1 сила тока определение. Сила тока и напряжение: что это и в чем разница

Господа, всем привет!

Сегодня речь пойдет о таком фундаментальном понятии физики вообще и электроники в частности, как сила тока . Каждый из вас, наверняка, не раз слышал этот термин. Сегодня мы постараемся разобраться в нем чуть получше.

Сегодня речь в первую очередь пойдет о постоянном токе . То есть о таком, величина которого все время постоянна по силе и по направлению. Уважаемые господа зануды могут начать докапываться - а что значит "все время"? Нет такого термина. На это можно ответить, что величина тока не должна меняться на протяжении всего времени наблюдения.

Итак, ток. Сила тока. Что же это такое? Все достаточно просто. Током называется направленное движение заряженных частиц. Заметьте, господа, именно направленное . Беспорядочное - тепловое - движение, от которого носятся туда-сюда электроны в металле или ионы в жидкости/газе нас мало интересует. А вот если на это беспорядочное движение наложить перемещение всех частиц в одну сторону - так это совсем иной коленкор.

Какие могут быть заряженные частицы? А вообще, пофиг какие, без разницы. Положительные ионы, отрицательные ионы, электроны - значение не имеет. Если мы имеем направленное движение этих уважаемых товарищей - значит, имеет место быть электрический ток.

Очевидно, ток имеет какое-либо направление. За направление тока принято принимать движение положительных частиц. То есть, хоть электроны и бегут от минуса к плюсу, считается, что направление тока в этом случае обратное - от плюса к минусу. Вот так вот все закручено. Что поделаешь - дань традиции.

Схематичное изображение проводника с током приведено на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схематичное изображение проводника с током

Представим себе облако с комарами. Да, знаю, мерзкие существа, а уж облако - вообще жуть какая-то. Но все же, подавив отвращением, попытаемся их вообразить. Так вот, в этом облаке каждый мерзкий комар летает сам по себе. Это беспорядочное движение. А теперь представим себе спасительный ветерок. Он уносит одновременно всю эту комариную орду в одну сторону, будем надеяться, от нас. Это направленное движение. Заменив комаров на электроны, а ветерок - на некую таинственную движущую силу получим в общем-то некую аналогию с электрическим током.

Чаще всего имеет место быть ток, вызванный движением электронов. Да, друзья, во всей нашей жизни нас окружают бедные электрончики, вынужденные направленно, можно сказать строем, перемещаться под действием принуждающей силы. Они бегут по проводам линий электропередач, во всех наших розетках, во всех наших умных девайсах - компах, ноутах, смартфонах и работают просто как папа Карло, чтобы облегчить нашу нелегкую жизнь и наполнить ее приятностями.

Комары - комарами, это все круто, но настало время формальных определений.

Итак, господа, сила тока - это отношение заряда Δq , который переносится через некоторое сечение проводника S за время ∆t. Измеряется сила тока, как многие уже знают, в Амперах. Итак - ток в проводнике равен 1 Амперу, если через этот проводник проходит 1 Кулон за 1 секунду.

«Отлично!» - воскликнет уважаемый читатель. И что мне делать с этой формулой?!! Ну время ладно, у меня секундомер в айфоне есть, я засеку. А с зарядом как быть? Мне что, считать количество электронов в проводе и потом умножать на заряд одного электрона, благо это величина известная, чтобы определить ток?!

Спокойствие, господа! Все будет. Не спешите. Пока просто запомните, что была какая-то такая формулка. Потом окажется, что с ее помощью можно считать некоторые крутые вещи типа заряда конденсаторов и еще много чего.

Ну а пока… Пока можете взять амперметр, померить ток в цепи с лампочкой и узнать, какой заряд протекает каждую секунду через сечение проводника q = I·t = I·1c= I .

Да, каждую секунду через сечение проводника протекает заряд, равный силе тока в нем. Можете теперь умножить эту величину на заряд электрона (для тек кто забыл напоминаю, что он равен) и узнать, сколько электронов бежит в цепи. Может возникнуть ворос - нафига? Ответ автора - просто так, ради интереса. Практической пользы вы вряд ли из этого выжмите. Если только порадуете своего учителя. Задачка эта чисто академическая.

Может возникнуть вопрос - а как амперметр меряет ток? Он что, считает электроны? Конечно, нет, господа. Здесь мы имеем косвенные измерения. Они основаны на магнитном действии тока в дедовских аналоговых стрелочных амперметрах или на законе ома - путем преобразования протекающего тока через известное сопротивление в напряжение и последующей его обработкой - во всех современных мультиметрах. Но об этом чуть позже.

Сейчас я приведу этот расчет. Он довольно прост и должен перевариться даже гуманитариями. Если же у вас индивидуальная непереносимость матана, что ж, можете просто глянуть на результат.

Вспомним про наш заряд ∆q , которые проходит за время ∆t через сечение проводника ∆S про который мы говорили чуть выше. Как истинные математики, усложним его до безобразия, чтобы только после напряжения мозга было понятно, что мы написали тождество.

Господа, чесслово, никакого обмана. e − заряд электрона, n − концентрация электронов, то есть число штук в одном кубическом метре, v − скорость движения электронов. Очевидно, что v∙∆t∙∆S − это по сути объем, который пройдут элеткроны. Концентрацию множим на объем - получаем штуки, сколько штук электронов прошло. Штуки множим на заряд одного электрона - получаем общий заряд, прошедший через сечение. Я ж говорил, что все честно!

Введем понятие плотности тока. Зануды, которые уже что-то читали про это, сейчас воскликнут - ага, это векторная величина! Не спорю, господа, векторная. Но мы, для упрощения и без того нелегкой жизни, будем считать, что направление вектора плотности тока совпадает с осью проводника, что и бывает в большинстве случаем. Поэтому векторы сразу становятся скалярами. Грубо говоря, плотность тока - это сколько ампер приходится на один квадратный метр сечения проводника. Очевидно, для этого надо разделить силу тока на площадь. Имеем

Теперь, надеюсь, понятно, зачем мы так преобразовывали формулу? Чтобы сократить кучу всего!

Помним главное - мы ищем скорость. Выражаем ее:

Все бы хорошо, но концентрацию мы пока не знаем. Вспоминаем химию. Там была такая формулка

Где ρ=8900 кг/м 3 - плотность меди, N A =6·10 23 число Авогадро, M=0,0635 кг/моль - молярная масса.

Господа, надеюсь не будет необходимости объяснять, откуда эта формула взялась. С химией я не очень дружу, честно. Хоть я все 11 лет проучился в школе с углубленным изучением химии, однако, в 8 классе я поступил в физико-математический класс, увлекся физикой, в особенности той ее частью, где рассказывается про электричество, а на химию, можно сказать, подзабил. Собственно, глубоко нас ее и не спрашивали, мы были физматиками . Однако, если вдруг-внезапно все-таки возникнет необходимость, я-таки готов углубиться в эти химические дебри и рассказать вам что здесь к чему.

Таким образом, скорость движения электронов в проводнике с током равна

Подставим конкретные числа. Зададимся для определенностью плотностью тока в 5 А/мм 2 .

Все остальные числа у нас уже есть. Может возникнуть вопрос - а почему именно 5 А/мм 2 .

Все просто, господа. Люди не в первый год занимаются электроникой. Накоплен некоторый опыт в этой сфере, или, выражаясь языком науки, эмпирические данные. Так вот, эти эмпирические данные гласят, что допустимая плотность тока в медных проводах составляет, обычно 5-10 А/мм 2 . При большей плотности тока возможен недопустимый перегрев проводника. Однако, для дорожек на печатной плате эта величина значительно больше и составляет 20 А/мм 2 и даже более. Впрочем, это тема уже совсем другой беседы. Вернемся к нашей задаче, а именно, к вычислению скорости электронов в проводнике. Подставляя числа, получаем, что

Господа, расчет неопровержимо показывает, что электроны в проводнике с током движутся всего лишь со скоростью 0,37 миллиметра в секунду! Очень медленно. Правда следует помнить, что это не тепловое движение, а именно направленное. Тепловое движение намного, намного больше, порядка 100 км/с. Резонный вопрос - а почему же свет вспыхивает мгновенно, когда я поворачиваю выключатель? А помните, я говорил про некоторую принуждающую силу? Дело в ней! Но об этом - в следующей статье. Огромной вам всем удачи, и до новых встреч!

Вступайте в нашу

2. Напряженность поля точечного заряда. Заряд, распределенный по объему, поверхности, линии

3. Принцип суперпозиции. Электрическое поле диполя

4. Силовые линии. Поток вектора напряженности электростатического поля. Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме

5. Теорема Гаусса. Применение теоремы Гаусса для расчета электростатических полей

6. Работа электростатического поля по перемещению заряда. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Потенциальный характер электростатического поля.

7. Потенциал электростатического поля. Потенциал поля точечного заряда. Разность потенциалов

8. Связь напряженности и потенциала электростатического поля. Эквипотенциальные поверхности и линии напряженности

9. Связь напряженности и потенциала электростатического поля. Примеры расчета разности потенциалов между точками поля по его напряженности.

10. Диэлектрики в диэлектрическом поле. Поляризация диэлектриков и ее типы. Вектор поляризации. Относительная диэлектрическая проницаемость и диэлектрическая восприимчивость

11. Вектор электрического смещения. Теорема Гаусса для диэлектриков

12. Сегнетоэлектрики и их применение

13. Проводники в электростатическом поле. Распределение зарядов в проводниках. Электроемкость уединенного проводника

14. Конденсаторы. Электроемкость. Соединение конденсаторов

15. Энергия проводника и конденсатора. Энергия электростатического поля

16. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока

19. Обобщенный закон Ома

21. Закон Био-Савра-Лапласа

22. Действие магнитного поля на проводник с током

23.Циркуляция вектора индукции магнитного поля

28.Движение заряженных частиц в магнитном поле

29. Магнитные моменты электронов и атомов

30. Диамагнетики и парамагнетики. Ферромагнетики и их свойства.

31.Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея

32.Самоиндукция. Индуктивность

33.Энергия магнитного поля, объемная плотность энергии

34.Уравнения Максвелла для электромагнитного поля

16. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока

Электрический ток - направленное движение электрически заряженных частиц под воздействием электрического поля.

Сила тока (I) - скалярная величина, равная отношению заряда (q), прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени (t), в течение которого шёл ток.

I=q/t, где I- сила тока, q - заряд, t - время.

Единица измерения силы тока в системе СИ: [I]=1A (ампер)

17. Источники тока. Эдс источника

Источник тока - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.

ЭДС - энергетическая характеристика источника. Это физическая величина, равная отношению работы, совершенной сторонни­ми силами при перемещении электрического заряда по замкнутой цепи, к этому заряду:

Измеряется в вольтах (В).

Источник ЭДС - двухполюсник, напряжение на зажимах которого не зависит от тока, протекающего через источник и равно его ЭДС. ЭДС источника может быть задана либо постоянным, либо как функция времени, либо как функция от внешнего управляющего воздействия.

18. Закон Ома : сила тока, текущего по однородному участку проводника, прямо пропорциональна падению напряжения на проводнике:

-закон Ома в интегральной форме R – электрическое сопротивление проводника

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью. Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной проводимостью: Единица, обратная Ом, называется Сименсом [См].

- закон Ома в дифференциальной форме.

19. Обобщенный закон Ома

Обобщенный закон Ома определяет связь между основными электрическими величинами на участке цепи постоянного тока, содержащем резистор и идеальный источник ЭДС (рис.1.2):

Формула справедлива для указанных на рис.1.2 положительных направлений падения напряжения на участке цепи (Uab ), идеального источника ЭДС (Е ) и положительного направления тока (I ).

Закон Джоуля-Ленца

Выражение закона Джоуля - Ленца

Интегральная форма закона

Если принять, что сила тока и сопротивление проводника не меняется в течение времени, то закон Джоуля - Ленца можно записать в упрощенном виде:

Применив закон Ома и алгебраические преобразования, получаем приведенные ниже эквивалентные формулы:

Эквивалентные выражения теплоты согласно закона Ома

Словесное определение закона Джоуля - Ленца

Если принять, что сила тока и сопротивление проводника не меняется в течение времени, то закон Джоуля - Ленца можно записать в упрощенном виде:

20. Магни́тное по́ле - силовое поле, действующее на движущиесяэлектрические заряды и на тела, обладающиемагнитным моментом, независимо от состояния ихдвижения; магнитная составляющаяэлектромагнитного поля

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/илимагнитными моментамиэлектроноватомах (и магнитными моментами другихчастиц, что обычно проявляется в существенно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно возникает в результате изменения во времени электрического поля.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля). С математической точки зрения- векторное поле, определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).

Ещё одной фундаментальной характеристикой магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал .

Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле , проявлениями которого являются, в частности свет и все другие электромагнитные волны .

Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц или изменяющимся во времени электрическим полем , или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам)

Графическое изображение магнитных полей

Для графического изображения магнитных полей используются линии магнитной индукции. Линия магнитной индукции –это линия, в каждой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.

В электротехнике принято считать, что простая цепь – это цепь, которая сводится к цепи с одним источником и одним эквивалентным сопротивлением. Свернуть цепь можно с помощью эквивалентных преобразований последовательного, параллельного и смешанного соединений. Исключением служат цепи, содержащие более сложные соединения звездой и треугольником. Расчет цепей постоянного тока производится с помощью закона Ома и Кирхгофа.

Пример 1

Два резистора подключены к источнику постоянного напряжения 50 В, с внутренним сопротивлением r = 0,5 Ом. Сопротивления резисторов R 1 = 20 и R 2 = 32 Ом. Определить ток в цепи и напряжения на резисторах.

Так как резисторы подключены последовательно, эквивалентное сопротивление будет равно их сумме. Зная его, воспользуемся законом Ома для полной цепи, чтобы найти ток в цепи.

Теперь зная ток в цепи, можно определить падения напряжений на каждом из резисторов.

Проверить правильность решения можно несколькими способами. Например, с помощью закона Кирхгофа, который гласит, что сумма ЭДС в контуре равна сумме напряжений в нем.

Но с помощью закона Кирхгофа удобно проверять простые цепи, имеющие один контур. Более удобным способом проверки является баланс мощностей .

В цепи должен соблюдаться баланс мощностей, то есть энергия отданная источниками должна быть равна энергии полученной приемниками.

Мощность источника определяется как произведение ЭДС на ток, а мощность полученная приемником как произведение падения напряжения на ток.

Преимущество проверки балансом мощностей в том, что не нужно составлять сложных громоздких уравнений на основании законов Кирхгофа, достаточно знать ЭДС, напряжения и токи в цепи.

Пример 2

Общий ток цепи, содержащей два соединенных параллельно резистора R 1 =70 Ом и R 2 =90 Ом, равен 500 мА. Определить токи в каждом из резисторов.

Два последовательно соединенных резистора ничто иное, как делитель тока . Определить токи, протекающие через каждый резистор можно с помощью формулы делителя, при этом напряжение в цепи нам не нужно знать, потребуется лишь общий ток и сопротивления резисторов.

Токи в резисторах

В данном случае удобно проверить задачу с помощью первого закона Кирхгофа, согласно которому сумма токов сходящихся, в узле равна нулю.

Если вы не помните формулу делителя тока, то можно решить задачу другим способом. Для этого необходимо найти напряжение в цепи, которое будет общим для обоих резисторов, так как соединение параллельное. Для того чтобы его найти, нужно сначала рассчитать сопротивление цепи

А затем напряжение

Зная напряжения, найдем токи, протекающие через резисторы

Как видите, токи получились теми же.

Пример 3

В электрической цепи, изображенной на схеме R 1 =50 Ом, R 2 =180 Ом, R 3 =220 Ом. Найти мощность, выделяемую на резисторе R 1 , ток через резистор R 2 , напряжение на резисторе R 3 , если известно, что напряжение на зажимах цепи 100 В.

Чтобы рассчитать мощность постоянного тока, выделяемую на резисторе R 1 , необходимо определить ток I 1 , который является общим для всей цепи. Зная напряжение на зажимах и эквивалентное сопротивление цепи, можно его найти.

Эквивалентное сопротивление и ток в цепи

Отсюда мощность, выделяемая на R 1

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 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 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 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 для многофазных систем и пр. Однако всех их объединяет единое правило - знаменитый закон Ома. Поэтому приведем его общий (универсальный) вид:

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).

Сила тока – это движение заряженных частиц в одном направлении. Найти силу тока можно на практике с использованием специальных приборов для измерения, а можно рассчитать с помощью уже выведенных готовых формул, если есть исходные данные.

Физическая величина, которая показывает заряд, что проходит за какую-то единицу времени через проводник, называется силой тока. Основная формула, согласно которой можно рассчитать эту силу: I = q/t. То есть отношение прошедшего через поперечное сечение заряда к интервалу времени, в течение которого шло электричество, равно искомой величине I.

Расшифровка обозначений:

• I – обозначение силы электричества, измеряется в Амперах (А) или 1 Кулон/секунду;
• q – заряд, идущий по проводнику, единица измерения Кулоны (Кл);
• t – интервал прохождения заряда, измеряется в секундах (с).

Электричество может быть постоянным – это ток, который содержит батарейка, или от которого поддерживается работа мобильного телефона, и переменным – то, что находится в розетке. Освещение помещений и работа всех электроприборов происходит именно переменным электричеством. Отличие переменного тока в том, что он легче поддается трансформации, нежели постоянный. Наглядный пример по работе переменного тока можно наблюдать при включении люминисцентных ламп: пока лампа включается, происходит движение заряженных частиц вперед – назад – вперед. В этом и есть основная суть переменного тока. По умолчанию речь идет об измерении именно этого вида электричества, так как он наиболее распространен в быту. В соответствии с законом Ома, силу тока можно рассчитать по формуле (для участка электрической цепи): I=U/R, согласно которой сила электричества прямо пропорциональна напряжению U, измеряемому в Вольтах, к участку цепи и обратно пропорциональна R-сопротивлению проводника этого участка, выраженному в Омах. Исходя из закона Ома, расчет силы электричества в полной цепи выглядит так: I = E/ R+r, где

• Е – электродвижущая сила, ЭДС, Вольт;
• R – внешнее сопротивление, Ом;
• r – внутреннее сопротивление, Ом.

Законы Ома применимы для вычисления постоянного тока, если же требуется узнать величину силы переменного электричества, то добытые значения следует поделить на корень из двух.

Основные способы определения силы тока с помощью систем приборов на практике:

• Магнитоэлектрический метод измерения, преимуществом которого является чувствительность и точность показаний, а также незначительное потребление энергии. Этот способ можно применять только для определения величины силы постоянного тока.
• Электромагнитный – это нахождение силы переменного и постоянного токов методом трансформации из электромагнитного поля в сигнал магнитомодульного датчика.
• Косвенный, с помощью вольтметра находится напряжение на определенном сопротивлении.

Чтобы найти силу тока на деле, чаще всего используют специальный прибор для этого – Амперметр. Это устройство включают в разрывы электрической цепи в необходимой точке измерения силы электрического заряда, прошедшего за какое-то время через сечение провода. Для нахождения величины силы малого электричества применяются миллиамперметры, микроамперметры и гальванометры, которые также подключаются к тому месту в цепи, где требуется узнать силу тока. Подключение может происходить двумя способами: последовательно и параллельно.

Определение силы потребляемого тока не так часто востребовано, как измерение сопротивления или напряжения, но без нахождения физической величины силы тока невозможен расчет потребляемой мощности.