Что такое сила тока - понятное объяснение для всех

Что измеряют в амперах амперы — единицы измерения силы 1

Из школьного курса физики известно, что ампер – это одна из основных единиц измерения при изучении физики электрических явлений. В амперах меряют силу тока.

Определение

Единица измерения силы взаимодействия электронов названа в честь ученого из Франции А. Ампера. Он проводил опыты, направленные на изучение воздействия магнита на проводник и выявил взаимозависимость между его длиной, количеством частиц, которое перемещается по нему в промежуток времени, направлением магнитного воздействия и углом между вектором воздействия и движением частиц по проводнику.

В 1948 году было принято решение Международной организации по мерам и весам о том, что такой показатель измеряется в амперах. Физическое значение данного параметра состоит в следующем:

  • Элементарные частицы постоянно текут по бесконечно тонким и длинным проводникам в одном направлении;
  • Цепь находится в вакууме, и потенциалы расположены параллельно друг к другу с расстоянием в один метр;
  • Сила притяжения или отталкивания между ними составляет 2*10-7 Ньютона.

На практике такие условия даже в лаборатории воспроизвести невозможно, поэтому для установления эталона и тарирования измерительных приборов специалисты мерили уровень взаимодействия, возникающий между двумя катушками с большим количеством проводов минимального сечения.

С 1992 года ситуация изменилась, и описываемое физическое явление стали определять на основании закона Ома. Теперь под одним ампером (обозначение 1А) понимается сила тока, при которой за 1 секунду по проводнику перемещается количество электронов, равное одному кулону.

Что такое сила тока

Как известно, все материальные вещества состоят из молекул, которые, в свою очередь, состоят из атомов. Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Когда происходит химическая реакция между двумя разными веществами, электроны из одних атомов переходят в другие. Это объясняется тем, что одни атомы обладают избыточным количеством электронов, а у других – их недостаточно. Перемещение электронов из одного вещества при контакте с другим веществом и является электрическим током. Если не оказывать внешнего воздействия, такой переток элементарных частиц будет происходить до тех пор, пока заряды у атомов, из которых состоят контактирующие вещества, не выровняются.

Однако, одного перемещения частиц недостаточно. Необходимо, чтобы их движение было в определенном направлении. Только в таком случае можно говорить об электричестве и его параметрах. Для этого между полюсами или окончаниями должна существовать разница потенциалов (на одном конце расположено вещество с избытком электронов, а на другом – с недостатком). Если такая разница не меняется в течение времени, ток называется постоянным (ярким примером является батарейка). Если же в процессе движения частиц потенциалы меняются местами, то он будет называться переменным.

Закон Ома

Количеством перемещаемых по проводнику частиц можно управлять. Это эмпирическим (опытным) путем установил немецкий физик Георг Ом. После ряда опытов он выявил, что чем выше разница потенциалов между полюсами (другими словами, напряжение), тем выше скорость движения элементарных частиц. Поэтому бытует мнение, что высокое напряжение способно убить человека.

С точки зрения науки, это совершенно не так. Во-первых, убивает не напряжение (это всего лишь разница потенциалов между полюсами), а электроны, перемещаемые по проводнику за единицу времени. Проходящие через человека частицы, в силу свойств электричества, выделяют тепло, что и приводит к ожогам либо химическим изменениям внутренних органов. Поэтому при работе с электрическими цепями в соответствии с требованиями охраны труда требуется надевать резиновые перчатки и сапоги (резина не проводит электричества, а, значит, поражения не будет).

Закон Ома для участка цепи

Вместе с тем, встречались случаи, когда человек даже после контакта с электричеством оставался живой и невредимый. Это объясняется сопротивлением. Скорость движения и количество перемещаемых частиц уменьшается по мере увеличения сопротивления, которым обладает каждое вещество. Таким образом, при необходимости уменьшить данные параметры можно просто увеличить сопротивление.

Сила тока в быту

Основное ее назначение в быту – передача энергии. Электроны, взаимодействуя с различными веществами, меняют их свойства. Например, вольфрам начинает излучать свечение (так устроена обыкновенная лампочка), а другим химическим элементам, у которых высокие значения сопротивления, электричество отдает тепло (так устроена электроплитка). В некоторых случаях происходит отделение веществ друг от друга (при производстве алюминия).

Очень важно при монтаже электрических цепей в квартире или на предприятии избегать контакта полюсов. Если это произойдет, наступит «короткое замыкание», в результате которого резко увеличится сила тока в проводнике. Это приведет к его резкому нагреву и, возможно, даже пожару.

Электричество в быту

Итак, ответ на вопрос, что такое амперы, может быть следующим: это отражение скорости движения электронов по проводнику за единицу времени. Чем она больше, тем выше опасность поражения, но тем большее количество энергии передается.

Видео

Основные величины и меры электрического тока

На этой страничке кратко излагаются основные величины электрического тока. По мере необходимости, страничка будет пополняться новыми величинами и формулами.

Сила тока – количественная мера электрического тока, протекающего через поперечное сечение проводника. Чем толще проводник, тем больший ток может по нему течь. Измеряется сила тока прибором, который называется Амперметр. Единица измерения — Ампер (А). Сила тока обозначается буквой – I.

Следует добавить, что постоянный и переменный ток низкой частоты, течёт через всё сечение проводника. Высокочастотный переменный ток течёт только по поверхности проводника – скин-слою. Чем выше частота тока, тем тоньше скин-слой проводника, по которому течёт высокочастотный ток. Это касается любых высокочастотных элементов — проводников, катушек индуктивности, волноводов. Поэтому, для уменьшения активного сопротивления проводника высокочастотному току, выбирают проводник с большим диаметром, кроме того, его серебрят (как известно, серебро имеет очень малое удельное сопротивление).

Читайте также:  Как рассчитать амортизацию автомобиля

Напряжение (падение напряжения) – количественная мера разности потенциалов (электрической энергии) между двумя точками электрической цепи. Напряжение источника тока – разность потенциалов на выводах источника тока. Измеряется напряжение вольтметром. Единица измерения — Вольт (В). Напряжение обозначается буквой – U, напряжение источника питания (синоним — электродвижущая сила) может обозначаться буквой – Е.

Узнайте больше о напряжение в нашей статье.

Мощность электрического тока – количественная мера тока, характеризующая его энергетические свойства. Определяется основными параметрами – силой тока и напряжением. Измеряется мощность электрического тока прибором, который называется Ваттметр. Единица измерения — Ватт (Вт). Мощность электрического тока обозначается буквой – Р. Мощность определяется зависимостью:

Коснусь практического применения этой формулы на примере: Представьте, что у Вас есть электронагревательный прибор, мощность которого Вам не известна. Чтобы узнать потребляемую прибором мощность, измерьте ток и умножьте его значение на напряжение. Либо наоборот, имеется прибор мощностью 2 кВт (киловатт), на напряжение сети 220 вольт. Как узнать силу тока в кабеле питающего этот прибор? Мощность делим на напряжение, получаем ток: I = P / U = 2000 Вт/220 В = 9,1 А.

Потребляемая электроэнергия – суммарное значение потребляемой мощности от источника электрической сети за единицу времени. Измеряется потребляемая электроэнергия счётчиком (обыкновенным квартирным). Единица измерения – киловатт*час (кВт*ч).

Сопротивление элемента цепи – количественная мера, характеризующая способность элемента электрической цепи сопротивляться электрическому току. В простом виде, сопротивление это обыкновенный резистор. Резистор может использоваться: как ограничитель тока – добавочный резистор, как потребитель тока – нагрузочный резистор. Источник электрического тока так же обладает внутренним сопротивлением. Измеряется сопротивление прибором называемым Омметром. Единица измерения — Ом (Ом). Сопротивление обозначается буквой – R. Связано с током и напряжением законом Ома (формулой):

где U – падение напряжения на элементе электрической цепи, I – ток, протекающий через элемент цепи.

Рассеиваемая (поглощаемая) мощность элемента электрической цепи – значение мощности рассеиваемой на элементе цепи, которую элемент может поглотить (выдержать) без изменения его номинальных параметров (выхода из строя). Рассеиваемая мощность резисторов обозначается в его названии (например: двух ваттный резистор — ОМЛТ-2, десяти ваттный проволочный резистор – ПЭВ-10). При расчёте принципиальных схем, значение необходимой рассеиваемой мощности элемента цепи рассчитывается по формулам:

Для надёжной работы, определённое по формулам значение рассеиваемой мощности элемента умножается на коэффициент 1,5 , учитывающий то, что должен быть обеспечен запас по мощности.

Проводимость элемента цепи – способность элемента цепи проводить электрический ток. Единица измерения проводимости – сименс (См). Обозначается проводимость буквой — σ. Проводимость — величина обратная сопротивлению, и связана с ним формулой:

Если сопротивление проводника равно 0,25 Ом (или 1/4 Ом), то проводимость будет 4 сименс.

Частота электрического тока – количественная мера, характеризующая скорость изменения направления электрического тока. Имеют место понятия — круговая (или циклическая) частота — ω, определяющая скорость изменения вектора фазы электрического (магнитного) поля и частота электрического тока — f, характеризующая скорость изменения направления электрического тока (раз, или колебаний) в одну секунду. Измеряется частота прибором, называемым Частотомером. Единица измерения — Герц (Гц). Обе частоты связаны друг с другом через выражение:

Период электрического тока – величина обратная частоте, показывающая, в течение, какого времени электрический ток совершает одно циклическое колебание. Измеряется период, как правило, с помощью осциллографа. Единица измерения периода — секунда (с). Период колебания электрического тока обозначается буквой – Т. Период связан с частотой электрического тока выражением:

Длина волны высокочастотного электромагнитного поля – размерная величина, характеризующая один период колебания электромагнитного поля в пространстве. Измеряется длина волны в метрах (м). Длина волны обозначается буквой – λ. Длина волны связана с частотой и определяется через скорость распространения света:

Электрическая ёмкость – количественная мера, характеризующая способность накапливать энергию электрического тока в виде электрического заряда на обкладках конденсатора. Обозначается электрическая ёмкость буквой – С. Единица измерения электрической ёмкости — Фарада (Ф).

Магнитная индуктивность – количественная мера, характеризующая способность накапливать энергию электрического тока в магнитном поле катушки индуктивности (дросселя). Обозначается магнитная индуктивность буквой – L. Единица измерения индуктивности — Генри (Гн).

Реактивное сопротивление конденсатора (ёмкости) – значение внутреннего сопротивления конденсатора переменному гармоническому току на определённой его частоте. Реактивное сопротивление конденсатора обозначается — Х С и определяется по формуле:

Реактивное сопротивление катушки индуктивности (дросселя) – значение внутреннего сопротивления катушки индуктивности переменному гармоническому току на определённой его частоте. Реактивное сопротивление катушки индуктивности обозначается Х L и определяется по формуле:

Резонансная частота колебательного контура – частота гармонического переменного тока, на которой колебательный контур имеет выраженную амплитудно-частотную характеристику (АЧХ). Резонансная частота колебательного контура определяется по формуле:

Добротность колебательного контура — характеристика, определяющая ширину АЧХ резонанса и показывающая, во сколько раз запасы энергии в контуре больше, чем потери энергии за один период колебаний. Добротность учитывает наличие активного сопротивления нагрузки. Добротность обозначается буквой – Q.

Для последовательного колебательного контура в RLC цепях, в котором все три элемента включены последовательно, добротность вычисляется:

где R, L и C — сопротивление, индуктивность и ёмкость резонансной цепи, соответственно.

Для параллельного колебательного контура, в котором индуктивность, емкость и сопротивление включены параллельно, добротность вычисляется:

Скважность импульсов – это отношение периода следования импульсов к их длительности. Скважность импульсов определяется по формуле:

Читайте также:  Сигнализация Старлайн не реагирует на брелок способы решения проблемы

Ампер: характеристика единицы измерения силы тока

Время на чтение:

Традиционный символ I происходит от французского словосочетания intensité du courant, что на русском языке означает «сила тока». Эта фраза часто используется в старых текстах. В современной практике её зачастую укорачивают до слова «ток». Обозначение I было впервые использовано самим Андре-Мари Ампером, в честь которого названы единица электрического тока и разработанный им закон.

Великий учёный

Имя André-Marie Ampère увековечено среди имён других 72 учёных на первом этаже Эйфелевой башни. Его вклад в науку заложил фундамент для понимания явлений электромагнетизма. Хоть Андре-Мари был не первым человеком, обнаружившим связь между электричеством и магнетизмом, он впервые попытался теоретически объяснить и продемонстрировать, как в математических выражениях расписывается связь между этими явлениями. Ампер с помощью устройства собственного изобретения смог измерить ток, а не просто зафиксировать его присутствие.

Учёный родился в Лионе в 1775 году и был современником Французской революции. Будучи сыном коммерсанта и чиновника, он с ранних лет проявлял страсть к математике, а став подростком, читал сложные трактаты Эйлера и Лагранжа. Получил должность профессора математики Парижской политехнической школы в 1809 году, а в 1814 г. был избран членом Академии наук. Хоть Андре-Мари преподавал математику, его интересы распространялись на многие области, в том числе на химию и физику.

Наиболее значимый документ Ампера по теории электричества был опубликован в 1826 году. Теоретические основы, представленные в этом труде, стали фундаментом для дальнейших открытий в области электричества и магнетизма. Получив известность и признание в высокоуважаемых академиях и научных организациях мира, Ампер избегал публичности и чувствовал себя счастливым только в скромной лаборатории в Париже.

Несмотря на достижения и место в обществе, судьба учёного сложилась довольна трагично. В 1793 году его отца гильотинировали за политические убеждения. Это событие стало причиной глубокой депрессии Андре-Мари и едва не свело его с ума. Первая жена рано ушла из жизни после продолжительной болезни, второй брак был неудачным и несчастливым. Сам Ампер умер в 1836 году от воспаления лёгких в Марселе и был похоронен на кладбище Монмартр в Париже.

Электрический ток

Электричеством называют форму энергии, основанной на наличии электрических зарядов в веществе. Вся материя состоит из атомов, а атомы содержат заряженные частицы. Каждый протон в атомном ядре содержит одну единицу положительного электрического заряда, а каждый электрон, вращающийся вокруг ядра, несёт в себе единицу отрицательного. Электрические явления возникают, когда электроны покидают атомы: потеря одного или нескольких из них превращает атом в положительно заряженный ион. Все явления, происходящие с зарядами, могут быть отнесены к двум основным категориям:

  • статическое электричество;
  • электрический ток.

Первый термин описывает поведение зарядов в состоянии покоя. Подобные явления хорошо иллюстрируют наэлектризованные волосы — они будут отталкиваться друг от друга, поскольку обладают одним зарядом.

Электрический ток имеет отношение к поведению зарядов в движении. Чтобы они перемещались непрерывно, им нужно обеспечить беспрепятственный маршрут. Путь для зарядов называют электрической цепью. Простейшая электрическая цепь, как правило, состоит из следующих элементов:

  • источника;
  • нагрузки;
  • соединяющих проводников.

Электрическим током называют любое движение носителей электрических зарядов: субатомных частиц (электронов или протонов), ионов (атомов, потерявших или набравших электроны) или квазичастиц (дырок в полупроводниках, которые можно рассматривать в качестве положительно заряженных носителей).

Ток в проводнике представляет собой движение электронов в одном направлении (постоянный) или с периодической сменой направления движения (переменный). В газах и жидкостях он состоит из потока положительных ионов в одном направлении вместе с потоком отрицательных в обратном. Существуют и другие его виды, например, пучки протонов, позитронов или других заряженных мюонов в ускорителях частиц.

В отношении общепринятого направления тока существует некоторое противоречие, основа которого была заложена более двух веков назад. Поскольку в те времена электроны ещё не были обнаружены, учёные предположили, что перемещаемые частицы несли положительный заряд. Традиция обозначать направление тока как направление движения положительных частиц не забыта и сейчас, хоть в проводниках носителями заряда являются электроны.

Единица и определение

Важнейшей характеристикой для описанных явлений является количественное измерение потока заряженных частиц. Этот показатель называют силой тока, его единица измерения — ампер (обозначается A). В численном выражении 1 ампер равен единичному заряду (1 кулону), проходящему через точку в цепи за единицу времени (1 секунду). Таким образом, A можно рассматривать как скорость потока I=Q/T, имеющую такой же смысл для заряда, как и скорость для физических тел. Широко применяются следующие кратные единицы:

  • 10 −6 А — микроампер мкА;
  • 10 −3 А — миллиампер мА;
  • 10 3 А — килоампер кА.

Эволюция эталона

В знак признания фундаментальных работ великого физика André-Marie Ampère название ампер было принято в качестве электрической единицы измерения на международной конвенции в 1881 году. По международному определению 1883 года 1ампером являлся ток, способный при прохождении раствора нитрата серебра выделить 0,001118000 грамм серебра за секунду. Более поздние замеры показали, что принятый эквивалент составлял 0,99985 A, поэтому способы расписать ампер через явления электролиза со временем перестали удовлетворять из-за растущих требований к точности.

С 1948 года A (amper) был определён в Международной системе единиц как неизменяющийся ток, протекающий в двух параллельных проводниках бесконечной длины и ничтожно малого сечения, помещённых на расстоянии одного метра друг от друга в вакууме, и производящий между ними силу взаимодействия, равную 2х10 -7 ньютонов на метр длины. Это определение базируется на явлении электромагнетизма, связывая метр, килограмм и электрические единицы магнитной постоянной (1.25663706х10 -6 м кг с -2 А -2) .

Читайте также:  Двигатель BMW M62B44 описание, характеристики, обслуживание

Реализация такого эталона основана на работе сложных электромеханических устройств. Их точность ограничивается десятимиллионными долями, что недостаточно для современных нужд. Эта проблема классического определения ампера привела к новой практической реализации. В соответствии с ней все электрические единицы рассматриваются как производные от электрических квантовых стандартов на основе эффекта Джозефсона и квантового эффекта Холла. Подобная привязка позволяет воспроизводить единицу с точностью до миллиардных долей.

Будущее величины в СИ

В 2005 году Международный комитет мер и весов начал первые приготовления к переопределению единиц СИ с целью привязки их к естественным константам. В соответствии с таким взглядом на эталоны ампер будет определяться подсчётом одиночных частиц с элементарным зарядом e. На основании решения 2014 года пересмотр вступает в силу в 2018 году.

Элегантная реализация нового определения A теоретически возможна с помощью одноэлектронных насосов, производящих электрический ток через синхронизированный контролируемый транспорт одиночных электронов. Некоторые международные исследования в этом направлении уже близки к достижению такой амбициозной цели.

Воздействие на человека

В большинстве случаев электрический ток представляет собой поток электронов. Поскольку ампер является мерой количества заряда, проходящего в секунду, нетрудно будет посчитать количество электронов в перемещённом заряде: 1 Кл = 6,24151·10 18 . То есть один ампер равен потоку 6340 квадриллионов частиц в секунду. Это колоссальная цифра, но вряд ли она иллюстративна для сравнительного понимания, когда показатель чего-либо измеряют в амперах. В этом помогут следующие повседневные примеры:

  • 160х10 -19 — один электрон в секунду;
  • 0,7х10 -3 — слуховой аппарат;
  • 5х10 -3 — пучок в кинескопе телевизора;
  • 150х10 -3 — портативный ЖК телевизор;
  • 0,2 — электрический угорь;
  • 0,3 — лампа накаливания;
  • 10 — тостер, чайник;
  • 100 — стартер автомобиля;
  • 30х10 3 — удар молнии;
  • 180х10 3 — дуговая печь для ферросплавов;
  • 5х10 6 — дуга между Юпитером и Ио.

Порог смертельно опасного воздействия на человеческий организм начинается с 18 мА. Ток, превышающий это значение и проходящий через грудную клетку, способен стимулировать мышцы груди таким образом, что их спазмы могут вызвать полную остановку дыхания. Другой опасный эффект при подобном воздействии связан с фибрилляцией желудочков сердца. Основные факторы летальности:

  1. Сила тока. Так как сопротивление между точками входа и выхода — постоянная величина, по закону Ома высокое напряжение делает вероятным высокий ампераж.
  2. Маршрут протекания. Наиболее опасны для сердечной мышцы направления рука-рука и передняя-задняя части грудной клетки.
  3. Индивидуальная чувствительность к воздействию электричества и особенности организма (сопротивление кожи и её влажность, возраст и пол, заболевания, наличие медицинских имплантов).
  4. Продолжительность воздействия.

Большое влияние на тяжесть поражения током оказывает также неспособность отпустить источник. При условии, что пальцы человека держат в руках один из контактов под напряжением, многие взрослые люди не могут отпустить источник при протекающем постоянном токе менее 6 мА. При 22 мА это будет не под силу всем людям. 10 мА для человека, находящегося в воде, достаточно, чтобы вызвать полную потерю контроля над мышцами.

Практические измерения

Подсчёт количества электронов в проводнике с секундомером в руке практически неосуществим, поэтому ток измеряют специальными приборами (амперметрами) или косвенными расчётами. Амперметры устроены таким образом, что они реагируют на магнитное поле, создаваемое измеряемым током. Существуют различные типы подобных измерительных приборов, но все они основаны на одном принципе. Общие правила измерений силы тока можно свести к следующему перечню:

  1. Амперметр всегда включается последовательно к нагрузке, при измерениях ток должен протекать через прибор. Подключение прибора параллельно может привести к протеканию в нём слишком больших токов, что способно вызвать его выход из строя.
  2. Для высокой точности измерений внутреннее сопротивление прибора должно быть настолько низким, насколько это возможно, чтобы не влиять на параметры цепи.
  3. Следует позаботиться о виде тока (AC или DC). В случае с постоянным обязательно обратить внимание на полярность.
  4. Диапазон измерений должен быть настолько большим, насколько это возможно без вреда для точности. Важно, чтобы неизмеряемое значение не оказалась за пределами шкалы.

Возможны случаи, когда контур невозможно разомкнуть для замеров или нужное место в цепи труднодоступно. В таких ситуациях измерение можно выполнить косвенно. Определив падение напряжения на резисторе, можно с помощью закона Ома определить ток. Косвенные измерения удобно производить мультиметром — прибором, объединяющим функции омметра, вольтметра и амперметра.

В ситуациях, когда ток слишком высок для того, чтобы измерить его стандартным прибором, используют шунтирование. Самый дешёвый и простой способ — параллельное присоединение к участку резистора с омметром. Применение для измерений трансформатора тока добавляет важное преимущество, заключающееся в создании гальванической развязки между измерительным прибором и схемой, в которой измеряется ток. Но в этом случае анализ возможен только для переменного тока.

Измерения тока на реальных схемах выполняются в большинстве случаев для двух целей. Основная задача замеров — контроль за питанием. Вторая функция анализа токов заключается в определении неисправностей или превышения допустимого ампеража.

Очень важен выбор правильной технологии снятия показаний, чтобы компоненты контрольного оборудования способны были должным образом работать в пиковых и аварийных режимах. Современное развитие цифровой и компьютерной техники значительно расширило возможности точного измерения и исследования токов косвенными методами, а полупроводниковые технологии недалёкого будущего обещают дозировать электричество с точностью до единичного заряда.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector