Электрический ток — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Электрический ток. Сила тока. Сопротивление

К оглавлению…

В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:

Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным

. Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.

Средняя сила тока находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):

Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I₁ до значения I₂, то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:

Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:

При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой. Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:

где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.

Сопротивление проводника зависит и от его температуры:

где: R₀ – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.

Диод в цепи постоянного тока

Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:

Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.

 

Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников

К оглавлению…

Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением

R, пропорциональна напряжению U на концах проводника:

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами: последовательно и параллельно. У каждого способа есть свои закономерности.

1. Закономерности последовательного соединения:

Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено

n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R₀ находится по формуле:

2. Закономерности параллельного соединения:

Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R₀ находится по формуле:

Электроизмерительные приборы

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры

и амперметры.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R_B. Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением

R_A. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.

 

ЭДС. Закон Ома для полной цепи

К оглавлению…

Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются

сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы A

ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:

Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление

R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).

Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника):

Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.

Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания:

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением

r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

Несколько источников ЭДС в цепи

Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно, то:

1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:

Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.

2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:

В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.

При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:

В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.

 

Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

К оглавлению…

Работа A электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в теплоту Q, выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца. Мощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:

Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

 

Энергобаланс замкнутой цепи

К оглавлению…

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:

Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:

Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R₁ и R₂ на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:

Мощность потерь или мощность внутри источника тока:

Полная мощность, развиваемая источником тока:

КПД источника тока:

 

Электролиз

К оглавлению…

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Он может быть рассчитан по формуле:

где: n – валентность вещества, N_A – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:

 

Электрический ток в газах и в вакууме

К оглавлению…

Электрический ток в газах

В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов. Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов — электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов.

Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием — ионизатором. Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α-частиц. Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов — электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).

Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.

Электрический ток в вакууме

Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.

Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.

educon.by

формула формула мощности электрического тока

Электрический ток является физическим процессом. Если говорить упрощенно, то это упорядоченное движение заряженных частиц. Его протекание можно измерить и соответственно выразить в символьном и цифровом виде. Формула электрического тока, представляет собой выражение качественных и количественных параметров через сопротивление проводника, напряжение или разность потенциалов, а также через его силу. Так как любое перемещение чего-либо, подразумевает под собой совершение работы, то дополнительно можно вести разговор об электричестве используя формулу мощности электрического тока.

Основные понятия и формулы характеризующие электрический ток

Количественным параметром электрического тока является его сила, представляющая собой скалярную величину и выражающуюся в отношении заряда (принято обозначать буквой q) к периоду времени (t), за которое он пересекает сечение проводника. Следовательно, формула электрического тока, а если говорить правильно его сила, будет выглядеть следующим образом — I=q/t. Измеряется данный параметр в амперах. Так как скалярные величины являются действительными числами и определяются только значением, сила тока не может иметь отрицательный знак. С учетом того, что величина заряда не является постоянным параметром для разных электрических цепей, было введено понятие – плотность электрического тока (j), формула которой выглядят так – j=I/S, где S – площадь, пересекаемая зарядами. Следовательно, при увеличении силы тока и уменьшении поперечного сечения проводника плотность тока возрастает и наоборот. Как отмечалось выше, важными параметрами электричества, вернее электрической цепи являются напряжение в ней и сопротивление проводящих ток элементов.

Формула выражения силы электрического тока через сопротивление и напряжение

В отличие от фундаментальных исследований, в основе которых лежат теоретические выкладки данная зависимость была выведена практическим путем. Автором открытия является физик Ом, в честь которого закон и получил свое имя. По результатам своих опытов и экспериментов Ом пришел к выводу что сила тока (I) напрямую зависит от величины напряжения (U)и имеет обратную зависимость от сопротивления (R) элементов и деталей, включенных в электрическую цепь. Эту связь можно представить в виде – I=U/R. Путем несложных преобразований, формулы сопротивления и напряжения, выраженные через силу тока, будут выглядеть следующим образом – R=U/I и U=IxR, соответственно.

Формула силы электрического тока

Сопротивление электрического тока: формула
Формула напряжения электрического тока

Работа и мощность электрического тока

Формула мощности (Р) электрического тока напрямую зависит от его работы (А). Под работой тока подразумевается преобразование электрической энергии в механический, тепловой, световой или иной ее вид. Величина данного процесса напрямую зависит от времени его протекания, силы тока и напряжения в сети. Это можно выразить следующей формулой – А=IxUxt. Произведение (IxU) является ничем иным как мощностью. Следовательно, чем выше напряжение или сила тока в сети, тем большую мощность имеет электрический ток и большую работу он может совершить за единицу времени. Формула мощности электрического тока имеет следующий вид – Р=А/t или Р=IxU.

Работа электрического тока формула
Формула мощности электрического тока

Поэтому, если необходимо вычислить, какую работу производит ток, протекая по цепи в течение определенного времени, необходимо умножить мощность на временной промежуток, выраженный в секундах. Рассмотрим применение формул расчета работы и мощности электрического тока на примере электрического двигателя, подключенного к сети 220 В, а сила тока, измеренная амперметром для этого участка, составила 10А.

Р (мощность двигателя) = 10А (сила тока) х 220В (напряжение в сети) = 2200 Вт = 2,2 кВт.

Зная данный показатель, а также реальное или предполагаемое время функционирования электродвигателя можно определить какую работу он совершит за этот отрезок времени или другим словами сколько будет потрачено электроэнергии. Если двигатель был включен, например, 1 час, то можно найти искомое значение.

А (работа, совершенная двигателем) = 2,2 кВт (мощность) х 1 (время работы в часах) = 2,2 кВт ч. Именно этот показатель будет отражен на приборе учета расхода электроэнергии.

Исходя из того, что электрический ток является физическим процессом, то какой-либо его неизвестный параметр можно определить, зная его остальные характеристики. Приведем наиболее распространенные формулы для определения характеристик электрической цепи применяемые в электротехнике.

Напряжение или разность потенциалов

• U = RxI
• U = P/I
• U = (P*R)^1/2

Сила электрического тока

Сопротивление

• R = U / I
• R = U²/ P
• R = P / I²

Мощность

В заключение отметим, что приведенная информация справедлива для цепей с постоянным электрическим током. Формулы, применяемые для расчета характеристик переменного тока, будут отличаться за счет введения дополнительных переменных и характеристик свойственных данному типу электричества.

podvi.ru

физические формулы, использующие мощность и напряжение

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.

Физическое понятие 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.

Сила тока

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/мм².

По своему виду ток различают на следующие типы:

1. Переноса. Характеризуется движением зарядов, осуществляемым в свободном пространстве. Этот тип характерен для газоразрядных приборов.
2. Смещения. Возникает в диэлектриках и определяется упорядоченным перемещением связанных заряженных частиц.
3. Полный. Определяется суммарным значением тока: проводимости, переноса и смещения.
4. Постоянный. Это такой вид, который может изменять величину, но не изменяет направление движения, то есть свой знак.
5. Переменный. Такого вида ток может изменяться как по величине, так и по направлению (знаку).

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.

Разность потенциалов

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:

1. Мгновенное. Это значение физической величины, измеренное в конкретный момент времени: U = U (t). Для синусоидального сигнала мгновенное напряжение находится с помощью выражения U (t) = Ua sin (ὤt + φ).
2. Амплитудное. Характеризуется наибольшей величиной мгновенного значения без учёта знака: Ua = max (U (t)).
3. Среднее. Определяется за полный период сигнала по формуле Us = 1/T ʃ U (t)*dt. Для синусоидальной формы это значение равно нулю.

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

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:

1. Активная. Для её нахождения используется расчёт, учитывающий угол сдвига фаз φ. Находится согласно формуле P = U*I*cos φ.
2. Реактивная. Характеризуется нагрузками, создаваемыми электрическими устройствами в виде колебаний энергии электромагнитного поля. Её вычисление осуществляется по формуле P = U*I*sin φ.
3. Полная. Определяется произведением действующих значений тока и напряжения, связана с другими видами мощности выражением S= √(P ² +Q ²).

Закон Ома для цепи

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.

Практический расчёт

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.

Благодаря таким вычислениям можно рассчитать любой параметр электрической цепи, но это при учёте достаточного количества вводных данных.

220v.guru

Формула электрического тока, по какой формуле можно найти, вычислить силу тока.

 

 

 

Тема: как рассчитать силу тока, зная напряжение и сопротивления по закону Ома.

 

Электрический ток, это именно та сила, которая течет во всей электротехники заставляя ее работать. Но сводить все к простому течению электротока по электрическим цепям в схемах неразумно, должна быть какая-то мера, определенная величина этой силы тока. Ведь если в электрической схеме пойдет слишком большой ток по проводникам, которые на него не рассчитаны, то просто эта схема выгорит. Из школьных уроков мы помним, что существуют так называемые формулы, которые и позволяют вычислять конкретные неизвестные величины имея при этом известные.

 

Вот самая базовая, наиболее используемая формула тока, по которой и вычисляется эта самая сила тока. В ней всего лишь три электрических величины (базовые электрические величины) — ток, напряжение и сопротивление.

 

 

Итак, сила тока на схемах обычно обозначается большой английской буквой «I». Единицей измерения тока является «Ампер». Формула тока звучит следующим образом — электрический ток равен отношению напряжения (разности потенциалов) к сопротивлению. То есть, чтобы найти силу тока нам нужно просто напряжение разделить на сопротивление. Единицей измерения электрического напряжения является «Вольт», а сопротивления «Ом». Следовательно, известные вольты делим на известные омы и получаем ранее неизвестные амперы.

 

 

 

 

Эта же формула еще называется законом Ома. Она помогает найти из двух известных величин третью, которая неизвестна. Чтобы найти напряжение, то нужно силу тока перемножить на сопротивление, а для нахождения сопротивления нужно будет напряжение разделить на силу тока. Все достаточно просто. Данная формула тока подходит и для постоянного тока и для переменного, но именно с активным сопротивлением. То есть, по ней можно рассчитать те электрические цепи (участки цепей в схемах), которые содержать сопротивления в виде обычных нагревателей, резисторов, лампочек (не имеющих индуктивную и емкостную составляющую). Индуктивностью обладают все катушки, а емкостью обладают все конденсаторы (они уже имеют реактивное сопротивление и рассчитываются по другой формуле).

 

Если говорить о формуле тока, которая ближе к научной сфере, то она уже будет иметь вид немного другой. Электрический ток изначально выражается как отношение количества электрических зарядов ко времени их прохождения через проводник.

 

 

Электрический ток это упорядоченное движение электрических зарядов (в твердых телах это электроны, а в жидких и газообразных телах это ионы). Так вот ток, это непосредственное движение этих зарядов и, естественно, что он определяется их количеством и временем течения. Электрические заряды измеряются в «Кулонах», ну а время в «секундах». Следовательно, чтобы узнать силу электрического тока нужно количество зарядов разделить на время их прохождения. То есть, кулоны делим на секунды и получаем амперы.

 

Повторюсь, что на практике при измерении и вычислении силы тока пользуются именно формулой закона Ома, поскольку приходится использовать при расчетах напряжение и сопротивление. Именно они повсеместно будут встречаться в электрических схемах той или иной электротехники. Никаких кулонов (количества зарядов) вы при своей работе электриком не увидите!

 

 

Ну, и поскольку выше я затронул тему реактивного сопротивления, то пожалуй приведу формулу для нахождения силы тока именно для цепей, содержащих индуктивное и емкостное сопротивление.

 

 

По данной формуле можно найти силу тока, которая будет течь в электрической цепи с переменным, синусоидальным напряжением и содержащая реактивное сопротивление в виде катушки (индуктивности) или конденсатора (емкости). Думаю вы заметили, что в приведенной формуле изменился лишь тип сопротивления. Сама же основа — это все та же формула закона Ома, что была приведена в самом начале. Просто тут для нахождения индуктивного и емкостного сопротивления уже используются такие величины как частота, емкость и индуктивность, ну и еще «ПИ», которое равно 3,14.

 

P.S. Формулу электрического тока вы просто обязаны знать наизусть (если вы конечно электрик или электронщик). Формула закона Ома будет вам полезна очень много раз. Как только нужно найти силу тока, напряжение или сопротивление (зная любые две величины из трех) вы быстро и без проблем сразу подставляете числа в эту формулу и вычислите неизвестные электрические величины.

 

 

electrohobby.ru

Электричество — Основные формулы

1. Электростатика

1.1 Закон Кулона

q₁, q₂ — величины точечных зарядов,
r — расстояние между зарядами.

1.2 Напряженность поля уединенного точечного заряда

q — величина уединенного точечного заряда,
r — расстояние от заряда.

1.3 Потенциал точки в поле точечного заряда

q — величина уединенного точечного заряда,
r — расстояние от заряда.

1.4 Потенциальная энергия заряда в электростатическом поле

φ — потенциал,
q₁ — величина заряда.

1.5 Потенциальная энергия заряда q₁ в поле точечного заряда

q — величина уединенного точечного заряда, который создает поле,
r — расстояние между зарядами.

1.6 Теорема Гаусса

N — поток вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность,
q — полный заряд, находящийся внутри замкнутой поверхности.

1.7 Напряженность электрического поля вблизи от поверхности проводника

σ — поверхностная плотность заряда.

1.8 Емкость плоского кондесатора

q — заряд конденсатора,
U — модуль разности потенциалов между обкладками.

1.9 Энергия плоского кондесатора

q — заряд конденсатора,
U — модуль разности потенциалов между обкладками.

2. Постоянный электрический ток

2.1 Закон Ома для участка однородной цепи

U — напряжение на концах участка,
R — сопротивление участка цепи.

2.2 Закон Ома для замкнутой цепи с источником тока

 — ЭДС (электродвижущая сила),
r — внутреннее сопротивление источника ЭДС.

2.3 Работа постоянного тока

U — напряжение на концах участка цепи,
t — время, за которое совершается работа.

2.4 Закон Джоуля-Ленца

Q — теплота,
R — сопротивление проводника,
t — время, за которое выделяется теплота.

2.5 Полная мощность, развиваемая источником тока

 — ЭДС источника тока,
R — сопротивление цепи,
r — внутреннее сопротивление источника тока.

2.6 Полезная мощность

 — ЭДС источника тока,
R — сопротивление цепи,
r — внутреннее сопротивление источника тока.

2.7 Коэффициент полезного действия источника тока

R — сопротивление цепи,
r — внутреннее сопротивление источника тока.

2.8 Первое правило Кирхгофа

n — число проводников, сходящихся в узле;
I_k — сила тока в k-м проводнике.

2.9 Второе правило Кирхгофа

n — число неразветвленных участков в контуре;
m — число ЭДС в контуре.

fizikazadachi.ru

Сила тока ?. Формула силы тока. Как обозначается ? единица измерения силы тока?

Автор Даниил Леонидович На чтение 5 мин. Просмотров 115 Опубликовано 18 ноября

Электрический ток — это направленный поток отрицательно заряженных частиц. Величину электрического тока определяют по числу электронов, протекающих сквозь проводник с неким поперечным сечением за определенную единицу времени.

Однако в полной мере охарактеризовать ток только движением электронов невозможно. Он также имеет другие параметры. Действительно, объем электричества, равного одному кулону способно проходить через металлический проводник в течение одной секунды или другого промежутка времени.

Если принять во внимание временной промежуток как характеристику, то можно увидеть, что интенсивность потоков в разных случаях будет не одинаковой. Тот объем, который можно пропустить сквозь проводник за секунду именуют силой тока. В качестве обозначения используют Ампер, как международную единицу измерения.

Общее описание силы тока

Сила тока является объемом электрических зарядов, проходящих сквозь поперечные профили проводников в интервале времени, равному одной секунде. Как уже было выше сказано, что за единиц силы тока принимают Ампер, которая и принадлежит к Международной СИ, используемой во всех странах мира.

Один ампер равен силе изменения потока электричества при прохождении по параллельным, парным линейным проводникам бесконечной длины, имеют ничтожно малую площадь кругового сечения. Эти материалы находятся в вакууме друг от друга на расстоянии одного метра. Он вызывает силу взаимного влияние равную 2*10-7. Единица исчисления силы тока Ампер соответствует одному кулону, пройденному за одну секунду через поперечный профиль материала проводника.

В математическом исчислении характеристика выглядит как 1 А = 1 кулон/1 секунда. Величина показателя относительно большая, поэтому для бытовых электроприборов и микросхем применяют дополнительные единицы: 1 мА и 1 мкА, которые равны одной тысячной и одной миллионной части ампера.

Если известна величина электрозаряда, прошедшего сквозь проводник с нужным сечением за требуемый промежуток времени, то параметр можно выразить следующей формулой: l=q/t.

В замкнутой сети без ответвлений за одну секунду времени проходит одинаковое количество электронов в любом участке проводника. Поскольку заряды не могут накапливаться исключительно в одном участке электрической цепи, то его интенсивность не зависит от толщины и сечения кабеля.

Для более сложных цепей с ответвлениями такое утверждение также остается истинным. Но такое определение действует только для отдельных участков схемы, которые следует рассматривать как элементарная сеть.

Способы измерения силы тока

Для того чтобы узнать силу тока на требуемом участке цепи, одних теоретических вычислений не достаточно. Да, можно использовать формулы и узнать величину, но она будет приблизительной. Поскольку приборостроение, электроника и электрика — науки точные и не терпят погрешностей, был изобретен индукционный, а позднее электронный прибор, который способен показывать точные величины.

Амперметр предназначен для измерений силы тока на отдельных участках электрической цепи. Но значения, равные 1 Амперу и более можно увидеть только в силовых установках и сетях. Для снятия показаний с них используют специальные понижающие трансформаторы. Из курсов физики многие знают от чего зависит интенсивность действий электрического тока. Инициатором движения электронов является магнитное поле. От его силы зависит и мощность потока.

Ток подается на основные катушки, в которых создается индукция. С ее помощью во второстепенной катушке генерируется электричество меньшей величины. Показатель зависит от числа витков обмоток. Они прямо пропорциональны. Поэтому даже на крупных предприятиях, где напряжение достигает нескольких тысяч вольт применяют микроамперметры или миллиамперметры. Это связано, прежде всего, с безопасностью обслуживающего персонала.

Довольно часто в обиходе можно услышать термин мультиметр. Его отличие от амперметра заключается в возможности измерять несколько характеристик одновременно, тогда как амперметр является узкоспециализированным прибором.

Включают устройство в разрыв электрической цепи. При таком способе замеров, ток протекает через измеритель к потребителю. Следовательно, соединять прибор нужно до или после элемента нагрузки, так как в простой схеме без ответвлений он будет всегда одинаковым.

Существует ошибочное убеждение, что ток до потребителя и после не одинаковый, так как часть электричества тратится на компонента. Такое утверждение ошибочно, поскольку в ток представляет собой электромагнитный процесс, выполняемый в теле металлического проводника. Результатом становится упорядоченное движение электронов вдоль всей длины проводника. Но саму энергию переносят не электроны, а магнитное поле, которое окружает тело проводника.

Важно!

Через любой поперечный профиль металла простых электрических цепей проходит одинаковое количество электрического заряда. Сколько электронов вышло из положительного полюса источника питания, столько заходит в отрицательный полюс, пройдя через элемент нагрузки. В ходе движения электроны не могут расходоваться, как другие частицы материала. Они составляют единое целое с проводником и их количество всегда одинаковое.

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.

Заключение

Сила тока является одним из важных параметров, характеризующих электричество. Он показывает, какой объем электрического заряда проходит через поперечный профиль металлического проводника. Данная характеристика широко применяется в электронике и энергетике.

remont220.ru

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

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:

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 электрическоеполя образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности свети 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.

studfile.net

No related posts.