Электрические параметры изучают в рамках школьных программ. После экзаменов быстро забываются научные определения и формулы. Между тем, базовые знания в соответствующей области нужны не только специалистам и радиолюбителям. Они пригодятся обычным пользователям для подключения бытовой техники, решения других практических задач. В этой публикации рассказано о том, что такое единица силы тока.
Классическое определение силы тока
Перемещение заряда по проводнику
Как вы уже знаете, электрический ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Мы говорим, что частицы “заряженные” — это означает, что они имеют какой-то определенный заряд $q$.
Соответственно, при движение таких частиц происходит перенос некоторого заряда. Каждый свободный электрон в металле переносит заряд. Каждый ион в растворе кислот, солей или щелочей тоже переносит заряд.
Логично, что чем больше частиц переместится от одного участка цепи к другому, тем больший общий заряд будет ими перенесен.
От чего же зависит интенсивность действий электрического тока? Опытным путем было доказано, что интенсивность (степень действия) электрического тока зависит как раз от величины этого переносимого заряда.
Основные электрические величины
Электрическим током (I) называется направленное движение электрических зарядов (ионов — в электролитах, электронов проводимости в металлах). Необходимым условием для протекания электрического тока является замкнутость электрической цепи. Электрический ток измеряется в амперах (А). Производными единицами измерения тока являются: 1 килоампер (кА) = 1000 А; 1 миллиампер (мА) 0,001 А; 1 микроампер (мкА) = 0,000001 А. Человек начинает ощущать проходящий через его тело ток в 0,005 А. Ток больше 0,05 А опасен для жизни человека. Электрическим напряжением (U) называется разность потенциалов между двумя точками электрического поля. Единицей разности электрических потенциалов является вольт (В). 1 В = (1 Вт) : (1 А). Производными единицами измерения напряжения являются: 1 киловольт (кВ) = 1000 В; 1 милливольт (мВ) = 0,001 В; 1 микровольт (мкВ) = 0,00000 1 В. Сопротивлением участка электрической цепи называется величина, зависящая от материала проводника, его длины и поперечного сечения. Электрическое сопротивление измеряется в омах (Ом). 1 Ом = (1 В) : (1 А). Производными единицами измерения сопротивления являются: 1 килоОм (кОм) = 1000 Ом; 1 мегаОм (МОм) = 1 000 000 Ом; 1 миллиОм (мОм) = 0,001 Ом; 1 микроОм (мкОм) = 0,00000 1 Ом. Электрическое сопротивление тела человека в зависимости от ряда условий колеблется от 2000 до 10 000 Ом. Удельным электрическим сопротивлением (ρ) называется сопротивление проволоки длиной 1 м и сечением 1 мм2 при температуре 20 °С. Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электрической проводимостью (γ). Мощностью (Р) называется величина, характеризующая скорость, с которой происходит преобразование энергии, или скорость, с которой совершается работа. Мощностью генератора называется величина, характеризующая скорость, с которой механическая или другая энергия преобразуется в генераторе в электрическую. Мощностью потребителя называется величина, характеризующая скорость, с которой происходит преобразование электрической энергии в отдельных участках цепи в другие полезные виды энергии.
Системной единицей мощности в СИ является ватт (Вт). Он равен мощности, при которой за 1 секунду выполняется работа в 1 джоуль: 1Вт = 1Дж/1сек Производными единицами измерения электрической мощности являются: 1 киловатт (кВт) = 1000 Вт; 1 мегаватт (МВт) = 1000 кВт = 1 000 000 Вт; 1 милливатт (мВт) = 0,001 Вт; о1i 1 лошадиная сила (л. с.) = 736 Вт = 0,736 кВт. Единицами измерения электрической энергии являются: 1 ватт-секунда (Вт сек) = 1 Дж = (1 Н) (1 м); 1 киловатт-час (кВт ч) = 3,б 106 Вт сек. Пример. Ток, потребляемый электродвигателем, присоединенным к сети 220 В, составлял 10 А в течение 15 минут. Определить энергию, потребленную двигателем. Вт*сек, или, разделив эту величину на 1000 и 3600, получим энергию в киловатт-часах: W = 1980000/(1000*3600) = 0,55кВт*ч
Рассмотрим основные электрические величины, которые мы изучаем сначала в школе, затем в средних и высших учебных заведениях. Все данные для удобства сведем в небольшую таблицу. После таблицы будут приведены определения отдельных величин, на случай возникновения каких-либо непониманий.
Сила тока
Электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в $1 \space с$, будет определять такую величину, как сила тока в цепи (рисунок 1).
Рисунок 1. Заряд, проходящий через поперечное сечение проводника
Сила тока — это физическая величина, равная отношению электрического заряда $q$, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения $t$: $I = \frac{q}{t}$, где $I$ — сила тока.
Киловатт и киловатт-час — в чем разница
Наряду с обозначением киловатт можно встретить единицу киловатт в час. Например, в величинах КВт ч отображаются показания электросчетчиков. Неспециалисты эти понятия не различают, считают, что это одно и то же. Однако это совершенно разные величины.
Ватт в час — это количество электроэнергии, произведенное или потребленное за единицу времени, обозначается Вт/ч.
Например, 1 кВт час говорит о том, что энергоприемник за 1 час потребляет 1 КВт электроэнергии.
Киловатт в отличие от кВтч представляет величину, обозначающую потребленную или сгенерированную мгновенную мощность.
Сила взаимодействия проводников с током как основа для определения единицы силы тока
Для того, чтобы определить единицу измерения силы тока, были проведены опыты, которые мы сейчас и рассмотрим. Опыты эти заключались в явлении взаимодействия двух проводников с током.
Возьмем два гибких прямых проводника. Расположим их параллельно друг другу. Подсоединим их к источнику тока (рисунок 2).
Рисунок 2. Взаимодействие проводников с током
После замыкания цепи по ней пойдет электрический ток. Ток будет идти и по нашим подопытным проводникам.
Что мы увидим? Они начнут взаимодействовать друг с другом. А именно, они будут притягиваться друг к другу (рисунок 2, а) или отталкиваться друг от друга (рисунок 2, б). Это будет зависеть от направления тока в них.
Тут же встает вопрос о том, как же измерить эту силу, с которой взаимодействуют проводники? Опыты показали следующее.
Сила взаимодействия между проводниками с током зависит от: длины проводников; расстояния между ними; среды, в которой находятся проводники; силы тока в проводниках.
Для нас сейчас имеет значение самый последний пункт. Возьмем проводники, для которых все остальные условия будут одинаковы, кроме силы токов. Окажется, что, чем больше сила тока в каждом проводнике, тем с большей силой они взаимодействуют между собой.
Электрическое напряжение в цепи
Для источников напряжения в схемах обычно используется один из следующих символов.
Источники напряжения и электрическая цепь
Источник напряжения всегда имеет два соединения/полюса. Полюс «плюс» и полюс «минус». Само напряжение обозначено стрелкой напряжения (UQ). Для источников оно всегда отображается от плюса к минусу.
Электрическое напряжение, падающее на резисторе, также можно обозначить стрелкой напряжения (на схеме обозначена как красная стрелка UR ). Это указывает на техническое направление электрического тока.
Также часто можно услышать термин «напряжение холостого хода» или «напряжение источника». Это выходное напряжение ненагруженного источника, т.е. источника, к которому ничего не подключено. Если цепь замкнута с нагрузкой, то можно измерить только напряжение на полюсах источника.
Единица измерения силы тока
А теперь представьте себе очень тонкие и очень длинные проводники. Расположены они параллельно друг другу. Расстояние между ними — $1 \space м$. Сила тока в них одинакова. И все это в вакууме! Вот здесь и появляется единица измерения силы тока (рисунок 3).
За единицу силы тока принимаю такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной $1 \space м$ взаимодействуют с силой $2 \cdot 10^{-7} \space Н$ ($0.0000002 \space Н$).
Рисунок 3. Определение единицы измерения силы тока
Имя этой единицы — ампер ($А$). Она названа в честь французского физика Андре Ампера (рисунок 4).
Рисунок 4. Ампер Андре Мари (1775 — 1836) — французский физик, математик и естествоиспытатель. Ввел в физику понятие электрического тока, за что в научном кругу его прозвали “Ньютоном электричества”
| Длина | метр | м | m |
| Масса | килограмм | кг | kg |
| Время | секунда | с | s |
| Сила электрического тока | ампер | A | A |
| Термодинамическая температура | кельвин | К | K |
| Количество вещества | моль | моль | mol |
| Сила света | кандела | кд | cd |
| Плоский угол | радиан | рад | rad |
| Телесный угол | стерадиан | ср | sr |
Определения основных и дополнительных единиц СИ
Метр
равен длине пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды.
Килограмм
равен массе международного прототипа килограмма.
Секунда
равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответсвующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
Ампер
равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1м один от другого, вызвал бы силу взаимодействия, равную 2*10 -7 Н.
Кельвин
равен 1/273,16 части термодинамической температуре тройной точки воды.
Моль
равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг.
Кандела
равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540*1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.
Радиан
равен углу между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.
Стерадиан
равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.
Производные единицы электрических и магнитных величин в системе СИ
| Наименование величины | Единица | ||
| Наименование | Обозначение | ||
| русское | между- народное | ||
| Плотность электрического тока | ампер на квадратный метр | А/м2 | A/m2 |
| Количество электричества; электрический заряд | кулон | Кл | C |
| Поверхностная плотность электрического заряда | кулон на квадратный метр | Кл/м2 | C/m2 |
| Электрическое напряжение; электрический потенциал, разность электрических потенциалов; ЭДС | вольт | В | V |
| Напряженность электрического поля | вольт на метр | В/м | V/m |
| Электрическая емкость | фарад | Ф | F |
| Абсолютная диэлектрическая проницаемость; диэлектрическая постоянная | фарад на метр | Ф/м | F/m |
| Электрическое сопротивление | ом | Ом | W |
| Удельное электрическое сопротивление | ом.метр | Ом.м | W.m |
| Электрическая проводимость | сименс | См | S |
| Удельная электрическая проводимость | сименс на метр | См/м | S/m |
| Магнитный поток | вебер | Вб | Wb |
| Магнитная индукция | тесла | Тл | T |
| Индуктивность | генри | Гн | H |
| Абсолютная магнитная проницаемость; магнитная постоянная | генри на метр | Гн/м | H/m |
| Энергия | джоуль | Дж | J |
| Активная мощность | ватт | Вт | W |
| Полная мощность | вольт-ампер | В.А | V.A |
Множители и приставки в системе СИ
| Приставка | Обозначение приставки | Множитель | Натменование множителя | |
| русское | международное | |||
| экса | Э | E | 1018=1000000000000000000 | квинтиллион |
| пета | П | P | 1015=1000000000000000 | квадриллион |
| тера | Т | T | 1012=1000000000000 | триллион |
| гига | Г | G | 109=1000000000 | миллиард |
| мега | М | M | 106=1000000 | миллион |
| кило | к | k | 103=1000 | тысяча |
| гекто | г | h | 102=100 | сто |
| дека | да | da | 101=10 | десять |
| — | — | — | 100=1 | единица |
| деци | д | d | 10-1=0,1 | одна десятая |
| санти | с | c | 10-2=0,01 | одна сотая |
| милли | м | m | 10-3=0,001 | одна тысячная |
| микро | мк | m | 10-6=0,000001 | одна миллионная |
| нано | н | n | 10-9=0,000000001 | одна миллиардная |
| пико | п | p | 10-12=0,000000000001 | одная триллионная |
| фемто | ф | f | 10-15=0,000000000000001 | одна квадриллионная |
| атто | а | a | 10-18=0,000000000000000001 | одна квинтиллионная |
Пример
: 1 мкВт=0.000001 Вт=1000 нВт
Происхождение наименований приставок СИ
Первые приставки были введены в 1793-1795гг. при узаконении во Франции метрической системы мер. Было принято для кратных единиц наименования приставок брать из греческого языка, для дольных — из латинского. В те годы были приняты следующие приставки: кило…
(от греч. chilioi — тысяча),
гекто…
(от греч. hekaton — сто),
дека…
(от греч. deka — десять),
деци…
(от лат. decem — десять),
санти…
(от лат. centum — сто),
милли…
(от лат. mille — тысяча). В последующие годы число кратных и дольных единиц увеличилось; наименования приставок для их обозначения заимствовались иногда и из других языков. Появились следующие приставки:
мега…
(от греч. megas — большой),
гига…
(от греч. gigas, gigantos — великан),
тера…
(от греч. teras, teratos — огромный, чудовище),
микро…
(от греч. mikros — малый, маленький),
нано…
(от греч. nanos — карлик),
пико…
(от итал. piccolo — небольшой, мелкий),
фемто…
(от датск. femten — пятнадцать),
атто…
(от датск. atten — восемнадцать). Последние две приставки
пета…
и
экса…
— были приняты в 1975г.:
«пета»
… (от греч. peta — пять, что соответсвует пяти разрядам по 10 3),
«экса»
… (от греч. hex — шесть, что соответсвует шести разрядам по 10 3).
Сила тока некоторых электроприборов
Для лучшего понимания, сколько же составляет один ампер на практике, в таблице 1 приведены средние значения силы тока для некоторых электроприборов.
| Устройство | Значение силы тока $I$, А |
| Лампочка карманного фонаря | 0,1 |
| Обычная лампа накаливания | 0,3 — 0,5 |
| Холодильник | 0,8 — 1 |
| Телевизор | 1,2 — 2 |
| Электрический утюг | 3 |
| Пылесос | 4 — 9 |
| Стиральная машина | 6 — 10 |
| Двигатель троллейбуса | 160 — 220 |
| Молния | более 400 000 |
Таблица 1. Значения силы тока в различных потребителях электроэнергии
Связь единицы измерения заряда и единицы измерения силы тока
Хоть мы уже и говорили о заряде и единице его измерения (кулон) ранее, в физике принято определять его через ампер.
Выразим из определения силы тока ($I = \frac{q}{t}$) сам заряд и получим следующую формулу.
$q = It$.
Если $I = 1 \space А$, а $t = 1 \space с$, то мы получим единицу электрического заряда — $1 \space Кл$.
$1 \space кулон = 1 \space ампер \cdot 1 \space с$, или $1 \space Кл = 1 \space А \cdot 1 \space с = 1 \space А \cdot с$.
За единицу электрического заряда принимают электрический заряд, проходящий сквозь поперечное сечение проводника при силе тока $1 \space А$ за время $1 \space с$.
Электрические напряжения при последовательном и параллельном соединении
У нас уже есть статья о последовательном и параллельном соединении проводников, в котором мы обсуждаем эту тему более подробно. Поэтому здесь мы рассмотрим лишь некоторые основы.
При последовательном соединении компоненты подключаются в ряд.
Электрическое напряжение при последовательном соединении
Здесь электрическое напряжение источника делится на резисторы. Этот момент также описывается вторым правилом Кирхгофа. Здесь применимо следующее:
UQ = U1 + U2 + U3
то есть напряжение источника равно сумме электрических напряжений на отдельных резисторах. Напряжение источника по-разному распределяется по разным резисторам.
В электрической цепи с параллельным соединением компоненты расположены, соответственно, параллельно друг относительно друга. Это можно увидеть на следующей схеме.
Электрическое напряжение в параллельной цепи
Здесь гораздо проще определить электрические напряжения на резисторах, так как при параллельном соединении:
UQ = U1 = U2 = U3
Поэтому электрическое напряжение на резисторах такое же высокое, как и электрическое напряжение источника.
Электрический заряд и его зависимость от силы тока и времени
Мы получили формулу, позволяющую по-новому взглянуть на определение электрического заряда: $q = It$.
Делаем вывод: электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника зависит от силы тока и времени его прохождения.
Эти знания пригодятся в решении задач. Обратите внимание, что электрический заряд иногда называют количеством электричества.
Например, давайте найдем количество электричества, которое проходит сквозь поперечное сечение спирали лампы за $1 \space мин$. Сила тока лампы равна $400 \space мА$.
Дано: $I = 400 \space мА$ $t = 1 \space мин$
СИ: $I = 0.4 \space А$ $t = 60 \space с$
$q — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Используем формулу для электрического заряда, полученную из определения силы тока: $q = It$.
Рассчитаем этот заряд: $q = 0.4 \space А \cdot 60 \space с = 24 \space Кл$.
Ответ: $q = 24 \space Кл$.
Что такое АС
Перевод аббревиатуры АС с английского обозначает Alternative Current (переменный ток). Соответственно DC, что читается как Direct Current, обозначает постоянное, текущее в одном направлении, напряжение. Каждый из них используется для питания электроприборов и играет ключевую роль в целостности электрооборудования при неправильном подключении.
Полезно! Электроток не меняющий в течение времени свою величину и направление называется постоянным.
Переменный ток является формой, повсеместно применяемой потребителями для обеспечения работоспособности основного электрооборудования. Преимущественно стандартная форма волн в электроцепей представлена в виде синусоидальной кривой, с положительным полупериодом равным положительному течению напряжения и наоборот.
В отдельных случаях, например, музыкальные усилители, применяют различные формы волн. Они могут быть треугольными, либо прямоугольными. Аудио и радио сигнал транслируемые по проводам, также относятся к переменному току. Этот тип напряжения несёт зашифрованные информационные данные (звуки или изображения). В отдельных случаях передача может осуществляться за счёт модуляции. Такой ток преимущественно чередуется с высокочастотными, что и отличает их от обычной передачи электроэнергии.
Упражнения
Упражнение №1
Выразите в амперах силу тока, равную $2000 \space мА$; $100 \space мА$; $55 \space мА$; $3 \space кА$.
Дано: $I_1 = 2000 \space мА$ $I_2 = 100 \space мА$ $I_3 = 55 \space мА$ $I_4 = 3 \space кА$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
$I_1 = 2000 \space мА = 2000 \cdot 10^{-3} \space А = 2 \space А$.
$I_2 = 100 \space мА = 100 \cdot 10^{-3} \space А = 0.1 \space А$.
$I_3 = 55 \space мА = 55 \cdot 10^{-3} \space А = 0.055 \space А$.
$I_4 = 3 \space кА = 3 \cdot 10^3 \space А = 3000 \space А$.
Ответ: $I_1 = 2 \space А$, $I_2 = 0.1 \space А$, $I_3 = 0.55 \space А$, $I_4 = 3000 \space А$.
Упражнение №2
Сила тока в цепи электрической плитки равна $1.4 \space А$. Какой электрический заряд проходит через поперечное сечение ее спирали за $10 \space мин$?
Дано: $t = 10 \space мин$ $I = 1.4 \space А$
СИ: $t = 600 \space с$
$q — ?$
Показать решение и ответ
Скрыть
Решение:
Используем формулу: $q = It$. $q = 1.4 \space А \cdot 600 \space с = 840 \space Кл$.
Ответ: $q = 840 \space Кл$.
Измерение электрического напряжения
Приборы для измерения напряжения, также называемые вольтметрами, всегда подключаются параллельно потребителю, на котором необходимо измерить электрическое напряжение.
Одним из наиболее часто используемых вольтметров является цифровой мультиметр (DMM), поэтому мы покажем вам процедуру измерения напряжения с помощью DMM. Сначала необходимо установить тип электрического напряжения (DC — постоянный ток или AC — переменный ток).
Для постоянного тока необходимо обратить внимание на правильную полярность, т.е. подключить плюс к положительному полюсу. На следующем этапе необходимо выбрать правильный диапазон измерения. Если вы не можете оценить, насколько велика измеряемая величина, установите наибольший возможный диапазон и двигайтесь от него вниз, пока не найдете нужный. Наконец, вам нужно только «считать» электрическое напряжение прибором.
