Понятие силы тока широко применяется в электротехнике. Выбор сечения проводников, расчет нагревательных систем, электролизных установок, анализ электрических цепей и многое другое не обходится без представления о силе протекающего электрического тока. Чтобы понять, как измеряется и рассчитывается эта величина, надо разобраться с некоторыми теоретическими аспектами.
Теоретическая часть
Еще на заре электротехники было замечено, что при прохождении тока через проводник возникают следующие внешние проявления:
- Тепловое (проводник под током нагревается).
- Химическое (электролиз жидкостей и расплавов).
- Магнитное (возникновение магнитного поля вокруг проводника).
- Механическое (как следствие магнитного).
- Биологическое (воздействие на живые организмы).
При различных условиях эти действия проявляются с разной интенсивностью. Чтобы количественно оценить уровень подобных явлений, на определенном этапе назрело введение понятия силы электрического тока.
Определение силы тока
Электрический ток всегда связан с переносом заряда. Под действием электрического поля хаотическое движение носителей заряда становится упорядоченным, общий вектор перемещения получает четкую направленность. Сила электрического тока равна суммарному количеству заряда, проходящего через сечение проводника за 1 секунду. В виде формулы это записывается, как , где:
- I – сила тока в амперах;
- Q – суммарный заряд в кулонах;
- t – время (в СИ измеряется в секундах).
Если заряд, прошедший за 1 секунду через поперечное сечение проводника, равен 1 кулону, то говорят, что по проводнику течет ток в 1 ампер.
В физике сила вообще – величина векторная, но сила тока – скаляр. Такая формулировка сложилась исторически.
Многие электрические явления можно объяснить аналогией с потоком воды. Например, имеется труба, через которую течет вода. В данном случае аналогия с электрическим током – расход воды через трубу. Например, если за секунду из одной трубы вытекает 10 литров воды, а из другой – 2 литра, можно говорить о том, что расход через первую трубу в 5 раз выше, чем через вторую. Так и с двумя проводниками – если через один провод проходит в пять раз больше носителей заряда (в данном случае – электронов), то и ток через проводник будет в 5 раз больше.
Единица измерения и обозначение силы тока
В международной системе единиц СИ сила тока измеряется в Амперах. При токе в 1 ампер через сечение проводника за 1 секунду проходит заряд, равный заряду 6,24 миллиарда миллиардов (6,24*1018) электронов.
Такое определение не очень удобно, поэтому величина в 1 ампер вводится через явление взаимодействия проводников. Если через два проводника пропустить ток, то они будут или притягиваться, или отталкиваться (в зависимости от направления движения носителей заряда).
Сила этого взаимодействия зависит от величины тока и от длины проводов. Принято, что за 1 ампер принимается такая сила тока, при которой два проводника длиной в 1 метр будут взаимодействовать с силой 0.0000002 Н (2*10−7 Н).
На практике применяются кратные и дольные единицы от ампера — килоамперы, микроамперы, миллиамперы и т.д.
Формулы для вычисления
На практике пользоваться и этим способом вычисления силы тока затруднительно. Чаще всего искомая величина рассчитывается из общеизвестных законов, содержащих величины, которые можно измерить или они известны.
В первую очередь, это закон Ома для участка цепи. В формульном виде его записывают, как I=U/R. Зная напряжение и сопротивление, можно найти ток.
Если напряжение и сопротивление известны, их просто подставляют в формулу. Если одна или две величины неизвестны, их можно замерить или вычислить. Например, посчитать сопротивление можно исходя из материала проводника, его сечения и длины.
Бывает так, что известна мощность потребителя и напряжение, на которое он рассчитан. Например, для бытовых электроприборов эти сведения указывают в паспорте или на шильдике. Эти величины связаны с током соотношением P=U*I (для постоянного или однофазного переменного тока). Отсюда формула для силы тока будет выглядеть, как I=P/U. Например, имея лампочку мощностью в 60 ватт, предназначенную для включения в сеть 220 вольт, можно ожидать, что ток через нее составит I=60/220=0,273 А.
Строго говоря, для переменного тока надо учесть существование реактивной составляющей, и формула для однофазной сети должна выглядеть, как P=U*I*cosφ, где φ – угол между током и напряжением. Но в большинстве случаев расчет тока нужен для выбора сечения проводников, поэтому в этом случае можно (и нужно) пользоваться формулой для полной мощности переменного тока S=U*I, где S-полная мощность в вольтамперах (упрощенно — аналог ватта).
Методы измерения силы тока
Непосредственно обнаружить направленное движение электронов и подсчитать их количество, проходящее через сечение проводника, естественно, не представляется возможным (по крайней мере, в быту и технике). Поэтому обнаружение тока и измерение его силы производится по его воздействию при прохождении в проводнике.
Чаще всего (а в доцифровую эпоху – всегда) используется магнитное действие и сопровождающее его механическое. На этом явлении основан принцип действия стрелочных амперметров (часто используется неверное название аналоговые). При прохождении тока вокруг проводника возникает магнитное поле, которое, при взаимодействии с внешним магнитным полем, может заставить повернуться рамку с катушкой. Чем больше ток, тем больше вращающий момент.
Так устроен, например, амперметр магнитоэлектрического типа. В нем измеряемый ток пропускается через катушку, которая может вращаться вокруг оси. Этому вращению противодействует пружина. Вращающаяся система помещена в магнитное поле постоянного магнита. При прохождении тока магнитные поля катушки и магнита взаимодействуют так, что катушка поворачивается. Угол ограничивается противодействием пружины и величиной проходящего тока. К оси катушки прикреплена стрелка, которая указывает на определенное значение силы тока на шкале.
Схожим образом устроен амперметр электродинамической системы, только вместо постоянного магнита в нем есть неподвижная катушка, соединенная с подвижной последовательно или параллельно. При прохождении тока взаимодействуют магнитные поля обеих катушек, и ось поворачивается на определенный угол.
Ток оказывает и другие воздействия, внешние проявления которых можно увидеть и измерить – тепловое, биологическое и т.п. Эти проявления использовать сложнее, но в некоторых случаях они позволяют косвенно судить о силе тока в цепи – например, чем больше сила тока, тем сильнее нагревается спираль электрической плитки или тем ярче светит электролампочка.
Принцип действия цифровых амперметров основан на законе Ома – сила тока, согласно этому закону, прямо пропорциональна напряжению. Если последовательно с нагрузкой включить резистор с маленьким сопротивлением (шунт), то ток через шунт и нагрузку будет одинаковым. Сопротивление шунта известно, поэтому ток вычисляется по закону Ома по падению напряжения на шунте (I=U/Rшунта), полученное значение выводится на цифровой дисплей.
Сопротивление шунта выбирается малым по сравнению с сопротивлением нагрузки, чтобы не создавать излишнего падения напряжения.
Помимо необходимости расчетов фактических параметров электрических цепей, возможность определения силы тока важно в сфере безопасности. Ток выше определенного значения опасен для живых организмов и может нанести непоправимый вред.
