Определение и формула силы тока
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:
$$I=\frac{d q}{d t}$ (1)$
где q – заряд, проходящий сквозь поверхность S, t – время прохождения заряда. Выражение (1) определяет величину силы тока в момент времени t (мгновенное значение величины силы тока).
Закон Ома для участка цепи
Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению:
Иллюстрация закона Ома.
Сила тока направлена в сторону движения заряженных частиц (электронов). Силе тока противостоит сопротивление: чем оно больше, тем меньше сила тока (тем меньше проходит электронов через проводник в единицу времени). Но росту силы тока способствует напряжение, которое словно толкает заряженные частицы, заставляя их упорядоченно перемещаться.
Закон Ома для участка цепи с учетом формулы для расчета сопротивления:
Для сравнения и расчета сопротивления часто используют вольтамперную характеристику. Так называют графическое представление зависимости силы тока от напряжения. Пример вольтамперной характеристики:
Чем круче график, тем меньше сопротивление проводника. При расчете сопротивления важно учитывать единицы измерения величин, указанных на осях.
Пример №4. На рисунке изображен график зависимости силы тока от напряжения на одной секции телевизора. Каково сопротивление этой секции:
Точке графика, соответствующей 5 кВ, соответствует сила тока, равна 20 мА.
Сначала переведем единицы измерения величин в СИ:
R = U I . . = 5000 0 , 02 . . = 250000 ( О м ) = 250 ( к О м )
При определении сопротивления резистора ученик измерил напряжение на нём: U = (4,6 ± 0,2) В. Сила тока через резистор измерялась настолько точно, что погрешностью можно пренебречь: I = 0,500 А. По результатам этих измерений можно сделать вывод, что сопротивление резистора, скорее всего,
Источник
Некоторые виды силы тока
Ток носит название постоянного, если его сила и направление с течением времени не изменяются, тогда:
$$I=\frac{q}{t}(2)$$
Формула (2) показывает, что сила постоянного тока равна заряду, который проходит сквозь поверхность S в единицу времени.
Если ток является переменным, то выделяют мгновенную силу тока (1), амплитудную силу тока и эффективную силу тока. Эффективной величиной силы переменного тока (Ieff) называют такую силу постоянного тока, которая выполнит работу равную работе переменного тока в течение одного периода (T):
$$I_{e f f}=\sqrt{\frac{1}{T} \int_{0}^{T} I^{2} d t}(3)$$
Если переменный ток можно представить как синусоидальный:
$$I=I_{m} \sin \omega t$$
то Im – амплитуда силы тока ($\omega$ – частота силы переменного тока).
Отличие напряжения от силы тока
Электричество, как и любая другая материя, имеет собственные характеристики, используемые для определения эффективности работы и контроля заданных параметров. В физике существуют такие понятия как «напряжение» и «сила тока». Они описывают одно и тоже явление, но сами по себе как показатели они отличаются друг от друга.
Такие различия заключены в принципе действия электричества. Под силой тока понимают объем потока электронов, способных пройти на расстояние одного метра за установленный интервал времени. Напряжение наоборот выражено в количестве потенциальной энергии. Оба понятия тесно связаны между собой. К внешним факторам влияния на них относят:
- материал, из которого изготовлен проводник;
- температура;
- магнитное поле;
- условия окружающей среды.
Отличия также заключаются в способах получения этих параметров. Когда на заряды проводника воздействует внешнее магнитное поле, формируется напряжение, которое генерирует поток между точками цепи. Так же специалисты выделяют отличия в энергопотреблении, называемым мощностью. Если напряжение характеризует параметры потенциальной энергии, то ток — кинетической.
Плотность тока
Распределение электрического тока по сечению проводника характеризуют при помощи вектора плотности тока ($\bar{j}$). При этом:
$$j_{n}=j \cos \alpha=\frac{d I}{d S}(5)$$
где $\alpha$ – угол между векторами $\bar{j}$ и $\bar{n}$ ( $\bar{n}$ – нормаль к элементу поверхности dS), jn – проекция вектора плотности тока на направление нормали ($\bar{n}$).
Сила тока в проводнике определяется при помощи формулы:
$$I=\int_{S} j d S(6)$$
где интегрирование в выражении (6) проводится по всему поперечному сечению проводника S ($\alpha \equiv 0$)
Для постоянного тока имеем:
$I = jS (7)$
Если рассматривать два проводника с сечениями S1 и S2 и постоянными токами, то выполняется соотношение:
$$\frac{j_{1}}{j_{2}}=\frac{S_{2}}{S_{1}}(8)$$
Направление электрического тока в металлах
По металлическим проводам перемещаются отрицательно заряженные электроны, т.е. ток идет от «–» к «+» источника. Направление движения электронов называют действительным. Но исторически в науке принято условное направление тока от «+» источника к «–».
Действия электрического тока (преобразования энергии)
Электрический ток способен вызывать различные действия:
- Тепловое — электрическая энергия преобразуется в тепло. Такое преобразование обеспечивает электроплита, электрический камин, утюг.
- Химическое — электролиты под действием постоянного электрического тока подвергаются электролизу. К положительному электроду (аноду) в процессе электролиза притягиваются отрицательные ионы (анионы), а к отрицательному электроду (катоду) — положительные ионы (катионы).
- Магнитное (электромагнитное) — при наличии электрического тока в любом проводнике вокруг него наблюдается магнитное поле, т.е. проводник с током приобретает магнитные свойства.
- Световое — электрический ток разогревает металлы до белого каления, и они начинают светиться подобно вольфрамовой спирали внутри лампы накаливания. Другой пример — светодиоды, в которых свет обусловлен излучением фотонов при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой.
- Механическое — параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных — отталкиваются.
Формула тока. Как найти ток. Вычисляем и определяем ток по формуле закона Ома.
Основополагающей формулой для нахождения силы тока является классический закон Ома, который гласит, что сила тока равна напряжение деленное на сопротивление. И эта основополагающая формула любого электрика и электроника, которая постоянно используется для быстрого вычисления силы тока той или иной цепи. Из любых двух известных величин закона Ома (это ток, напряжение и сопротивление) всегда можно найти третью. В случае нахождения напряжения мы перемножаем ток на сопротивление, ну а при вычислении тока или сопротивления всегда напряжение делим на ту величину, которая известная (сила тока или сопротивление).
Стоит сказать, что данная формула тока подходит как для переменного, так и для постоянного тока. Хотя для переменного имеются некоторые нюансы. А именно: это случаи, когда мы используем активную нагрузку (нагреватели, лампочки). Формула тока показывает зависимость напряжения, сопротивления, и собственно силы тока.
Поскольку немаловажной характеристикой, используемой в области электричества, является также электрическая мощность, то для нахождения силы тока применять можно и её. Электрическая мощность, это произведение силы тока на напряжение. И чтобы найти силу тока необходимо мощность поделить на известное напряжение. Например, нам известна мощность нагревательного элемента, которая равна 880 Вт. Мы также знаем напряжение, что будет подаваться на него, равное 220 В. Нам нужно найти силу тока, которая будет протекать по цепи питания данного нагревателя. Для этого мы просто 880 ватт делим на 220 вольт, что даст на силу тока в 4 ампера.
Теперь как можно вычислить по формуле тока (по закону Ома) этот самый ток зная напряжение и сопротивление. Итак, у нас всё то же напряжение 220 вольт, и есть тот же нагревательный элемент. Мы мультиметром, тестером измеряем сопротивление элемента (у нагревателя с мощностью 880 ватт и рассчитанного на напряжение 220 вольт оно будет 55 ом). И что бы найти силу тока мы напряжение 220 вольт делим на сопротивление нагревателя 55 ом, в итоге получаем всю ту же силу тока в 4 ампера.
Просто нужно хорошо запомнить эти две формулы тока (его нахождение через мощность и через сопротивление с известным напряжением). Тогда вы быстро и без труда в голове сможете вычислять как силу тока электрической цепи, так и любые другие электрические величины (напряжение, сопротивление, мощность).
Ну, а если вы больше практик, тогда просто берите в руки измерители и меряйте. Напомню, напряжение мы измеряем параллельным прикладыванием щупов тестера, мультиметра к контактам, на которых будет измерять величину разности потенциалов. Силу тока же мы меряем уже путем разрыва цепи, где нужно измерить силу тока, то есть разрываем электрическую цепь в начале (поближе к источнику питания) и между этим разрывом подсоединяем щупы нашего измерителя тока (амперметра). Не забывайте, что переменный ток должен соответствовать своему положению на переключателе тестера, а постоянный своему месту (иначе вы получите неверные значения измеряемого тока).
P.S. Для лучшего запоминания закона Ома вы просто держите в голове, что при делении напряжение всегда в верху, то есть если по закону Ома мы находим напряжение, то перемножаем ток на сопротивление, ну в двух других случаях (при нахождении сопротивления или тока) мы всегда напряжение делим на известную величину, получая вторую, которая ранее была неизвестна.
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 током
Важно! 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 Особенности профессии электрика
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
Природа происхождения
Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц под воздействием электрического поля.
В качестве частиц выступают:
- 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.
