В природе существует два основных вида материалов, проводящие ток и не проводящие (диэлектрики). Отличаются эти материалы наличием условий для перемещения в них электрического тока (электронов).
Из токопроводящих материалов (медь, алюминий, графит, и многие другие), делают электрические проводники, в них электроны не связаны и могут свободно перемещаться.
В диэлектриках электроны привязаны к атомам намертво, поэтому ток в них течь не может. Из них делают изоляцию для проводов, детали электроприборов.
Для того чтобы электроны начали перемещаться в проводнике (по участку цепи пошел ток), им нужно создать условия. Для этого в начале участка цепи должен быть избыток электронов, а в конце – недостаток. Для создания таких условий используют источники напряжения – аккумуляторы, батарейки, электростанции.
В 1827 году Георг Симон Ом открыл закон силы электрического тока. Его именем назвали Закон и единицу измерения величины сопротивления. Смысл закона в следующем.
Чем толще труба и больше давление воды в водопроводе (с увеличением диаметра трубы уменьшается сопротивление воде) – тем больше потечет воды. Если представить, что вода это электроны (электрический ток), то, чем толще провод и больше напряжение (с увеличением сечения провода уменьшается сопротивление току) – тем больший ток будет протекать по участку цепи.
Сила тока, протекающая по электрической цепи, прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна величине сопротивления цепи.
Где I – сила тока, измеряется в амперах и обозначается буквой А ; U В ; R – сопротивление, измеряется в омах и обозначается Oм .
Если известны напряжение питания U и сопротивление электроприбора R , то с помощью выше приведенной формулы, воспользовавшись онлайн калькулятором, легко определить силу протекающего по цепи тока I .
С помощью закона Ома рассчитываются электрические параметры электропроводки, нагревательных элементов, всех радиоэлементов современной электронной аппаратуры, будь то компьютер, телевизор или сотовый телефон.
Применение закона Ома на практике
На практике часто приходится определять не силу тока I , а величину сопротивления R . Преобразовав формулу Закона Ома, можно рассчитать величину сопротивления R , зная протекающий ток I и величину напряжения U .
Величину сопротивления может понадобится рассчитать, например, при изготовлении блока нагрузок для проверки блока питания компьютера. На корпусе блока питания компьютера обычно есть табличка, в которой приведен максимальный ток нагрузки по каждому напряжению. Достаточно в поля калькулятора ввести данные величины напряжения и максимальный ток нагрузки и в результате вычисления получим величину сопротивления нагрузки для данного напряжения. Например, для напряжения +5 В при максимальной величине тока 20 А, сопротивление нагрузки составит 0,25 Ом.
Формула Закона Джоуля-Ленца
Величину резистора для изготовления блока нагрузки для блока питания компьютера мы рассчитали, но нужно еще определить какой резистор должен быть мощности? Тут поможет другой закон физики, который, независимо друг от друга открыли одновременно два ученых физика. В 1841 году Джеймс Джоуль, а в 1842 году Эмиль Ленц. Этот закон и назвали в их честь – Закон Джоуля-Ленца .
Потребляемая нагрузкой мощность прямо пропорциональна приложенной величине напряжения и протекающей силе тока. Другими словами, при изменении величины напряжения и тока будет пропорционально будет изменяться и потребляемая мощность.
где
P
– мощность, измеряется в ваттах и обозначается Вт
;
U
– напряжение, измеряется в вольтах и обозначается буквой В
;
I
– сила ток, измеряется в амперах и обозначается буквой А
.
Зная напряжения питания и силу тока, потребляемую электроприбором, можно по формуле определить, какую он потребляет мощность. Достаточно ввести данные в окошки ниже приведенного онлайн калькулятора.
Закон Джоуля-Ленца позволяет также узнать силу тока, потребляемую электроприбором зная его мощность и напряжение питания. Величина потребляемого тока необходима, например, для выбора сечения провода при прокладке электропроводки или для расчета номинала .
Например, рассчитаем потребляемый ток стиральной машины. По паспорту потребляемая мощность составляет 2200 Вт, напряжение в бытовой электросети составляет 220 В. Подставляем данные в окошки калькулятора, получаем, что стиральная машина потребляет ток величиной 10 А.
Еще один пример, Вы решили в автомобиле установить дополнительную фару или усилитель звука. Зная потребляемую мощность устанавливаемого электроприбора легко рассчитать потребляемый ток и правильно подобрать сечение провода для подключения к электропроводке автомобиля. Допустим, дополнительная фара потребляет мощность 100 Вт (мощность установленной в фару лампочки), бортовое напряжение сети автомобиля 12 В. Подставляем значения мощности и напряжения в окошки калькулятора, получаем, что величина потребляемого тока составит 8,33 А.
Разобравшись всего в двух простейших формулах, Вы легко сможете рассчитать текущие по проводам токи, потребляемую мощность любых электроприборов – практически начнете разбираться в основах электротехники.
Преобразованные формулы Закона Ома и Джоуля-Ленца
Встретил в Интернете картинку в виде круглой таблички, в которой удачно размещены формулы Закона Ома и Джоуля-Ленца и варианты математического преобразования формул. Табличка представляет собой несвязанные между собой четыре сектора и очень удобна для практического применения
По таблице легко выбрать формулу для расчета требуемого параметра электрической цепи по двум другим известным. Например, нужно определить ток потребления изделием по известной мощности и напряжению питающей сети. По таблице в секторе тока видим, что для расчета подойдет формула I=P/U.
А если понадобится определить напряжение питающей сети U по величине потребляемой мощности P и величине тока I, то можно воспользоваться формулой левого нижнего сектора, подойдет формула U=P/I.
Подставляемые в формулы величины должны быть выражены в амперах, вольтах, ваттах или Омах.
Наверное, каждый хотя бы раз в жизни ощущал на себе действие тока . Обыкновенная батарейка едва ощутимо пощипывает, если приложить ее к языку. Ток в квартирной розетке довольно сильно бьет, если коснуться оголенных проводов. А вот электрический стул и линии электропередач могут лишить жизни.
Во всех случаях мы говорим о действии электрического тока . Чем же так отличается один ток от другого, что разница в его воздействии столь существенна? Очевидно, есть некая количественная характеристика, которой можно объяснить такое различие. Ток, как известно, это передвигающиеся по проводнику электроны. Можно предположить, что чем больше через сечение проводника пробежит электронов, тем большее действие произведет ток.
Формула силы тока
Для того, чтобы охарактеризовать заряд, проходящий через проводник, ввели физическую величину, называемую силой электрического тока. Сила тока в проводнике - это количество электричества, проходящего через поперечное сечение проводника за единицу времени. Сила тока равна отношению электрического заряда ко времени его прохождения. Для расчета силы тока применяют формулу:
где I- сила тока,
q - электрический заряд,
t - время.
За единицу силы тока в цепи принят 1 Ампер (1 А) в честь французского ученого Андре Ампера. На практике часто применяют кратные единицы: миллиамперы, микроамперы и килоамперы.
Измерение силы тока амперметром
Для измерения силы тока применяют амперметры. Амперметры бывают различными в зависимости от того, для каких измерений они рассчитаны. Соответственно, шкалу прибора градуируют в требуемых величинах. Амперметр подключается в любом месте сети последовательно. Место подключения амперметра не имеет значения, так как количество электричества, проходящее через цепь, в любом месте будет одинаково. Электроны не могут скапливаться в каких-либо местах цепи, они текут равномерно по всем проводам и элементам. При подключении амперметра до и после нагрузки он покажет одинаковые значения.
Первые ученые, исследовавшие электричество, не имели приборов дл измерения силы тока и величины заряда. Они проверяли наличие тока собственными ощущениями, пропуская его через свое тело. Довольно неприятный способ. На то время силы токов, с которыми они работали, были не очень велики, поэтому большинство исследователей отделывались лишь неприятными ощущениями. Однако, в наше время даже в быту, не говоря уже про промышленность, используются токи очень больших значений.
Следует знать, что для человеческого организма безопасной признана величина силы тока до 1 мА. Величина тока больше 100 мА может привести к серьезным повреждениям организма. Величина тока в несколько ампер может убить человека. При этом еще нужно учитывать индивидуальную восприимчивость организма, которая различна у каждого человека. Поэтому следует помнить о главном требовании при эксплуатации электроприборов - безопасность.
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 -7 Н . 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: [U ] = 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)
Для подбора кабеля, сечения проводов, выключателей защиты, следует вычислить силу тока. Проводка, автоматы с неверно подобранными показателями опасны: может случиться замыкание и пожар.
Говоря об электроприборах, сети, прежде всего упоминают о напряжении. Его величина указывается в вольтах (В), обозначается U. Показатель напряжения зависит от нескольких факторов:
- материала проводки;
- сопротивления прибора;
- температуры.
Один из главных показателей электричества - напряжение
Различают виды напряжения – постоянное и переменное. Постоянное, если на один конец цепи поступает отрицательный потенциал, на другой – положительный. Самый доступный пример постоянного напряжения – батарейка. Нагрузку подключают, соблюдая полярность, иначе можно повредить устройство. Постоянный ток невозможно без потерь передать на значительные расстояния.
Переменный ток возникает, когда постоянно меняется его полярность. Количество изменений называют частотой, измеряется в герцах. Переменные напряжения возможно передавать очень далеко. Используют экономически выгодные трехфазные сети: в них минимальные потери электроэнергии. Они выполнены четырьмя проводами: три фазных и нулевой. Если посмотреть на линию электропередач, увидим 4 провода между столбами. От них к дому подводят два – фазный ток 220 В. Если подключить 4 провода, потребитель получит линейный ток 380 В.
Характеристика электричества не ограничивается напряжением. Важна сила тока в амперах (А), обозначение – латинская I. В любом месте цепи она одинакова. Для измерения служат амперметр, миллиамперметр, мультиметр. Ток бывает очень большой, тысячи ампер, и маленький – миллионные части ампер. Малую силу измеряют миллиамперами.
Амперметр служит для измерения силы тока
Движение электричества по любому материалу вызывает сопротивление. Оно выражается омами (Ом), обозначается R или r. Сопротивление зависимо от сечения и материала проводника. Чтобы охарактеризовать сопротивление разных материалов, употребляется термин удельное сопротивление. Медь характеризуется меньшим сопротивлением, чем алюминий: 0,017 и 0,03 Ом соответственно. У короткого провода сопротивление меньше, чем у длинного. Толстый провод отличается от толстого меньшим сопротивлением.
Характеристика любого прибора содержит указания мощности (ватты (В) или киловатты (кВт). Мощность обозначают P, зависит от напряжения и тока. Из-за сопротивления проводки энергия частично теряется – от источника требуется ток больше необходимого.
Как рассчитать силу тока по закону Ома
При двух известных величинах всегда можно найти третью. Для вычислений наиболее часто пользуются законом Ома с тремя величинами: силой тока, напряженим, сопротивлением: I=U/R.
Он применяется для цепи с нагрузкой из ТЭНов, лампочек, резисторов, имеющих активное сопротивление.
Если имеются катушки, конденсаторы, это уже реактивное сопротивление, обозначают X. Катушки создают индуктивное (XL), конденсаторы – емкостное сопротивление (XC). Сила тока рассчитывается с применением формулы, в основе которой также закон Ома: I=U/X.
Прежде определяют индуктивное и емкостное сопротивления, они вместе составляют реактивное сопротивление (C+L).
Индуктивное вычисляется: XC=1/2πfC. Для расчета емкостного используем формулу XL=2πfL.
Прокладывая электропроводку, предварительно следует узнать силу тока. Ошибки чреваты неприятностями – проводка, розетки плавятся. Если он фактически превышает расчетный, проводка нагревается, плавится, происходит обрыв или замыкание. Ее приходится менять, но это не самое неприятное – возможен и пожар.
При монтаже проводки необходимо знать силу тока
Ток сети для практических потребностей находят, зная мощность приборов: I=P/U, где P – мощность потребителя. В реальности учитывается коэффициент мощности – cos φ. Для однофазной сети: I = P/(U∙cos φ),
трехфазной – I = P/(1,73∙U∙cos φ).
Для одной фазы U принимают 220, для трех – 380. Коэффициент большинства приборов 0,95. Если подключают электродвигатель, сварку, дроссель, коэффициент 0,8. Подставляя 0,95, для однофазной сети выходит:
I = P/209, трехфазной – I = P/624. Если коэффициент 0,8, для двух проводов: I = P/176, для четырех: I = P/526.
Трехфазный ток меньше втрое, нагрузка распределяется поровну между фазами. Подсчитывая нагрузку, предусматривают запас 5%, для двигателей, сварочных агрегатов – 20%.
Приборы иногда используют одновременно. Чтобы вычислить нагрузку, суммируют токи устройств. Подход возможен, если они имеют схожий коэффициент мощности. Для потребителей с разными коэффициентами используют средний показатель. Иногда к трехфазной системе подключают однофазные и трехфазные изделия. Вычисляя ток, складывают все нагрузки.
Ток, протекающий по проводке, нагревает ее. Степень нагрева зависит от его силы и сечения проводки. Правильно подобранный греется несильно. Если ток имеет большую силу, проводка недостаточное сечение, она сильно нагревается, изоляция плавится, возможен пожар. Для правильного подбора сечения пользуются таблицами ПУЭ.
Сечение провода и сила тока определяют степень нагрева проводки
Предположим, требуется подключить электрокотел 5 кВт. Используем медный трехжильный кабель в рукаве. Проводим вычисления: 5000/220 = 22,7. Подходящее значение в таблице 27 А, сечение 4 мм2, диаметр – 2,3 мм. Сечение всегда выбирают с небольшим запасом для полной гарантии. Теперь есть уверенность, что провода не перегреются, не загорятся.
Для защиты сети пользуются плавкими предохранителями. Они работают так, что при некоторой силе тока предохранитель плавится и разрывает цепь. Поэтому гвоздь или первый попавшийся медный провод вместо предохранителя использовать нельзя, когда-нибудь это приведет к серьезным проблемам. Если нужного предохранителя нет, используют медный провод подходящего диаметра, пользуясь таблицей.
Плавкие предохранители постепенно уходят, им на смену пришли автоматические выключатели. Выбрать их не так просто, как кажется. Допустим, проводка рассчитана на 22 А, ближайший автомат на 25 А. Значит, ставить его? Оказывается, нет. Обозначение С25 вовсе не значит, что при 26 амперах он разорвет цепь. Даже если нагрузка превысит значение в полтора раза, он моментально не отключит сеть. Нагреется и сработает минуты через две.
Ставить нужно автомат меньшего номинала. Ближайший – С16. Он может отключить сеть при 17 А и при 24, и никто не скажет, сколько времени пройдет. На срабатывание влияет много факторов. Устройство имеет две защиты – электромагнитную и тепловую. Электромагнитная защита отключает сеть за 0,2 секунды при значительной перегрузке.
Следует выбирать автомат, срабатывающий при возможно меньшей силе тока.
Еще один вид устройств отключения – УЗО. Он лишен тепловой и электромагнитной защиты. Указанный номинал служит, чтобы определять ток, который выдержит УЗО без повреждений. Так что логично после УЗО поставить автомат на максимальный ток. Существуют приборы защиты, представляющие симбиоз автомата с УЗО – дифавтоматы.
Электрический ток представляет собой направленное движение электрических зарядов. Величина тока определяется количеством электричества, проходящего через поперечное сечение проводника в единицу времени.
Одним количеством электричества, проходящим по проводнику, мы еще не можем полностью охарактеризовать электрический ток. Действительно, количество электричества, равное одному кулону, может проходить по проводнику в течение одного часа, и тоже самое количество электричества может быть пропущено по нему в течение одной секунды.
Интенсивность электрического тока ко втором случае будет значительно больше, чем в первом, так как то же самое количество электричества проходит в значительно меньший промежуток времени. Для характеристики интенсивности электрического тока количество электричества, проходящее по проводнику, принято относить к единице времени (секунде). Количество электричества, проходящее по проводнику в одну секунду, называется силой тока. В качестве единицы силы тока в системе принят ампер (а).
Сила тока - количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в одну секунду.
Сила тока обозначается английской буквой I
.
Ампер
- единица силы электрического тока (одна из ),
обозначается А. 1 А равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины
и ничтожно малой площади кругового
сечения, расположенным на расстоянии
1 м один от другого в вакууме, вызвал бы
на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 10 –7 Н на каждый метр длины.
Сила тока в проводнике равна одному амперу, если ежесекундно через поперечное сечение его проходит один кулон электричества.
Ампер - сила электрического тока, при котором через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит количество электричества, равное одному кулону: 1 ампер = 1 кулон/1 секунду.
Часто применяют вспомогательные единицы: 1 миллиампер (ма) = 1/1000 ампер = 10 -3 ампер, 1 микроампер (мка) = 1/1000000 ампер = 10 -6 ампер.
Если известно количество электричества, прошедшее через сечение проводника за некоторый промежуток времени, то силу тока можно найти по формуле: I=q/t
Если в замкнутой цепи не имеющей разветвлений, проходит электрический ток, то через любое поперечное сечение (в любом месте цепи) проходит в секунду одно и тоже количество электричества, независимо от толщины проводников. Это объясняется тем, что заряды не могут накапливаться в каком-нибудь месте проводника. Следовательно, сила тока в любом месте электрической цепи одинакова.
В сложных электрических цепях с различными ответвлениями это правило (постоянство тока во всех точках замкнутой цепи) остается, конечно, справедливым, но оно относится только к отдельным участкам общей цепи, которые могут рассматриваться как простые.
Измерение силы тока
Для измерения силы тока служит прибор, который называется амперметром. Для измерения очень малых сил тока применяются миллиамперметры и микроамперметры, или гальванометры. На рис. 1. показано условное графическое изображение амперметра и миллиамперметра на электрических схемах.
Рис. 1. Условные обозначения амперметра и миллиамперметра
Рис. 2. Амперметр
Для того, чтобы измерит силу тока нужно включить амперметр в разрыв цепи (см. рис. 3). Измеряемый ток проходит от источника через амперметр и приемник. Стрелка амперметра показывает силу тока в цепи. Где именно включить амперметр, т. е. до потребителя (считая ) или после него, совершенно безразлично, так как сила тока в простой замкнутой цепи (без разветвлений) будет одинакова во всех точках цепи.
Рис. 3. Включение амперметра
Иногда ошибочно считают, что амперметр, включенный до потребителя, будет показывать большую силу тока, чем включенный после потребителя. В этом случае считают, что «часть тока» тратится в потребителе для приведения его в действие. Это, конечно, неверно, и вот почему.
Электрический ток в металлическом проводнике представляет собой электромагнитный процесс, сопровождаемый упорядоченным движением электронов по проводнику. Однако энергия переносится не электронами, а электромагнитным полем, окружающим проводник.
Через любое поперечное сечение проводников простой электрической цепи проходит в точности одно и то же количество электронов. Какое количество электронов вышло от одного полюса источника электрической энергии, такое же количество их пройдет через потребитель и, конечно, поступит к другому полюсу, источника, ибо электроны как материальные частички израсходоваться при своем движении не могут.
Рис. 4. Измерение силы тока с помощью мультиметра
В технике встречаются очень большие силы тока (тысячи ампер) и очень маленькие (миллионные доли ампера). Например, сила тока электрической плитки примерно 4 - 5 ампер, лампы накаливания - от 0,3 до 4 ампер (и больше). Ток, проходящий через фотоэлементы, составляет всего несколько микроампер. В главных проводах подстанций, дающих электроэнергию для трамвайной сети, сила тока достигает тысяч ампер.
