—) к плюсу ( + ).

Рисунок 1. Простейшая электрическая цепь

Однако до объяснения электрических явлений с точки зрения электронной теории, т. е. когда природа электрического тока не была достаточно изучена, полагали, что ток идет от положительного полюса источника к отрицательному.

Чтобы не менять этого установившегося и прочно вошедшего в практику положения, решили сохранить такую условность и считать, что ток идет от плюса к минусу, как показано на рис. 2. В действительности же в металлических проводниках ток проходит в обратном направлении.

Рисунок 2. Направление движения электронов в проводнике и направление тока

С ростом напряженности внешнего электрического поля увеличивается сила, действующая на электроны в проводнике. Электроны начинают перемещаться по проводнйку быстрее, а значит, увеличивается количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Для характеристики интенсивности движения электрических зарядов в проводниках вводится понятие о силе тока или токе.

Определение: Силой тока называется количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени.

Сила тока (ток) обозначается буквой I или i.

Если за время t через поперечное сечение проводника прошло количество электричества q, то ток в проводнике можно определить по формуле:

За единицу тока принимается ампер (сокращенно обозначается буквой А). В ГОСТ приведено следующее определение этой основной электрической единицы: «ампер — сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямоугольным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2*10-7 единицы силы на каждый метр длины».

Следует подчеркнуть, что ампер — единственная основная электрическая единица. Все остальные единицы, используемые при электрических и магнитных измерениях, определяются через четыре основные единицы Международной системы единиц (метр — килограмм — секунда — ампер).

Единица измерения тока названа по имени французского физика и математика Андре Мари Ампера (1775—1836), открывшего закон взаимодействия электрических токов и предложившего новую гипотезу для объяснения магнитных свойств вещества.

В радиотехнике часто приходится иметь дело с токами, величина которых в тысячи и даже миллионы раз меньше одного ампера. Такие токи измеряются в миллиамперах (сокращенно обозначается мА или mА) или в микроамперах (сокращенно обозначается мкА или μА). Миллиампер одна тысячная доля ампера, т. е.

1 мА = 0,001 А, или 1 А = 1000 мА.

Микроампер — это одна миллионная доля ампера или одна тысячная доля миллиампера, т. е.

1 мкА = 0,001 мА = 0,000001 А.

Полезно запомнить также следующие соотношения:

1 мА= 1000 мкА = 0,001 А; 1 А = 1000 мА = 1 000 000 мкА.

При рассмотрении вопросов взаимодействия зарядов мы сказали, что количество электричества измеряется в кулонах. При этом количество электричества в 1 кулоне соответствует приблизительно общему заряду 6 • 1018 электронов. Сейчас можно дать более строгое определение кулона:

Определение: кулон — это количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в течение 1 секунды при неизменяющемся токе в 1 ампер.

Эта единица количества электричества часто называется ампер-секундой (сокращенное обозначение А-с). На практике количество электричества измеряется в ампер-часах (А-ч).

Если известен ток I в проводнике, то количество электричества q, прошедшее через поперечное сечение проводника за время t, можно определить по формуле:

где q — в кулонах; I— в амперах; t — в секундах.

Для измерения тока в цепи применяются приборы, называемые амперметрами. Амперметр включается в цепь так, чтобы через него проходил весь измеряемый им ток (рис. 3).

Рисунок 3. Схема включения амперметра в электрическую цепь. Б — источник напряжения; PA — амерметр; EL — нагрузка (лампа).

Похожие материалы:

• Протекание тока
• Электрический ток в металлических проводниках
• Электродвижущая сила (ЭДС) источника энергии
• Электрическое сопротивление проводника. Электрическая проводимость
• Электрический ток в электролитах
• Ток смещения в диэлектрике
• Электрический ток в полупроводниках
• Электрический ток в газах

Основные принципы замера силы тока

Главной особенностью работы с мультитестером в режиме амперметра является то, что он обязательно должен быть включен в разрыв цепи. Такое подключение называется последовательным. По сути, прибор становится частью этой цепи, то есть весь ток должен пройти именно через него. А как известно, сила тока на любом участке неразветвленной электрической цепи постоянна. Проще говоря, сколько «вошло» столько должной и «выйти». То есть место последовательного подключения амперметра особого значения не имеет.

Чтобы стало понятнее, ниже размещена схема, в которой показывается разница в подключении мультиметра в разных режимах работы.

Различия в принципах подключения мультитестера в разных режимах измерений

• Итак, при замере силы тока мультиметр включается в разрыв цепи, сам становясь одним из ее звеньев. То есть будет проблема, как этот разрыв цепи организовать практически. Решают по-разному – это будет показано ниже.
• При замере напряжения (в режиме вольтметра) цепь, наоборот, не разрывается, а прибор подключается параллельно нагрузке (участку цепи, где требуется узнать напряжение). При замере напряжения источника питания щупы подключаются напрямую к клеммам (контактам розетки), то есть мультиметр сам становится нагрузкой.
• Наконец, если меряется сопротивление, то внешний  источник питания вообще не фигурирует. Контакты прибора подключаются непосредственно к той или иной нагрузке (прозваниваемому участку цепи). Необходимый ток для проведения измерений поступает из автономного источника питания мультитестера.

Вернемся к теме статьи — к замерам силы тока.

Очень важно изначально правильно установить на мультиметре, помимо постоянного или переменного тока, диапазон измерений. Надо сказать, что у начинающих с этим часто возникают проблемы

Сила тока – величина крайне обманчивая. И «спалить» свой прибор, а то и наделать больших бед, неправильно установив верхний предел измерений – проще простого.

Начинать измерения силы тока, особенно если нет представления о возможной его величине в цепи, следует с максимального диапазона мультитестера. При необходимости можно, переставив провод и последовательно снижая верхний предел, выйти на оптимальный.

Поэтому настоятельная рекомендация – если вы не знаете, какая сила тока ожидается в цепи, начинайте измерения всегда с максимальных величин. То есть, например, на том же DT 830 красный щуп должен быть установлен в гнездо на 10 ампер (показано на иллюстрации красной стрелкой). И рукоятка переключатель режимов работы также должно показывать на 10 ампер (голубая стрелка). Если измерения покажут, что предел завышен (показания получаются менее 0,2 А), то можно, чтобы получить более точные значения, переставить сначала красный провод в среднее гнездо, а затем ручку переключателя – в положение 200 мА. Бывает, что и этого многовато, и приходится переключателем снижать еще на разряд и т.д. Не вполне удобно, не спорим, но зато безопасно и для пользователя, и для прибора.

Кстати, о безопасности

Никогда не следует пренебрегать мерами предосторожности. И особенно если речь идет об опасных напряжениях (а сетевое напряжение 220 В – чрезвычайно опасно) и высоких токах

Мы здесь спокойно ведём разговор об амперах, а между тем, безопасным для человека считается ток не выше 0.001 ампера. А ток всего в 0.01 ампера, прошедший через тело человека, чаще всего приводит к необратимыми последствиям.

Проведение замеров силы тока, особенно если работа ведется в самом высоком диапазоне, рекомендуется проводить максимально быстро. В противном случае мультитестер может просто перегореть.

Об этом, кстати, могут информировать и предупреждающие надписи около гнезда подключения измерительного провода.

Пример предупреждающей надписи у гнезда подключения провода для замеров на максимально допустимом диапазоне токов

Обратите внимание. Слово «unfused» в данном случае обозначает, что прибор в этом режиме не защищен плавким предохранителем

То есть при перегреве он просто выйдет полностью из строя. Указано и допустимое время замера – не более 10 секунд, да и то не чаще одного раза в 15 минут («each 15 m»). То есть после каждого такого замера придется еще и выдерживать немалую паузу.

Справедливости ради – далеко не все мультиметры настолько «привередливые». Но если такое предупреждение есть – пренебрегать им не стоит. И в любом случае замер силы тока проводить максимально быстро.

Что такое единица измерения силы тока

Емкость конденсатора: единица измерения

Ниже отмечены основные параметры типичной электрической цепи (в скобках приведены стандартные обозначения для формул и сокращенные наименования):

• единицы измерения силы тока (I) – Амперы (А);
• напряжения (U) – Вольты (В);
• сопротивления (R) – Омы (Ом).

Для полноты изучения необходимо вспомнить о количественном показателе, мощности (W). Ее измеряют в Ваттах (Вт).

Если продолжить аналог с водой, можно сделать несколько важных промежуточных выводов. Чтобы пропустить больше жидкости (электронов) увеличивают диаметр трубы (проводника). Это решение сопровождается увеличением тока. Напряжение измеряют разницей потенциалов между двумя точками цепи. Для его увеличения изменяют нужным образом соотношение зарядов.

Сопротивление препятствует прохождению электронов. Этот процесс сопровождается преобразованием электрической энергии в тепловую. В некоторых устройствах данная особенность выполняет полезные функции.

Нагревательный элемент в бойлере отличается высоким сопротивлением (R)

Потребляемую мощность можно сравнить с количеством воды, которая поступает через определенное сечение транспортной системы за единицу времени.

Как измеряется сила тока

Величину силы тока измеряют прибором, который называется амперметр, а также для небольших значений — миллиамперметр и микроамперметр, который можно увидеть на фото внизу:

Амперметр

Основы

Среди людей бытует мнение, что когда измеряется сила тока в проводнике до нагрузки (потребителя), то значение будет выше, чем после нее. Это ошибочное мнение, основанное на том, что якобы какое-то значение силы будет расходоваться на то, чтобы привести потребитель в действие. Электроток в проводнике — это процесс электромагнитный, в котором участвуют заряженные электроны, они направленно двигаются, но энергию передают не электроны, а электромагнитное поле, которое окружает проводник.

Количество электронов, вышедших из начала цепи, будет равно количеству электронов и после потребителя в конце цепи, они не могут быть израсходованы.

Измерение силы тока

Какие проводники бывают? Специалисты дают определение понятию «проводник» — это материал, в котором частицы, имеющие заряд, могут перемещаться свободно. Такие свойства на практике имеют почти все металлы, кислота и солевой раствор. А материал или вещество, в котором движение заряженных частиц затруднено или вообще невозможно, называются изоляторами (диэлектриками). Часто встречающиеся материалы-диэлектрики — это кварц или эбонит, искусственный изолятор.

Что означает термин ‘сила тока’

Без понимания, что такое сила тока, изучение связанного с электричеством раздела физики 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 системы СИ, 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 сила взаимодействия 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 электрическим зарядом. 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 постоянного токов; для многофазных систем и пр. Однако всех их объединяет единое правило – знаменитый закон Ома. Поэтому приведем его общий (универсальный) вид:

I = U / R,

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).

fb.ru

Сравнительная таблица

Сравнительный график переменного тока и постоянного тока

Постоянный ток

Международный символ этого напряжения DC — Direct Current (постоянный ток), а условное обозначение на электросхемах «—» или «=». Величина и полярность этого вида напряжения являются неизменными, а сила тока изменяется только при изменениях нагрузки. Этот вид электрического тока производится аккумуляторами, батарейками и элементами солнечных электростанций.

От сети постоянного тока работают двигатели трамваев, троллейбусов и другого электротранспорта. Эти электродвигатели имеют лучшие тяговые характеристики, чем двигатели переменного тока.

Информация! От постоянного напряжения работает бОльшая часть электронных схем, но они получают питание от сети переменного тока через встроенный или внешний блок питания с выпрямителем.

Переменный ток

Международное обозначение этого напряжения AC — Alternating Current (переменный ток), а условное обозначение на электросхемах «~» или «≈».

Величина и полярность переменного тока в сети всё время меняется. Частота этих изменений составляет 50Гц в Европе и некоторых других странах и 60Гц в США. Большинство бытовых и промышленных электроприборов изготавливаются для питания переменным напряжением.

Практически вся электроэнергия, используемая в быту и промышленности, является переменной. Для передачи на большие расстояния его повышают при помощи трансформаторов, а в конечной точке линии понижают до необходимой величины. Это позволяет уменьшить стоимость ЛЭП и потери. Для того, чтобы исключить колебания напряжения, для особоважных приборов устанавливаются стабилизаторы.

При увеличении напряжения и неизменной передаваемой мощности сила тока и сечение проводов пропорционально уменьшается. Если напряжение не повышать, то для подачи электроэнергии к потребителю необходимо использовать кабеля большого сечения, а передача на большие расстояния окажется невозможной. Вот почему в розетке переменный ток.

В домашней розетке два контакта — фазный и нулевой. В некоторых случаях к ним добавляется заземляющий. Это однофазное напряжение является частью трёхфазной системы. Она включает в себя три одинаковых сети. Напряжение в этих сетях сдвинуто по фазе на 120° друг относительно друга.

Вначале эта система была шестипроводной. В таком виде её изобрёл Никола Тесла. Позже М. О. Доливо-Добровольский усовершенствовал эту схему и предложил передавать трёхфазное напряжение по трём или чётырём проводам (L1, L2, L3, N). Он также показал преимущества трёхфазной системы электроснабжения перед схемами с другим числом фаз.

Что такое электрический ток?

Электрические явления наблюдались давно, но объяснить их природу человек смог относительно недавно. Удар молнии казался чем-то неестественным, необъяснимым. Странным казалось потрескивание некоторых предметов при их трении. Искрящаяся в темноте расчёска, после расчёсывания шерсти животных (например, кошки) вызвала недоумение, но подогревала интерес к этому явлению.

Как всё начиналось

Ещё древним грекам было известно свойство янтаря, потёртого о шерсть, притягивать некоторые мелкие предметы. Кстати, от греческого названия янтаря –«электрон» пошло название «электричество».

Когда физики вплотную занялись исследованием электризации тел, они начали понимать природу подобных явлений. А первый кратковременный электрический ток, созданный человеком, появился при соединении проводником двух наэлектризованных предметов (см. рис. 1). В 1729 году англичане Грей и Уиллер открыли проводимость зарядов некоторыми материалами. Но определения электрического тока они не смогли дать, хотя и понимали, что заряды перемещаются от одного тела к другому по проводнику.

Рис. 1. Опыт с заряженными телами

Об электрическом токе, как о физическом явлении заговорили лишь после того, как итальянец Вольта дал объяснение опытам Гальвани, а в 1794 году изобрёл первый в мире источник электричества – гальванический элемент (столб Вольта). Он обосновал упорядоченное перемещение заряженных частиц по замкнутой цепи.

Определение

В современной трактовке электрическим током называют направленное перемещение силами электрического поля заряженных частиц, Носителями зарядов металлических проводников являются электроны, а растворов кислот и солей — отрицательные и положительные ионы. Полупроводниковыми носителями зарядов являются электроны и «дырки».

Для того чтобы электрический ток существовал, необходимо всё время поддерживать электрическое поле. Должна существовать разница потенциалов, поддерживающая наличие первых двух условий. До тех пор, пока эти условия соблюдены, заряды будут упорядоченно перемещаться по участкам замкнутой электрической цепи. Эту задачу выполняют источники электричества.

Такие условия можно создать, например, с помощью электрофорной машины (рис. 2). Если два диска вращать в противоположных направлениях, то они будут заряжаться разноимёнными зарядами. На щётках, прилегающих к дискам, появится разница потенциалов. Соединив контакты проводником, мы заставим заряженные частицы двигаться упорядоченно. То есть электрофорная машина является источником электричества.

Рисунок 2. Электрофорная машина

Источники тока

Первыми источниками электрической энергии, нашедшими практическое применение, были упомянутые выше гальванические элементы. Усовершенствованные гальванические элементы (народное название – батарейки) широко применяются по сей день. Они используются для питания пультов управления, электронных часов, детских игрушек и многих других гаджетов.

С изобретением генераторов переменных токов электричество приобрело второе дыхание. Началась эра электрификации городов, а позже и всех населённых пунктов. Электрическая энергия стала доступной для всех граждан развитых стран.

Сегодня человечество ищет возобновляемые источники электроэнергии. Солнечные панели, ветряные электростанции уже занимают свои ниши в энергосистемах многих стран, включая Россию.

Измерение напряжения

Для замера напряжение используется прибор вольтметр, хотя сейчас наиболее популярны мультиметры. Мультиметр это такой комбинированный прибор имеющий в себе много чего. О нем я писал в статье и рассказывал как им пользоваться.

Вольтметр это как раз тот прибор который измеряет разность потенциалов между двумя точками. Напряжение (разность потенциалов) в любой точке схемы обычно измеряется относительно НОЛЯ или ЗЕМЛИ или МАССЫ или МИНУСА батарейки

Не важно главное это должна быть точка имеющая наименьший потенциал во всей схеме

Итак чтобы измерить напряжение постоянного тока между двумя точками, делаем следующее. Черный (минусовой ) щуп вольтметра втыкается в ту точку, где предположительно мы можем наблюдать точку с меньшим потенциалом (НОЛЬ). Красный щуп (плюсовой) втыкаем в точку, потенциал которой нам интересен.

И результатом измерения будет числовое значение разности потенциалов, или другими словами напряжение.

Похожие записи:

Активное, емкостное и индуктивное сопротивление. закон ома для цепей переменного тока Ретро проводка в современном доме Где используется фидерный кабель Маркировка smd компонентов: кодовые обозначения Как сделать веб-приложение для вашего собственного bluetooth low energy девайса? Как подключить усилитель в машине