Определение

Электрическим током называют упорядоченное движение носителей зарядов. В металлах таковыми являются электроны, отрицательно заряженные частицы с зарядом, равным элементарному заряду. Направлением тока считают направление движения положительно заряженных частиц.

Силой тока (током) через некоторую поверхность S называют скалярную физическую величину, которую обозначают I, равную:

где q – заряд, проходящий сквозь поверхность S, t – время прохождения заряда. Выражение (1) определяет величину силы тока в момент времени t (мгновенное значение величины силы тока).

Некоторые виды силы тока

Ток носит название постоянного, если его сила и направление с течением времени не изменяются, тогда:

Формула (2) показывает, что сила постоянного тока равна заряду, который проходит сквозь поверхность S в единицу времени.

Если ток является переменным, то выделяют мгновенную силу тока (1), амплитудную силу тока и эффективную силу тока. Эффективной величиной силы переменного тока (I eff) называют такую силу постоянного тока, которая выполнит работу равную работе переменного тока в течение одного периода (T):

Если переменный ток можно представить как синусоидальный:

то I m – амплитуда силы тока ( – частота силы переменного тока).

Плотность тока

Распределение электрического тока по сечению проводника характеризуют при помощи вектора плотности тока (). При этом:

где – угол между векторами и ( – нормаль к элементу поверхности dS), j n – проекция вектора плотности тока на направление нормали ().

Сила тока в проводнике определяется при помощи формулы:

где интегрирование в выражении (6) проводится по всему поперечному сечению проводника S

Для постоянного тока имеем:

Если рассматривать два проводника с сечениями S 1 и S 2 и постоянными токами, то выполняется соотношение:

Сила тока в соединениях проводников

При последовательном соединении проводников сила тока в каждом из них одинакова:

При параллельном соединении проводников сила тока (I) вычисляется как сумма токов в каждом проводнике (I i):

Закон Ома

Сила тока входит в один из основных законов постоянного тока – закон Ома (для участка цепи):

где - – разность потенциалов на концах, рассматриваемого участка, - ЭДС источника, который входит в участок цепи, R – сопротивление участка цепи.

Единицы измерения силы тока

Основной единицей измерения силы тока в системе СИ является: [I]=A(ампер)=Кл/с

Примеры решения задач

Пример

Задание. Какой заряд (q) проходит через поперечное сечение проводника за промежуток времени от t 1 =2c до t 2 =6c, если сила тока изменяется в соответствии с уравнением: I=2+t, где сила тока в амперах, время в секундах?

Решение. За основу решения задачи примем определение мгновенной силы тока:

В таком случае, заряд, который проходит через поперечное сечение проводника, равен:

Подставим в выражение (1.2) уравнение для силы тока из условий задачи, примем во внимания границы изменения участка времени:

Ответ. q=24 Кл

Пример

Задание. Плоский конденсатор составлен из двух квадратных пластин со стороной A, находящихся на расстоянии dдруг от друга. Этот конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения U. Конденсатор погружают в сосуд с керосином (пластины конденсатора вертикальны) со скоростью v=const. Какова сила тока, которая будет течь по подводящим проводам в описанном выше процессе. Считать, что диэлектрическая проницаемость керосина равна .

Решение. Основой для решения задачи станет формул для вычисления силы тока вида.

Думаю, вы не раз слышали такое словосочетание, как “сила тока”. А для чего нужна сила? Ну как для чего, для того чтобы совершать полезную или бесполезную работу. Главное, чтобы что-то делать. Наше тело тоже обладает силой. У кого-то сила такая, что может одним ударом разбить кирпич в пух и в прах, другой не сможет поднять даже и ложку. Так вот, дорогие мои читатели, электрический ток тоже обладает силой.

Представьте себе шланг, с которым вы поливаете свой огород.

Пусть шланг – это провод, а вода в нем – электрический ток. Мы чуть-чуть приоткрыли краник и вода побежала по шлангу. Медленно, но все таки побежала. Сила струи очень слабая. А давайте теперь откроем краник на полную катушку. В результате струя хлынет с такой силой, что можно даже полить соседский огород.

А теперь представьте, что вы наполняете ведро. Напором воды из краника или шланга вы его быстрее наполните? Диаметр шланга и краника при этом одинаковы

Разумеется, напором из желтого шланга! Но почему так происходит? Все дело в том, что объем воды за равный промежуток времени из краника и желтого шланга выйдет тоже разный. Или иными словами, из шланга количество молекул воды выбежит намного больше, чем из краника за одно и то же время.

Что такое сила тока

С проводами точно такая же история). То есть за равный промежуток времени количество электронов, бегущих по проводу может быть абсолютно разное. Отсюда можно вывести определение силы тока.

Итак, сила тока – это количество электронов, проходящих через площадь поперечного сечения проводника за единицу времени , ну скажем, за секунду. Ниже на рисунке заштрихована зелеными линиями та самая площадь поперечного сечения провода, через который бежит электрический ток.

И чем бОльшее количество электронов “пробежит” по проводу через поперечное сечение проводника за какое-то время, тем больше будет сила тока в проводнике.

Или иначе формулой для чайника:

где

I – собственно сила тока

N – количество электронов

t – период времени, за которое эти электроны пробегут через поперечное сечение проводника.

Сила тока измеряется в так называемых Амперах , в честь французского ученого Андре-Мари Ампера.

Имейте также ввиду, что каждый отдельно взятый шланг выдерживает только определенный максимальный поток воды, иначе он или где-то продырявиться от такого напора, либо его просто разнесет по кускам. Так же и с проводами. Мы должны знать, какой максимальный ток мы можем прогонять через этот провод. Например, для медного провода сечением в 1мм 2 нормальное значение составляет 10 Ампер. Если мы будем подавать больше, то провод либо начнет греться, либо плавиться. На этом принципе завязаны . Поэтому, силовые кабели, через которые “бегут” сотни и тысячи ампер, берут большого диаметра и стараются делать из меди, так как ее удельное очень мало.

Понятие о силе тока является основой современной электротехники. Без этих базовых знаний невозможно сделать расчеты к схемам, выполнить действия по электрике, предотвратить, выявить и устранить повреждение в цепи.

Как возникает

Для понимания, что такое сила тока, следует знать условие его возникновения – существование частиц со свободным зарядом. Он перемещается через проводник (его поперечное сечение) от одной точки к другой. Физика силы тока заключается в упорядоченном движении электронов, на которые действует электрическое поле от источника питания. Чем большее количество заряженных частиц переносится, и чем быстрее их передвижение в одном направлении, тем больший заряд дойдет до места назначения.

Помимо источника питания, элементами замкнутой цепи являются соединительные провода, по которым проходит электричество, и потребители энергии (установки, резисторы).

Дополнительная информация. В проводниках из металла в роли передатчика зарядов выступают электроны, газообразных – ионы, жидких – перенесение заряженных частиц выполняется с помощью обоих видов частиц. Нарушение порядка прохождения говорит о хаотичном движении зарядов, цепь при котором станет обесточенной.

Определение

Сила тока в проводнике – это количество электричества, перемещаемое через поперечное сечение за единичный интервал времени. Чтобы увеличить данное значение, нужно изъять из схемы лампу либо повысить магнитное поле, создаваемое батарейкой.

Единицей измерения силы электрического тока по международной системе СИ (Systеme International) считается ампер (А), названный по фамилии выдающегося французского научного деятеля XIX века Андре-Мари Ампера.

Дополнительная информация. Ампер – достаточно внушительная электрическая мера. Для жизни человека представляет смертельную опасность токовая величина до 0,1A. Горящая бытовая лампочка на 100 Вт пропускает электричество примерно в 0,5 А. В комнатном обогревателе это значение доходит до 10 А, портативному калькулятору будет достаточной одна тысячная доля ампера.

В электротехнической практике замеры малых величин могут выражаться в микро,- и миллиамперах.

Силу тока находят измерительным приспособлением (ампер,- или гальванометром), последовательно включая его в нужный участок цепи. Малые величины измеряют микро,- или миллиамперметром. Основными методами нахождения количества электричества при помощи приборов являются:

• Магнитоэлектрический – при неизменной токовой величине. Такой способ отличают повышенная точность и малое потребление энергии;
• Электромагнитный – для стационарных и изменяющихся величин. При использовании этого метода сила тока в цепи находится в результате преобразования магнитного поля в выходной сигнал модуляционного датчика;
• Косвенный – основан на замере напряжения при известном сопротивлении. Далее вычисляют искомую величину по закону Ома, показанному ниже.

Согласно определению, силу тока (I ) можно найти по формуле:

I = q/t, где:

• q – заряд, идущий поперек проводника (Кл);
• t – длительность времени, затраченного на перемещение частиц (с).

Формула силы тока читается следующим образом: необходимая величина I – это отношение прошедшего через проводник заряда к используемому отрезку времени.

Обратите внимание! Сила тока определяется не только через заряд, но и расчетными формулами на основе закона Ома, который гласит: сила электричества прямо пропорциональна напряжению проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Формула закона Ома поможет найти силу тока, которая выглядит отношением:

I = U / R, здесь:

• U – напряжение (В);
• R – сопротивление (Ом).

Эта установленная связь физических величин используется для различных расчетов:

• учитывающих характеристики источника питания;
• для вычислений в цепях токов любого направления;
• для многофазных цепей.

Обратите внимание! Если проводники соединяются последовательным способом, то электричество каждого из них равно. Параллельное соединение предусматривает количество амперов, которое складывается из суммы токовых значений каждого проводника.

Как найти мощность (скорость передачи или преобразования энергии) с помощью токового значения? Для этого нужно воспользоваться формулой:

Р = U*I, где умножаемые значения упоминались выше.

Виды

При постоянном и переменном электричестве его сила бывает разного характера. Для цепи с движением частиц в постоянном направлении все параметры остаются неизменными. Переменный вид способен менять свою величину при одном и том же или меняющемся направлении. Количество электричества при этом бывает:

• мгновенным, зависящим от амплитудной величины и частоты колебаний, связанной с угловой частотой;
• амплитудным – максимальным значением мгновенной силы тока за определенный период;
• эффективным – при превращении энергии количество теплоты от обоих видов тока одинаково.

Электросети бытового назначения пропускают переменный ток, преобразующийся в постоянный при прохождении через блок питания электроприбора (компьютера, телевизора).

Величина силы тока – понятие, тесно связанное с электрической энергией, имеющей огромное значение для сферы быта, народного хозяйства, объектов стратегического назначения. Более того, электроэнергетика является экономической основой государства и определяющим вектором развития внутри страны и на международном уровне.

Видео

Определение 1

Ток является процессом, при протекании которого (под непосредственным влиянием электрического поля) начинает осуществляться движение некоторых заряженных частиц.

Такими заряженными частицами могут выступить разные элементы (все будет зависеть от ситуации). В случае с проводниками, например, в роли таковых частиц, выступят электроны.

Понятие силы тока

Сила электрического тока будет представлять величину, характеризующую порядок движения электрических зарядов, численно равную количеству заряда $\delta q$, который при этом протекает сквозь определенную поверхность $S$, (представляющую поперечное сечение проводника) за единицу времени:

$I=\frac{\delta q}{\delta t}$

С целью определения силы тока $I$, требуется разделить электрический заряд $\delta q$, прошедший через поперечное сечение проводника за время $\delta t$, на это время.

Сила тока будет зависимой от заряда, переносимого посредством всех частиц, скорости их ориентированного в конкретном направлении движения и площади поперечного проводникового сечения.

Рассмотрим проводник с площадью поперечного сече­ния $S$. Заряд всех частиц обозначим $q_о$. В объеме проводника, ограниченного двумя сечениями, содержится $nS\delta l$ частиц, где $n$ представляет их концентрацию. Их общий заряд окажется таким:

$q={q_о}{nS\delta I}$

При условии движения частиц со средней скоростью $v$, за время $\delta t=\frac{\delta I}{v}$ все частицы, заключенные в рассматриваемом объеме, успеют пройти через второе поперечное сечение, что означает соответствие силы тока расчетам по такой формуле:

$I={q_о}{nvS}$, где:

• $I$ - обозначение силы электричества, измеряется в Амперах (А) или Кулонах/секунду;
• $q$ - заряд, идущий по проводнику, единица измерения Кулоны (Кл);

В СИ единицу силы тока считают основной, а называется она ампер (А). Измерительным прибором выбран амперметр, чей принцип работы основывается на магнитном действии тока.

Замечание 1

При оценке скорости упорядоченного движения электронов внутри проводника, выполненная, согласно формуле для медного проводника при площади поперечного сечения в один квадратный миллиметр, мы получаем незначительную величину (0,1мм/с).

Отличие силы тока от напряжения

В физике различают такие понятия, как «сила тока» и «напряжение». Между ними существуют некоторые отличия, рассмотрение которых играет важное значение для понимания принципа действия силы тока.

Под «силой тока» понимается некоторое количество электричества, «напряжением», в то же время считается мера потенциальной энергии. При этом данные понятия достаточно сильно взаимозависимы. Важнейшими факторами, влияющими на них, являются:

• материал проводника;
• температура;
• внешние условия.

Различия можно наблюдать также и в способе их получения. Если в случае воздействия на электрические заряды создается напряжение, ток возникнет уже за счет действия напряжения между точками схемы. Также существует различие и в сравнении с таким понятием, как «энергопотребление». Оно будет заключаться именно в мощности. Так, если напряжение требуется для характеристики потенциальной энергии, то ток уже будет характеризовать энергию кинетическую.

Способы определения силы тока

Вычисляется сила тока на практике с задействованием специальных измерительных приборов либо посредством отдельных формул (при условии наличия исходных данных). Основной формулой, согласно которой рассчитывается сила тока, выглядит следующим образом:

Существование электричества может быть постоянным (например, содержащийся в батарейке ток), а также переменным (ток в розетке). Освещение помещений и работа всех приборов электрического типа происходит именно посредством воздействия переменного электричества. Основным отличием переменного тока от постоянного выступает его более сильная склонность к трансформации.

Наглядным примером действия переменного тока может также послужить эффект включения люминесцентных ламп. Так в процессе включения такой лампы начинает осуществляться движение заряженных частиц то вперед, то назад, что объясняет действие переменного тока. Именно данный вид электричества считается наиболее распространенным в быту. Соответственно закону Ома, силу тока рассчитывают по формуле (для участка электроцепи):

Сила тока, таким образом, оказывается прямо пропорциональна напряжению $U$, измеряемому в Вольтах, к участку цепи и обратно пропорциональной $R$-сопротивлению проводника указанного участка, выражаемому в Омах. Расчет силы электричества в полной цепи рассчитан таким образом:

$I=\frac{E}{R+r}$, где:

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

Основными способами определения силы тока посредством систем приборов на практике являются следующие:

1. Магнитоэлектрический измерительный метод. Его преимуществами выступают высокая чувствительность и точность показаний при незначительном энергопотреблении. Указанный способ применим исключительно при определении величины силы постоянного тока.
2. Электромагнитный способ заключается в нахождении силы токов переменного и постоянного типов путем процесса трансформации из электромагнитного поля в сигнал магнитного модульного датчика.
3. Косвенный метод направлен на определение за счет вольтметра напряжения при определенном сопротивлении.

Замечание 2

С целью нахождения силы тока, на практике зачастую применяется специальный прибор амперметр. Такое устройство включается в разрывы электроцепи в требуемой точке измерения силы электрозаряда, прошедшего за некоторое время через сечение провода.

При определении величины силы малого электричества применяют миллиамперметры, микроамперметры, а также гальванометры, также подключаемые к определенному месту в цепи, где необходимо найти силу тока. Подключение может быть выполнено двумя способами:

• последовательным;
• параллельным.

Определение силы тока, который потребляется, считается не так часто востребованным, как измерение напряжения или сопротивления. В то же время, без вычисления физической величины силы тока становится невозможным расчет потребляемой мощности.

16. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока

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

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

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

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

17. Источники тока. Эдс источника

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

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

Измеряется в вольтах (В).

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

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

-закон Ома в интегральной форме R – электрическое сопротивление проводника

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

- закон Ома в дифференциальной форме.

19. Обобщенный закон Ома

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

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

Закон Джоуля-Ленца

Выражение закона Джоуля - Ленца

Интегральная форма закона

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

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

Эквивалентные выражения теплоты согласно закона Ома

Словесное определение закона Джоуля - Ленца

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

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

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

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

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

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

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

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

Графическое изображение магнитных полей

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