Как рассчитывается сила тока в электрической цепи: формулы и порядок расчета при разных известных показателях

«Сила тока. Напряжение»

Сила тока

Характеристикой тока в цепи служит величина, называемая силой тока (I).  Сила тока – физическая величина, характеризующая скорость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда q, прошедшeгo через пoперeчное сечение проводника за промежуток времени t, к этому промежутку времени: I = q/t. Единица измерения силы тока – 1 ампер (1 А).

Определение единицы силы тока основано на магнитном действии тока, в частности на взаимодействии параллельных проводников, по которым идёт электрический ток. Такие проводники притягиваются, если ток по ним идёт в одном направлении, и отталкиваются, если направление тока в них противоположное.

За единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной 1 м, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 2*10-7Н. Эта единица и называется ампером (1 А).

Зная формулу силы тока, можно получить единицу электрического заряда: 1 Кл = 1А * 1с.

Амперметр

Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называется амперметром. Его работа основана на магнитном действии тока. Основные части амперметра магнит и катушка. При прохождении по катушке электрического тока она в результате взаимодействия с магнитом, поворачивается и поворачивает соединённую с ней стрелку. Чем больше сила тока, проходящего через катушку, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки. Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить, и потому он имеет малое внутреннее сопротивление, которое практически не влияет на сопротивление цепи и на силу тока в цепи.

У клемм амперметра стоят знаки «+» и «—», при включении амперметра в цепь клемма со знаком «+» присоединяется к положительному пoлюсу источника тока, а клемма со знаком «—» к отрицательному пoлюсу истoчникa тока.

Напряжение

Источник тока создаёт электрическое поле, которое приводит в движение электрические заряды. Характеристикой источника тока служит величина, называемая напряжением. Чем оно больше, тем сильнее созданное им поле. Напряжение характеризует работу, которую совершает электрическое поле по перемещению электрического заряда.

Напряжение (U) — это физическая величина, равную отношению работы (А) электрического поля по перемещению электрического заряда к заряду (q): U = A/q.

Возможно другое определение понятия напряжения. Если числитель и знаменатель в формуле напряжения умножить на время движения заряда (t), то получим: U = At/qt. В числителе этой дроби стоит мощность тока (Р), а в знаменателе — сила тока (I). Получается формула: U = Р/I, т.е. напряжение — это физическая величина, равная отношению мощности электрического тока к силе тока в цепи.

Единица напряжения: = 1 Дж/1 Кл = 1 В (один вольт).

Вольтметр

Напряжение измеряют вольтметром. Он имеет такое же устройство, что и амперметр и такой же принцип действия, но он подключается параллельно тому участку цепи, напряжение на котором хотят. Внутреннее сопротивление вольтметра достаточно большое, соответственно проходящий через него ток мал по сравнению с током в цепи.

У клемм вольтметра стоят знаки «+» и «—», при включении вольтметра в цепь клeмма со знаком «+» присоединяется к положительному полюсу источника тока, а клеммa со знаком «—» к отрицательному полюсу источника тока.

Формулы и определения.

1. Все проводники, используемые в электрических цепях, имеют условные обозначения для изображения на схемах и могут образовывать последовательные, параллельные и смешанные соединения.

2. Мощность тока – физическая величинa, хаpактеpизующая скорость превращения электрической энергии в другие её виды. Единица для измерения – 1 ватт (1 Вт). Измерительный прибор – ваттметр.

3. Сила тока – физическaя вeличина, характеpизующaя скоpость прохождения заряда через проводник и равная отношению заряда, пpoшедшего через попеpeчное сечение проводника, ко времени перемещения. Единица – 1 ампер (1 А). Измерительный прибор – амперметр (подключают последовательно).

4. Электрическое напряжение – физическaя вeличина, характеризующая электрическое поле, создающее ток, и равная отношению мощности тока к его силе. Единица – 1 вольт (1 В). Измерительный прибор – вольтметр (подключают параллельно)

5. Работа тока – физичeская величинa, хаpактеpизующая количество электроэнергии, превратившейся в другие виды энергии. Единица – 1 джоуль (1 Дж). Измерительный прибор – электрический счётчик, использующий единицу 1 киловатт-час (1 кВт·ч).

Конспект урока «Сила тока. Напряжение».

Следующая тема: «Электрическое сопротивление».

Направление тока

Раньше в учебниках физики писали так: однажды решили, что ток направлен от плюса к минусу, а потом узнали, что электроны текут по проводам. Но эти электроны отрицательны, а это значит, что они не могут обойтись без них. Но поскольку мы уже согласовали направление, оставим как есть. Тогда у всех возник вопрос: почему нельзя изменить направление тока? Но ответа никто не получил.

Теперь пишут немного иначе: положительные частицы текут по проводнику от плюса к минусу, а ток направляется туда. Здесь ни у кого нет вопросов.

Итак, какая версия правильная? Фактически, они оба. Носители заряда разные для каждого типа материала. В металлах это электроны, в электролитах – ионы. Каждый тип частиц имеет свои знаки и необходимость бежать к противоположному полюсу заряда источника тока. Мы не будем выбирать направление тока для каждого типа материала, чтобы решить проблему! Поэтому принято направлять ток с плюса на минус. В большинстве заданий школьного курса направление течения роли не играет, но есть то очень коварное меньшинство, в котором этот момент будет очень важен. Поэтому помните: ток мы направляем с плюса на минус.

Формулы для расчета тока в трехфазной сети

Подсчитать токовую энергию в трехфазной сети сложно, поскольку вместе одной фазы есть три. К тому же, сложность заключается в использовании нескольких схем соединения. Трудность состоит в симметрии или ее отсутствии во время распределения нагрузки по фазам.

Для определения силы тока в трехфазной сети, нужно общее число ватт поделить на показатель 1,73, перемноженный на напряжение и косинус мощностного коэффициента, который отражает активную и реактивную составляющую сопротивления нагрузки. Что касается однофазной сети, то из выражения для подсчета убирается показатель 1,73. Остается формула I = P/(U*cos φ).

Что такое сила тока

Подобно автомобилям разных конструкций и оснащения, заряженные частицы перемещаются в прямом или обратном направлении, быстрее или медленнее. Их скорость и кон, только не на шоссе, а в проводнике.

Для количественной характеристики электрического тока в цепи вводится понятие силы тока. Силу тока обочначают буквой І.

Сила тока – физическая величина, равная отношению количества заряда к величине этого промежутка времени.

Это физическая величина, равная количеству заряда, проходящего за единицу времени через поперечное сечение проводящего материала-проводника. Его носители могут быть как отрицательно, так и положительно заряженные.

Электрический ток

Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.

Принято считать направление тока от плюса к минусу, при этом электроны движутся от минуса к плюсу!

Единица измерения силы тока – Ампер (А

). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквойI . Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·1018 электронов) за 1 секунду.

Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.

Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает сопротивление.

Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.

Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение. Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение. Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io

) – этоамплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц.

Электрический ток

Электрическим током называется упорядоченное направленное движение электрически заряженных частиц.

Мы с вами знаем, что заряда без частицы не может быть. Поэтому, направленное упорядоченное движение и будет у нас представлять не что иное, как электрический ток.

Стоит отметить, что электрический ток — это не просто движение направленное и упорядоченное, надо себе достаточно точно представлять, что же это такое. И в таком случае можно сказать следующее, что движение зарядов, конечно же может быть хаотично, беспорядочно, но на это хаотично и беспорядочное движение, накладывается еще одно движение, которое определяет смещение всех частиц по определенному направлению.

Вот такое движение и надо себе представлять, как электрический ток. То есть заряженные частицы движутся беспорядочно, но в этом движении есть смещение частиц в конкретном направлении. И как раз такое движение и будет не чем иным, как электрическим током.

Разумеется, нужно отметить тот факт, что частицы могут быть заряжены по-разному. Это могут быть и отрицательно заряженные частицы. Чаще, конечно, это электроны, а могут быть и положительно заряженные частицы — ионы. Но, конечно же, бывают и отрицательно заряженные ионы, которые тоже способны определять электрический ток.

Кроме этого следует сказать еще о том, что когда мы с вами какое-либо тело зарядим, то есть сообщим заряд этому телу, и это тело будет двигаться у нас в пространстве, то и такое движение можно назвать электрическим током.

Другими словами, если например, движется заряженный шарик, то этот шарик, конечно же, обладает зарядом, и соответственно он будет определять электрический ток.

Давайте рассмотрим простейший случай электрического тока. Этот электрический ток мы называем постоянным, то есть, когда электрические заряды не меняют свое направление движения и передвигаются с постоянной скоростью и при этом ток своего значения не изменяет, то, следовательно, этот ток является постоянным.

Общие сведения

Новички очень часто путают электрический ток и его силу. Первым является движение заряженных частиц или носителей заряда, на которые действует электромагнитное поле в некотором направлении. Сразу следует отметить, что ток является векторной величиной, поскольку имеет направление. Заряженные частицы могут быть различные, а не только электроны.

В генерации электромагнитного поля принимают «участие» протоны и нейтроны. В полупроводниках носителями зарядов являются дырки. В электролитах (растворов, проводящих электроток) и газах — ионы.

Определение силы тока: количество электричества Q, протекающее через поперечное сечение S проводника любого типа (проводник или полупроводник) за определенную единицу времени t (берется величина, равная 1 секунде). Q — величина, характеризующая количество одиночных носителей заряда, протекающих через проводник за некоторое время.

Единица измерения

Обозначение силы тока зависит от его типа. Он бывает постоянным и переменным, которые отличаются направлением и частотой. В первом случае записывается прописной буквой I. Он имеет только одно направление. Во втором — i. Кроме того, он постоянно меняет направление с частотой, которая определяется по некоторому закону. Например, в жилых помещениях она составляет 50 Гц.

Единица силы тока равна одному амперу (А). Физический смысл 1 А следующий: неизменяющийся ток, проходящий по двум проводникам, длина которых стремится к бесконечности и площади поперечного сечения, стремящейся к 0, расположенных в безвоздушном пространстве (вакууме) на расстоянии 1 м и вызывающий силу взаимодействия между ними, равную 20 мкН. Приставка «мк» означает, что число 20 следует умножить на 10^(-6).

Начинающему радиотехнику следует ознакомиться с кратными величинами, поскольку не всегда используется А. В электронике, радиотехнике и промышленности применяются его производные величины (в технических справочниках есть специальные таблицы):

1. Тераампер (ТА): 1 ТА = 10 12 А.
2. Гигаампер (ГА): 1 ГА = 10 9 А.
3. Мегаампер (МА): 1 МА = 10 6 А.
4. Килоампер кА (1 кА = 10 3 А) используется в различной промышленности. Например, распределительные станции для шахтного оборудования.
5. Миллиампер мА: 1 мА = 10^(-3) А = 0,001 А.
6. Микроампер мкА: 1 мкА = 10^(-6) А.

Первые три применяются в атомной и силовой энергетике. Электростанции являются очень мощными источниками электричества, и генерируют огромные значения тока. Вторую приставку используют для расчетов в некоторых отраслях металлообрабатывающей и угледобывающей промышленностях. Например, для расчета распределительных станций, которые питают мощное шахтное оборудование.

Подключение амперметра

Значение тока можно получить двумя методами. Первый из них является практическим. Измерение значения выполняется при помощи прибора, который называется амперметром. Он подключается в цепь последовательно с нагрузкой (рис. 1).

Рисунок 1. Схема подключения амперметра в простейшем блоке питания

На рис. 1 амперметр подключается последовательно к нагрузке «Н». Если включить блок питания в сеть без нее, то показание стрелки прибора будет незначительным, поскольку диодный мост потребляет малое количество электроэнергии, и является вторичным источником питания. Конденсаторы сглаживают пульсации тока, т. е. делают из него постоянный ток без колебаний и паразитарных частот.

Алгоритм перевода

Во время вычислений следует переводить значения некоторых величин в систему, которая является удобной. Однако сделать это без ошибок иногда не получается, поскольку новички не придерживаются некоторых правил. Специалисты предлагают специальный алгоритм, позволяющий правильно осуществлять эту операцию:

1. Записать исходную величину.
2. Умножить на значение приставки, представленное в экспоненциальной форме (например, 1 мкА = 1 * 10^(-6)).
3. Записать результат.

Далее следует разобрать алгоритм перевода на практическом примере. Пусть нужно перевести 1200 мкА в амперы. Если воспользоваться вышеописанным алгоритмом, то получится такой результат:

1. 1200 мкА (1 мк = 10^(-6)).
2. Умножение: 1200 * 10^(-6) = 12 * 10^2 * 10^(-6) = 12 * 10^(2 — 6) = 12 * 10^(-4).
3. Результат: 12 * 10^(-4).

Следует отметить, что представление приставки в экспоненциальной форме является удобной записью, поскольку экономит время (проще набрать на калькуляторе 12, а не 0,0012). Кроме того, перевод может сыграть важную роль при расчетах. Необходимо всегда соблюдать размерность величин.

Источники тока

Источником электротока называется такой электротехнический прибор, который конвертирует определенный вид энергии в электрическую. Такие устройства делятся на физические и химические.

Принцип действия химических источников основан на преобразовании химической энергии в электрическую. Это преобразование происходит самостоятельно и не требует участия извне. В зависимости от возобновляемости элементов и типа реакций, они делятся на:

Первичные (батарейки) Первичные источники нельзя использовать второй раз, если они разрядились, так как химические реакции, протекающие в них, необратимы. Они делятся на топливные и полутопливные элементы. Топливные аналогичны батарейкам, но химические вещества в них заправляются отдельно, как продукты химической реакции они выходят наружу. Это помогает им работать долгое время. Полутопливные включают в себя один из химических элементов, а второй постепенно поступает на протяжении всего использования. Их срок службы определяется запасом невозобновляемого вещества. Если для такого элемента возможна регенерация через зарядку, то он возобновляет свои возможности как аккумулятор.

Батарейки – как первичные химические источники тока

Вторичные (аккумуляторы) перед использованием проходят цикл зарядки. Заряд, который они получают в процессе, можно транспортировать вместе с устройствами. После расходования заряда возможна его регенерация за счет зарядки и обратимости химической реакции. Также к вторичным относятся возобновляемые элементы, которые механическим или химическим путем заряжаются и восстанавливают способность питать приборы. Они разработаны таким образом, что после определенного срока требуют замены определенных частей для продолжения реакции.

Виды источников питания электрическим токомВажно! Следует понимать, что разделение на батарейки и аккумуляторы условно. Свойства аккумулятора могут проявляться, например, у щелочных батарей, которые можно реанимировать при определенной степени заряда

Вам это будет интересно Формулировка и определение закона Ома

Также по типу реагентов химические источники делятся на:

• Кислотные.
• Солевые.
• Щелочные.

Физические же источники электротока основаны на преобразовании механической, а также ядерной, тепловой или световой энергии в электрическую.

Промышленный генератор трехфазного тока

Электричество

Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом

Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон

Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.

Данное явление называется статическим электричеством. Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.

Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.

Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.

Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10 -19

Кл (Кулон). Обозначаетсяе илие – .

Практические измерения

Подсчёт количества электронов в проводнике с секундомером в руке практически неосуществим, поэтому ток измеряют специальными приборами (амперметрами) или косвенными расчётами. Амперметры устроены таким образом, что они реагируют на магнитное поле, создаваемое измеряемым током. Существуют различные типы подобных измерительных приборов, но все они основаны на одном принципе. Общие правила измерений силы тока можно свести к следующему перечню:

Амперметр всегда включается последовательно к нагрузке, при измерениях ток должен протекать через прибор. Подключение прибора параллельно может привести к протеканию в нём слишком больших токов, что способно вызвать его выход из строя.
Для высокой точности измерений внутреннее сопротивление прибора должно быть настолько низким, насколько это возможно, чтобы не влиять на параметры цепи.
Следует позаботиться о виде тока (AC или DC)
В случае с постоянным обязательно обратить внимание на полярность.
Диапазон измерений должен быть настолько большим, насколько это возможно без вреда для точности

Важно, чтобы неизмеряемое значение не оказалась за пределами шкалы.

Возможны случаи, когда контур невозможно разомкнуть для замеров или нужное место в цепи труднодоступно. В таких ситуациях измерение можно выполнить косвенно. Определив падение напряжения на резисторе, можно с помощью закона Ома определить ток. Косвенные измерения удобно производить мультиметром — прибором, объединяющим функции омметра, вольтметра и амперметра.

В ситуациях, когда ток слишком высок для того, чтобы измерить его стандартным прибором, используют шунтирование. Самый дешёвый и простой способ — параллельное присоединение к участку резистора с омметром

Применение для измерений трансформатора тока добавляет важное преимущество, заключающееся в создании гальванической развязки между измерительным прибором и схемой, в которой измеряется ток. Но в этом случае анализ возможен только для переменного тока

Очень важен выбор правильной технологии снятия показаний, чтобы компоненты контрольного оборудования способны были должным образом работать в пиковых и аварийных режимах. Современное развитие цифровой и компьютерной техники значительно расширило возможности точного измерения и исследования токов косвенными методами, а полупроводниковые технологии недалёкого будущего обещают дозировать электричество с точностью до единичного заряда.

Ампер – единица измерения силы тока в СИ

По самому популярному международному стандарту (СИ) силе постоянного тока один ампер (1А) соответствует прохождение единичного заряда (1 кулон) за время 1 с:

1А = 1Кл/ 1 с.

Другое базовое определение создано с дополнительным использованием механических составляющих. В соответствии с ним, аналогичный ток создает силу взаимодействия 2*10-7 Ньютонов на каждый метр погонный конструкции, состоящей из двух параллельных проводников. Подразумевается размещение такого устройства в нейтральной среде (вакууме), полностью изолированной от внешних электромагнитных излучений.

Дополнительные единицы

На практике для удобства записи, для очень маленьких или очень больших токов, часто применяют кратные и дольные единицы от основной. Напомним, что кратными называют единицы намного больше основной, а дольными — намного меньше основной:

• Наноампер — 1 нА = 0,000000001=1,0*10-9 А;
• Микроампер — 1 мкА = 0,000001 А;
• Миллиампер — 1 мА = 0,001 А;
• Килоампер — 1 кА = 1000 А;
• Мегаампер — 1МА = 1000000 А= 1,0*106 А.

Рис. 3. Примеры амперметров

Измерение тока в электрических цепях производится с помощью амперметров

Для калибровки шкал этих приборов (стрелочных и цифровых) очень важное значение имеет универсальность и точность самой единицы измерения — ампера

Расчет электрических цепей онлайн и основная формула расчета

Наверное, каждый кто делал или делает ремонт электрики сталкивался с проблемой определения той или иной электрической величины. Для кого-то это становится настоящим камнем преткновения, а для кого-то все предельно ясно и каких-либо сложностей при определении той или иной величины нет. Данная статья посвящена именно первой категории – то есть для тех, кто не очень силен в теории электрических цепей и тех показателей, которые для них характерны.

Итак, для начала вернемся немного в прошлое и постараемся вспомнить школьный курс физики, касательно электрики. Как мы помним, основные электрические величины определяются на основании всего одного закона – закона Ома. Именно этот закон является базой проведения абсолютно для любых расчетов и имеет вид:

Отметим, что в данном случае речь идет о расчете самой простейшей электрической цепи, которая выглядит следующим образом:

Подчеркнем, что абсолютно любой расчет ведется именно посредством этой формулы. То есть путем не сложных математических вычислений можно определить ту или иную величину зная при этом два иных электрических параметра. Как бы там ни было, наш ресурс призван упростить жизнь тому кто делает ремонт, а поэтому мы упростим решение задачи определения электрических параметров, вывив основные формулы и предоставив возможность произвести расчет электрических цепей онлайн.