Одним из параметров, характеризующих поведение электронов в электрической цепи, кроме напряжения и тока, выступает мощность. Она является мерой количества работы, которую можно совершить за единицу времени. Работу обычно сравнивают с подъёмом веса. Чем больше вес и высота его подъёма, тем больше работы выполнено. Мощность определяет быстроту совершения единицы работы.
Мощность автомобилей исчисляют в лошадиных силах - единице измерения, придуманной изготовителями паровых двигателей с целью измерения работоспособности своих агрегатов в обычном источнике энергии того времени. Мощность автомобиля не говорит, как высоко он может заехать на холм или сколько веса он может перевезти, а только показывает, как быстро он это сделает.
Мощность двигателя зависит от его скорости и вращающего момента выходного вала. Скорость измеряют в оборотах в минуту. Вращающий момент - это момент силы двигателя, который измерялся первоначально в фунт-футах, а сейчас в ньютон-метрах или джоулях.
Тракторный двигатель в 100 л. с. вращается медленно, но с большим крутящим моментом. Мотоциклетный двигатель равной мощности вращается быстро, но с небольшим крутящим моментом. Уравнение расчёта мощности имеет вид:
P = 2π S T / 33000, где S - скорость вращения, об/мин, а T - момент вращения.
Переменными здесь являются момент и скорость. Иначе говоря, мощность прямо пропорциональна ST: P~ST.
В электроцепях мощность находится в функциональной зависимости от напряжения и тока. Неудивительно, что она похожа на вышеприведённое уравнение P=IU.
Но тут P не пропорциональна току, умноженному на напряжение, а равняется ему. Исчисляется в ваттах, сокращённо Вт.
Важно знать, что ток и напряжение отдельно мощность не определяют, лишь их совокупность. Напряжение является работой на единицу электрического заряда, а ток - скоростью движения зарядов. Напряжение (эквивалент работы) подобно работе при подъёме веса в противодействие силе гравитации. Ток (эквивалентен скорости) подобен скорости подъёма веса. Их произведение и составляет мощность.
Как тракторный и мотоциклетный моторы, цепь с высоким напряжением и небольшим током способна быть одинаковой мощности с цепью невысокого напряжения и большим током. Напряжение и ток вне взаимосвязи не могут характеризовать мощность электроцепи.
Разомкнутая цепь с напряжением и нулевой силой тока работы не совершает, вне зависимости от высоты напряжения. Ведь, согласно формуле, что угодно, умноженное на 0, даёт 0: P = 0 U = 0. В замкнутой цепи из сверхпроводящего провода с нулевым сопротивлением можно достичь тока при напряжении, равном нулю, что также не приведёт к рассеиванию энергии: P = I 0 = 0.
Лошадиные силы и ватты обозначают одно и то же: количество работы, которую можно совершить за единицу времени. Эти единицы взаимосвязаны соотношением
1 л. с. = 745,7 Вт
Итак, мощность тока электроцепи в ваттах равняется произведению напряжения на ток.
Чтобы определить, например, мощность нагрузки сопротивлением 3 Ом, в цепи с батареей питания напряжением 12 В, необходимо, применив закон Ома, найти ток
I = U/R = 12/3 =4 А
Умножение полученной силы тока на напряжение и даст искомый результат:
P = I U = 4 А 12 В = 48 Вт
Таким образом, лампа потребляет 48 Вт.
Что же произойдёт при увеличении напряжения?
При напряжении 24 В и сопротивлении 3 Ом ток
I= U/R = 24/3 =8 А
При удвоении напряжения удвоилась и сила тока.
P = IU = 8 А 24 В = 192 Вт
Мощность также увеличилась, но больше. Почему? Потому что это функция произведения напряжения на ток, напряжение и ток увеличились в 2 раза, следовательно, мощность возросла в 4 раза. Это можно проверить делением 192 ватт на 48, частное от которого равно 4.
Применив алгебру для преобразования формулы, можно взять исходное уравнение и преобразовать его для случаев, когда неизвестен один из параметров.
Если даны напряжение и сопротивление:
P = (U/R) U или P = U 2 /R
При известной силе тока и сопротивлении:
P = I (I R) или P = I 2 R
Исторический факт: отношение между рассеиваемой мощностью и силой тока через сопротивление открыл Джеймс Прескотт Джоуль, а не Георг Симон Ом. Оно было опубликовано в 1841 г. в виде уравнения P = I 2 R и носит название закона Джоуля-Ленца.
Уравнения мощности:
Закон Ома и Джоуля-Ленца были установлены для постоянного тока, но они справедливы и для мгновенных значений изменяющегося тока и напряжения.
Мгновенное значение P равно произведению мгновенных значений силы тока и напряжения с учётом их смещения по фазе на угол φ:
P(t) = U(t)I(t) = U m cosωt I m cos(ωt-φ) = (1/2)U m I m cosφ + (1/2) U m I m cos(2ωt-φ).
Из уравнения следует, что у мгновенной мощности есть постоянная составляющая, и она совершает колебательные движения вокруг среднего значения с частотой, которая вдвое превышает частоту тока.
Среднее значение P(t), представляющее практический интерес, равно:
P = (U m I m /2) cosφ
С учётом того, что cos φ=R/Z, где Z=(R 2 + (ωL - 1/ω C) 2) 1/2 и U m /Z = I m ,
Здесь I = I m 2 -1/2 = 0,707 I m - эффективное значение силы тока, А.
Аналогично U = U m 2 -1/2 = 0,707 U m - эффективное напряжение, В.
Средняя мощность через эффективное напряжение и ток определяется
P = U I cos φ, где cos φ - коэффициент мощности.
P в электроцепи переходит в тепловую или другой вид энергии. Наибольшей активной мощности можно достичь при cosφ=1, то есть при отсутствии сдвига фаз. Она носит название полной мощности
S = U I = Z I 2 = U 2 /Z
Её размерность совпадает с размерностью P, но с целью отличия S измеряется вольт-амперами, ВА.
Степень интенсивности обмена энергией в электроцепи характеризуется реактивной мощностью
Q = U I sinφ = U I p = U p I = X I 2 = U 2 /X
Она имеет размерность активной и полной, но с целью различения её выражают вольт-амперами реактивными, ВАр.
Мощность активная, реактивная и полная взаимосвязаны выражением
S = (P 2 + Q 2) 1/2
Мощность представляют в виде стороны прямоугольного треугольника. Используя законы тригонометрии, можно найти длину одной стороны (количество мощности любого типа) по двум известным сторонам или по длине одной и углу. В таком треугольнике активная мощность является прилежащим катетом, реактивная - противолежащим, а полная мощность - гипотенузой. Угол между катетом активной мощности и гипотенузой равен углу фазы импеданса Z электрической цепи.
Комплексная форма записи этой взаимосвязи следующая:
S = P+jQ = U I cosφ + j U I sinφ= U I e jφ = U I*, где
S - комплексная мощность;
I* - комплексное сопряжённое значение тока.
Вещественная составляющая комплекса - активная, а мнимая - реактивная.
Мгновенная полная мощность всегда остаётся постоянной величиной.
Нагрузка каждой фазы трёхфазной электроцепи преобразует энергию или обменивается ею с источником питания. Вследствие этого P и Q цепи равняются суммарной мощности всех фаз:
P = P r + P y + P b ; Q = Q r + Q y + Q b - соединение «звезда»;
P = P ry + P yb + P br ; Q = Q ry + Q yb + Q br - соединение «треугольник».
Активные и реактивные мощности каждой фазы определяются, как в однофазной цепи.
Полная мощность трёхфазной цепи:
S = (P 2 +Q 2) 1/2 ,
что в комплексной форме имеет вид
S = P+jQ = (P r + P y + P b) + j(Q r + Q y + Q b)= S r + S y + S b = U r I r + U y I y + U b I b
Симметричная нагрузка фаз имеет следствием равенство их мощностей. Вот почему мощность тока равна утроенной активной и реактивной мощности фазы:
P = 3P ф = 3 I ф U ф cosφ ф = 3 R ф I ф 2
Q = 3 Q ф = 3 I ф U ф sinφ ф = 3 X ф I ф 2
S = 3 S ф = 3 I ф U ф
I ф и U ф здесь можно заменить их линейными значениями, учитывая, что для звезды U ф =U л; I ф =I л, а для треугольника U ф =U л; I ф =I л 3 -1/2:
P = 3 1/2 I л U л cosφ ф;
Q = 3 1/2 I л U л sinφ ф;
S = 3 1/2 I л U л.
Определение P в цепи несинусоидального тока аналогично её определению в цепи тока синусоидального, так как за период T средняя мгновенная мощность
P = 1/T∫u i dt
Активная мощность тока определяется суммой P гармонических составляющих, в том числе и постоянной, являющейся гармоникой нулевой частоты.
Реактивная мощность тока подобным образом является результатом сложения Q каждой гармоники.
Q = ∑U k I k sinφ k = ∑ Q k
При выборе какого-либо электрического оборудования одним из важных параметров, на который обращается внимание, является мощность изделия. Этот параметр неразрывно связан с силой тока и напряжением. Чтобы рассчитать силу тока, напряжение или мощность в электрической цепи, используются несложные формулы. Но чтобы осмысленно проводить такие вычисления, желательно понимать физическую природу возникновения этих величин.
Любая электрическая цепь характеризуется рядом параметров. Наиболее важными из них являются сила тока, напряжение, мощность и сопротивление. Эти характеристики связаны между собой и зависят друг от друга. Явление, объединяющее их, называется электричеством.
Это понятие было введено ещё в 1600 году английским физиком Уильямом Гилбертом, изучающим магнитные и электрические явления. Исследуя магнетизм в природе, учёный установил, что некоторые тела при трении начинают обладать силой притяжения по отношению к другим предметам, в частности, к янтарю. Поэтому он и назвал открытое явление ēlectricus, что в переводе с латинского обозначает «янтарный».
Продолжая его исследования, немецкий физик Отто фон Герике в 1663 году изобрёл электрическую машину, которая представляла собой металлический стержень с одетым на него серным шаром. В результате он выяснил, что материалы могут не только притягивать вещества, но и отталкивать. Но только через восемьдесят лет американец Бенджамин Франклин создал теорию электричества, введя такие термины, как отрицательный и положительный заряд.
Дальнейшее развитие электричество получило после опытов Шарля Кулона и открытия им закона взаимодействия зарядов. Заключался он в следующем: сила влияния двух точечных зарядов друг на друга в вакууме прямо пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна расстоянию между ними в квадрате. После этого благодаря экспериментам таких учёных, как Джоуль, Ленц, Ом, Ампер, Фарадей, Максвелл были введены понятия ток, напряжение и электромагнетизм.
Так, в 1897 году англичанин Джозеф Томсон установил, что носителями зарядов являются электроны. Ранее, в 1880 году, электротехник из России Дмитрий Лачинов сформулировал необходимые условия для передачи электричества на расстояния.
После этих открытий были выработаны фундаментальные определения электричества. Сегодня под ним понимаются свойства материалов образовывать вокруг себя электрическое поле, оказывающее воздействие на располагающиеся рядом другие заряженные частицы. Заряды условно принято разделять на положительные и отрицательные. При их перемещении возникает магнитное поле, при этом одинакового знака заряды притягиваются, а разного - отталкиваются.
Ток - это упорядоченное движение носителей заряда, происходящее под влиянием электрического поля. В качестве положительно заряженных частиц выступают электроны, а отрицательных - дырки. Математически это явление описывается с помощью формулы I = Q*T , где I - ток проводимости (А), Q - заряд частицы (Кл), T - время ©.
То есть электрическим током называется количество зарядов, прошедших через поперечное сечение вещества. Но эта формулировка верна только для тока постоянной величины, в то время как для изменяемого во времени она будет выглядеть I (T) = dQ/dT
.
Плотность движения носителей заряда в материале, то есть количество электричества, проходящего за условно принятое время, называется силой тока. Согласно Международной системе (СИ) его единицей измерения является ампер. Один ампер равен перемещению электрического заряда, равного одному кулону, через поперечное сечение за одну секунду.
Носители заряда могут двигаться как упорядоченно, так и хаотично. При их движении возникает электрическое поле, обозначаемое латинской буквой E. Значение, определяющееся отношением тока к поперечному сечению проводника, называется плотностью тока. За единицу её измерения принимается А/мм 2 .
По своему виду ток различают на следующие типы:
Переменный вид разделяется по форме и может быть синусоидальным и несинусоидальным. Для расчёта силы тока синусоидальной формы используется формула Is = Ia*sin ωt , где Ia - максимальное значение тока (A), ω - угловая скорость, равная 2πf (Гц).
Физические тела, в которых возможно протекание тока, называют проводниками, а в тех, где возникают препятствия его прохождению - диэлектриками. Промежуточное состояние между ними занимают полупроводники.
Напряжением принято называть физическую величину, характеризующую электрическое поле. Она показывает, какую работу понадобится совершить полю для того, чтобы переместить единичный заряд из одной точки в другую. При этом принимается, что этот перенос не влияет на распределение зарядов в источнике поля. Согласно Международной системе единиц напряжение измеряется в вольтах.
Работа по переносу складывается из двух величин - электрических и сторонних. Если сторонние силы не действуют, то напряжение на участке цепи равно разности потенциалов и вычисляется по формуле U = φ1-φ2
. При этом потенциал определяется отношением напряжённости электрического поля к заряду. Для его расчёта используют формулу φ = W/q
.
Другими словами, это характеристика поля в определённой точке, не зависящей от величины заряда, находящегося в нём. То есть напряжение в общем случае определяется работой электростатического поля, возникающего при движении заряда вдоль его силовых линий. Математически его можно рассчитать по формуле U = A/q , где А - совершаемая работа по перемещению (Дж), q - энергия заряда (Кл).
Применительно к сети переменного тока для напряжения используются следующие понятия:
Проводя расчёт напряжения, редко используется понятие электрического потенциала. Связано это с тем, что условно принято за одну из точек потенциала принимать землю.
Это значение берётся равным нулю, а все остальные потенциалы считаются относительно неё. Говоря, что напряжение в определённой точке составляет 300 вольт, имеется в виду разность потенциалов между этой точкой и землёй, равная этому значению.
Электрическая мощность характеризует скорость передачи электрической энергии или её преобразование. Единицей её измерения является ватт. Для того чтобы посчитать мощность на определённом участке цепи, необходимо перемножить значение напряжения и силы тока на этом участке. Исходя из определения электрического напряжения, можно сказать, что заряд при движении совершает работу, численно равную ей на участке цепи. Если же умножить работу на количество зарядов, то можно найти общее значение работы, которую совершили заряды на этом участке.
Исходя из физического определения, что мощность - это работа за единицу времени, получается выражение P = A/Δt , где A - работа, совершаемая зарядом при перемещении от начальной точки к конечной (Дж), Δt - время, затраченное на полное перемещение заряда ©.
Для всех зарядов в цепи мощность можно найти благодаря формуле P = (U/ Δt) * Q, где Q - общее число зарядов.
Так как ток представляет собой заряд, протекающий в единицу времени (I = Q/ Δt ), то получается, что мощность равна произведению тока на напряжение, то есть P = U*I (Вт).
В цепи с постоянным током его сила и напряжение всегда имеют постоянное значение в определённой точке, поэтому для любого момента времени мощность можно вычислить по формуле P = I*U = I2*R = U2/R , где R - сопротивление прохождению тока в электрической цепи (Ом). Если же в этой сети находится источник электродвижущей силы, то мощность находится как P = I*E+ I2*r , где Е - электродвижущая сила или ЭДС (В), r - внутреннее сопротивление источника ЭДС (Ом).
Для цепи, в которой её параметры изменяются по какому-то циклу, мощность в определённой точке интегрируется по времени. При этом существуют следующие виды мощности:
Проводя расчёты мощности по напряжению и току на практике, часто используют закон Ома. Он устанавливает связь между током, сопротивлением и напряжением. Этот закон был открыт путём проведения Симоном Омом ряда экспериментов и сформулирован им в 1826 году. Он выяснил, что величина тока на участке цепи прямо пропорциональна разности потенциалов и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.
Закон Ома можно записать в следующем виде: I = U/R , где I - значение силы тока (А), U - разность потенциалов (В), R - сопротивление цепи прохождению тока (Ом).
Для полной же цепи эту формулу можно записать так: I = E/(R+ r0) , где E - ЭДС источника питания (В), r0 - внутреннее сопротивление источника напряжения (Ом).
Таким образом, для участка цепи будет справедливо выражение P = U2/R = I2R , а для полной цепи - P = (E/(R+ R0)) 2 *R . Именно эти две формулы и используются чаще всего для расчётов электрических сетей или мощности необходимого оборудования.
Различные компоненты электрической сети в определённый момент времени потребляют разную величину тока. Поэтому очень важно правильно рассчитать, какое количество энергии подводится в тот или иной момент в определённое место цепи, чтобы не допустить перегрузок на линии и возникновения аварийных ситуаций.
Этим и занимаются разработчики схем, упрощая их до состояния, когда можно рассчитать необходимую мощность, используя закон Ома.
Например, пусть понадобится узнать, на какой ток необходимо приобрести устанавливаемый на участок цепи автоматический выключатель. При этом известно, что в линию, на которой он будет установлен, одновременно будут включаться холодильник с максимальной мощностью потребления энергии один киловатт, бойлер (два киловатта) и люстра, потребляющая 90 ватт. В месте установки используется однофазная сеть, рассчитанная на рабочее напряжение 220 вольт.
На первом этапе расчёта понадобится суммировать всю мощность подключаемых к линии электроприборов. Так, P общ. = 1000 + 2000 + 90 +220 = 3310 Вт. Используя формулу P = I*U , находится необходимое значение тока: I = P/U = 3310/220 = 15,04 А.
Из стандартного ряда выключателей наиболее близкое значение имеет автомат на 16 А. Поскольку необходимо покупать устройство защиты с небольшим запасом, то для рассматриваемого примера подойдёт выключатель, рассчитанный на 20 ампер.
Определение электрической цепи подразумевает набор некоторых объектов и устройств, между собой соединенных определенным образом, которые являются путем для протекания электрического тока. Физическая величина, характеризующаяся отношением заряда, который сечение проводника за время, к значению этого временного промежутка – это сила тока в цепи.
{ ArticleToC: enabled=yes }
Составляют цепь:
Их также делят на разветвленные и неразветвленные, т.е. простые, где ток, протекающий к потребителю от источника энергии, не меняет значения. Другими словами, его величина одинакова на всех элементах. Примером простейшей цепи служит освещение помещения одной лампой, где от источника энергии течет ток через выключатель к лампе накаливания и возвращается назад к источнику.
Для разветвленных цепей характерно одно или несколько ответвлений, т.е. на своем пути разветвляется ток, идущий от источника, и течет по ветвям к независимым потребителям, изменяя свое значение.
В качестве примера служить тоже освещение, но при наличии люстры, состоящей не из одной, а из нескольких лампочек и многоклавишного выключателя. Ток, дойдя до выключателя от источника, разделяется, чтобы питать лампы. Затем, возвращается по общему для них проводу назад.
Ветвь – это один или больше элементов, которые соединены последовательно.
Напряжение измеряют относительно земли, где его величина составляет ноль. Ток течет из узла, в котором напряжение высокое, к узлу с низким.
Вычислить напряжение в узле легко:
V1-V2=I1*(R1) , где
I1 — ток, текущий из 1 узла ко 2;
V1 — известное напряжение;
R1 — сопротивление между этими узлами;
V2 – искомое напряжение.
Проведя определенные действия, имеем — V2=V1-(I1*R1) .
Так же определяется ток ответвления, когда известно напряжение узлов: I 1=(V1-V2)/R1 или I 1+ I3=I2 , что означает, что входящий ток узла и выходящий одинаковы
В первых присутствует минимум один элемент, у которого существует зависимость параметров от тока, текущего по ним, и прикладываемого напряжения.
Во втором случае, ни одна характеристика составляющих цепь элементов, от вида тока, текущего по ним, и его величины не зависит. Кроме этого, в самих цепях различают внешние части и внутренние.
К первой принадлежит источник электроэнергии, а к внешней – провода, включатели и выключатели, измерительные приборы, т.е. все подсоединенное к источнику при помощи зажимов. Ток может течь исключительно по замкнутой цепи. Если же в каком-либо месте возникает разрыв, он прекращается.
Цепи еще бывают постоянного тока, т.е. в для которых не свойственно изменение направления тока (полярность источников ЭДС постоянна), и переменного, для которых характерно изменение во времени протекающего тока.
В цепях выступать источниками питания могут быть: аккумуляторы, электромеханические генераторы и термоэлектрические, фотоэлементы и гальванические. У них сопротивление внутреннее настолько мало, по отношению к другим нагрузкам, что им можно пренебречь.
Приемниками постоянного тока служат осветительные приборы, электромоторы, преобразующие в механическую электрическую энергию, и др.
К оборудованию вспомогательному относят:
Для всех электроприемников важны два параметра – напряжение на их зажимах и мощность. Элементы, составляющие электрическую цепь, могут быть активными, т.е. индуцирующими ЭДС (моторы, аккумуляторные батареи) и пассивными (провода, резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности).
Для цепи, питающейся от переменного тока, в которую включена катушка индуктивности, принято считать, что активное сопротивление ее равняется нулю. В действительности и провод катушки, и соединительные обладают, путь и очень маленьким, активным сопротивлением. Поэтому цепь будет потреблять энергию.
Следовательно, определяя общее сопротивление цепи, учитывать необходимо активное и реактивное сопротивление. Однако, они разнятся по характеру, поэтому обычным способом их складывать невозможно. Использовать нужно метод геометрического сложения, выглядит который следующим образом (рисунок ниже):
Требуется построить треугольник, одна из сторон которого равна величине сопротивления активного, а другая – индуктивного. Величина суммарного сопротивления соответствует третьей стороне, т.е. гипотенузе.
Измеряется полное сопротивление омами, а обозначается «Z». Из выполненного построения понятно, что оно (гипотенуза) больше всегда, чем взятые отдельно величины активного и индуктивного (катетов).
В виде алгебраического выражения это выглядит так:
Здесь:
Z - полное сопротивление;
R - активное;
XL - индуктивное.
Так выглядит зависимость между сопротивлениями составляющих цепь элементов и полным.
Мощность, как известно из программы средней школы, это произведение тока и напряжения, которые являются величинами переменными. Значит, переменной величиной в цепи с активным сопротивлением и индуктивностью будет и мощность.
Ее значение в определенный момент можно вычислить, перемножив значения тока и напряжения в этот же момент. Проделав эти действия для каждого временного момента, получаем графики: а – для содержащей индуктивность цепи, б – активное:
Пунктирной кривой p показана мощность цепи переменного тока, которая состоит из индуктивности. Для ее построения справедливо алгебраическое умножение: умножение двух величин с одинаковым знаком (два минуса или два плюса) в результате дают величину положительную, а при умножении их с разными знаками – отрицательную.
Для цепи, которая помимо индуктивности содержит резистор, график мощности выглядит так:
Линия мощности при этом расположена оси времени. Означает это, что генератор с цепью не обмениваются энергией, поэтому отдаваемая в цепь генератором мощность, цепью потребляется полностью.
Получается, что при большем сдвиге фаз между током и напряжением, меньше мощности, потребляемая цепью.
Ток, идущий от высокого потенциала к низкому, совершает работу. Скорость ее совершения называется мощностью тока в цепи. Поскольку, силой тока называют количество проходящего в течении секунды через сечение цепи электричества, то мощность является величиной, находящейся в прямо пропорциональной зависимости от силы тока в цепи с резистором и напряжения (разности потенциалов). Измеряют ее в Вт (ваттах) и обозначают «Р».
P = I*U
Если же известны лишь сопротивление и сила тока, ее вычисляют по формуле:
U=IR , а затем, P = I*U =I*IR
В результате имеем:
Р = I2*R
Если известными величинами являются сопротивление и напряжение, ее высчитывают так:
Р = I*U=U2/R
Определение понятия силы тока звучит так: это заряженные частицы (электрические заряды), которые двигаются в определённом направлении и называются электронами.
Представим, что через участок цепи проходит определённое количество электричества, например, один кулон.
Он может пройти за одну секунду, а может за целый час. Поэтому сила его определяется именно количеством электричества, которое проходит через проводник за конкретную единицу времени - секунду.
Ток бывает двух видов:
Обычные батарейки или аккумуляторы телефонов выдают именно постоянный. А переменный может изменяться. Когда вы включаете в одну розетку настольную лампу, которой не требуется большая сила, и вместе с ней включаете, например, мощный пылесос, то работают оба прибора, так как ток в сети переменный, в отличие от напряжения, он «подстроился» под приборы. Если бы он был постоянным, то в зависимости от его величины у вас либо сгорит лампа, либо не заработает пылесос.
Измеряется в амперах (А) - эта единица измерения одна из основных в СИ, обозначается величина английской буквой I.
Сила может измеряться основными и вспомогательными единицами:
Если в замкнутой простой цепи проходит постоянный тoк, то в каждом месте цепи за секунду или минуту проходит абсолютно равное его количество, так как он не может накапливаться в отдельных участках цепи. Если рассматривать сложные цепи, то это правило тоже работает, но уже для отдельных участков цепи, которые можно считать простыми.
Количество его измеряется в кулонах. Если через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит точно один кулон - то это один ампер. Для нахождения её можно использовать специальные приборы либо формулы.
Начнём с формул, по которым можно вычислить эту самую силу. Например, если знать, сколько электричества прошло через проводник за определённый и известный промежуток времени, то можно узнать его силу по такой формуле: I = q/t, где:
Закон Ома звучит так: сила тока в цепи обратно пропорциональна сопротивлению и прямо пропорциональна напряжению
.
Этот закон применяется для вычисления силы постоянного тока.
Если вам нужно найти значение для переменного, то результат формулы нужно разделить на корень из двух.
Если опустить слова и перейти к обозначениям, то выглядит формула так: I = U/R. Буква I - сила тока в амперах. Буквой U обозначается напряжение в цепи, которое измеряется в вольтах. Буква R - это сопротивление, оно измеряется в Омах.
Зная эту формулу, можно без проблем вычислять и напряжение или сопротивление в цепи.
Можно ещё встретить такую запись закона: I = U/R+r. Это полный Закон Ома, который, помимо сопротивления внешних элементов цепи, учитывает сопротивление внутри источника питания и позволяет вычислить потребляемый ток.
Амперметр - специальный прибор, с помощью которого можно узнать, какая в цепи сила тока. Обозначение на амперметре покажут вам результат. Он подключается в разрыв таким образом, чтобы электричество протекало через прибор. Такое подключение называется последовательным. Подключать можно в любом месте, так как сила одинакова на любом участке замкнутой цепи. Применяется этот метод для измерения постоянного тока.
Если амперметра нет под рукой, то можно воспользоваться вольтметром - прибором для измерения напряжения в цепи. Для этого его нужно подключить параллельно в электрическую цепь. Замерив напряжение в цепи и зная сопротивление, мы можем высчитать силу тока по формуле Ома.
Также существует электромагнитный способ измерения постоянного и переменного тoка. Для этого требуется специальный магнитомодульный датчик. Он находит нужное значение, анализируя электромагнитное поле.
Не стоит забывать, что ток, как огонь - он полезен точно так же, как и опасен. Даже одна десятая ампера может быть опасна и даже смертельна для человека. А ведь в некоторых бытовых приборах он может достигать 10 и больше ампер. Даже в обычной лампочке накаливания его может быть достаточно для того, чтобы убить человека. Не говоря уже про технику где-нибудь на производствах, где он порой достигает нескольких тысяч ампер. Так что будьте осторожны.
«Физика - 10 класс»
Электрический ток - направленное движение заряженных частиц. Благодаря электрическому току освещаются квартиры, приводятся в движение станки, нагреваются конфорки на электроплитах, работает радиоприемник и т. д.
Рассмотрим наиболее простой случай направленного движения заряженных частиц - постоянный ток.
Какой электрический заряд называется элементарным?
Чему равен элементарный электрический заряд?
Чем различаются заряды в проводнике и диэлектрике?
При движении заряженных частиц в проводнике происходит перенос электрического заряда из одной точки в другую. Однако если заряженные частицы совершают беспорядочное тепловое движение, как, например, свободные электроны в металле, то переноса заряда не происходит (рис. 15.1, а). Поперечное сечение проводника в среднем пересекает одинаковое число электронов в двух противоположных направлениях. Электрический заряд переносится через поперечное сечение проводника лишь в том случае, если наряду с беспорядочным движением электроны участвуют в направленном движении (рис. 15.1, б). В этом случае говорят, что по проводнику идёт электрический ток .
Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.
Электрический ток имеет определённое направление.
За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.
Если перемещать нейтральное в целом тело, то, несмотря на упорядоченное движение огромного числа электронов и атомных ядер, электрический ток не возникнет. Полный заряд, переносимый через любое сечение, будет при этом равным нулю, так как заряды разных знаков перемещаются с одинаковой средней скоростью.
Направление тока совпадает с направлением вектора напряжённости электрического поля. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.
Выбор направления тока не очень удачен, так как в большинстве случаев ток представляет собой упорядоченное движение электронов - отрицательно заряженных частиц. Выбор направления тока был сделан в то время, когда о свободных электронах в металлах ещё ничего не знали.
Действие тока.
Движение частиц в проводнике мы непосредственно не видим. О наличии электрического тока приходится судить по тем действиям или явлениям, которые его сопровождают.
Во-первых, проводник, по которому идёт ток, нагревается.
Во-вторых, электрический ток может изменять химический состав проводника: например, выделять его химические составные части (медь из раствора медного купороса и т. д.).
В-третьих, ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела. Это действие тока называется магнитным .
Так, магнитная стрелка вблизи проводника с током поворачивается. Магнитное действие тока в отличие от химического и теплового является основным, так как проявляется у всех без исключения проводников. Химическое действие тока наблюдается лишь у растворов и расплавов электролитов, а нагревание отсутствует у сверхпроводников.
В лампочке накаливания вследствие прохождения электрического тока излучается видимый свет, а электродвигатель совершает механическую работу.
Сила тока.
Если в цепи идёт электрический ток, то это означает, что через поперечное сечение проводника всё время переносится электрический заряд.
Заряд, перенесённый в единицу времени, служит основной количественной характеристикой тока, называемой силой тока .
Если через поперечное сечение проводника за время Δt переносится заряд Δq, то среднее значение силы тока равно
Средняя сила тока равна отношению заряда Δq прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку времени.
Если сила тока со временем не меняется, то ток называют постоянным .
Сила переменного тока в данный момент времени определяется также по формуле (15.1), но промежуток времени Δt в таком случае должен быть очень мал.
Сила тока, подобно заряду, - величина скалярная. Она может быть как положительной , так и отрицательной . Знак силы тока зависит от того, какое из направлений обхода контура принять за положительное. Сила тока I > 0, если направление тока совпадает с условно выбранным положительным направлением вдоль проводника. В противном случае I < 0.
Связь силы тока со скоростью направленного движения частиц.
Пусть цилиндрический проводник (рис. 15.2) имеет поперечное сечение площадью S.
За положительное направление тока в проводнике примем направление слева направо. Заряд каждой частицы будем считать равным q 0 . В объёме проводника, ограниченном поперечными сечениями 1 и 2 с расстоянием Δl между ними, содержится nSΔl частиц, где n - концентрация частиц (носителей тока). Их общий заряд в выбранном объёме q = q 0 nSΔl. Если частицы движутся слева направо со средней скоростью υ, то за время все частицы, заключенные в рассматриваемом объёме, пройдут через поперечное сечение 2. Поэтому сила тока равна:
В СИ единицей силы тока является ампер (А).
Эта единица установлена на основе магнитного взаимодействия токов.
Измеряют силу тока амперметрами . Принцип устройства этих приборов основан на магнитном действии тока.
Скорость упорядоченного движения электронов в проводнике.
Найдём скорость упорядоченного перемещения электронов в металлическом проводнике. Согласно формуле (15.2) где е - модуль заряда электрона.
Пусть, например, сила тока I = 1 А, а площадь поперечного сечения проводника S = 10 -6 м 2 . Модуль заряда электрона е = 1,6 10 -19 Кл. Число электронов в 1 м 3 меди равно числу атомов в этом объёме, так как один из валентных электронов каждого атома меди является свободным. Это число есть n ≈ 8,5 10 28 м -3 (это число можно определить, если решить задачу 6 из § 54). Следовательно,
Как видите, скорость упорядоченного перемещения электронов очень мала. Она во много раз меньше скорости теплового движения электронов в металле.
Условия, необходимые для существования электрического тока.
Для возникновения и существования постоянного электрического тока в веществе необходимо наличие свободных заряженных частиц.
Однако этого ещё недостаточно для возникновения тока.
Для создания и поддержания упорядоченного движения заряженных частиц необходима сила, действующая на них в определённом направлении.
Если эта сила перестанет действовать, то упорядоченное движение заряженных частиц прекратится из-за столкновений с ионами кристаллической решётки металлов или нейтральными молекулами электролитов и электроны будут двигаться беспорядочно.
На заряженные частицы, как мы знаем, действует электрическое поле с силой:
Обычно именно электрическое поле внутри проводника служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.
Только в статическом случае, когда заряды покоятся, электрическое поле внутри проводника равно нулю.
Если внутри проводника имеется электрическое поле, то между концами проводника в соответствии с формулой (14.21) существует разность потенциалов. Как показал эксперимент, когда разность потенциалов не меняется во времени, в проводнике устанавливается постоянный электрический ток . Вдоль проводника потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального на другом, так как положительный заряд под действием сил поля перемещается в сторону убывания потенциала.
