Что такое сила тока: определение, формула, единицы измерения

Понятие о силе тока — важнейшее в электротехнике.

Знание силы тока и формула необходимы для подбора сечения проводов и конструирования электроприборов.

Что это такое?

Электрическим током называют однонаправленное движение заряженных частиц. Сила тока — понятие, характеризующее данный процесс. Его физический смысл состоит в количестве заряда, протекающем через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Единицы измерения

В Системе международных единиц силу тока принято измерять в амперах (А). Так решила международная конференция электриков в 1881 г.

Ампер Андре-Мари — французский ученый, работавший в сфере физики и математики и приложивший немало труда в исследовании электричества. Его заслуги в данной области столь высоки, что многие представители ученого мира считают Ампера, достойным звания основателя электродинамики.

Ток в 1 А — достаточно сильный, потому зачастую применяют единицы миллиампер (мА, 0,001 А) и микроампер (мкА, 10^-6 А).

В системе единиц:

• СГСМ (электромагнитной), гораздо менее распространенной, силу тока измеряют в абамперах или био. Соотношение единиц следующее: 1 ампер = 0,1 абампер;
• СГСЭ (электростатической) применяют единицу статампер. Соотношение: 1 ампер = 2997924536,843 статампер.

Формула

При выполнении расчетов силу тока обозначают литерой I.

Формула силы тока представляется такой I = q / t, где:

• q — заряд, Кл (кулон);
• T — время, с.

Отсюда следует размерность ампера: {А} = {Кл / с}. 1 Кл равен заряду 6,241509343 х 10¹⁸ электронов. В 2011 году определение единицы ампер, как и некоторых других, было решено изменить, привязав его к заряду электрона.

При известных — напряжении и электрическом сопротивлении проводника, силу тока определяют по закону Ома для участка цепи I = U / R, где:

• U — напряжение, В;
• R — электрическое сопротивление участка цепи, Ом.

Определение

В системе СИ ток силой в 1 А определяют как такой, который при протекании по двум бесконечно длинным проводам пренебрежимо малого сечения, находящимся в вакууме и удаленным друг от друга на расстояние в 1 м, вызывает силу притяжения между ними в 2х10^-7 ньютон (Н).

Абампер в системе СГСМ определяется так же, только при этом сила измеряется в динах, а расстояние — в сантиметрах. Притяжение между проводами обусловлено наличием магнитных полей, всегда возникающих вокруг движущихся заряженных частиц (закон Био-Савара).

В конце 19-го века имело силу иное определение, основанное на способности электротока осуществлять электролиз, то есть выделять из раствора различные элементы.

Данная способность обусловлена тем, что в сложных химических веществах всегда присутствуют два компонента: окислитель и восстановитель.

Окислитель притягивает электроны восстановителя и приобретает отрицательный заряд, восстановитель — соответственно, положительный.

При пропускании тока через раствор отрицательно заряженные атомы окислителя притягиваются к электроду с положительным потенциалом, атомы восстановителя — к отрицательному. Количество выделенного вещества зависит от величины пропускаемого через раствор электричества.

В ходе опытов было определено, что ток силой в 1 А выделяет из раствора соли серебра 4,025 г этого металла в час (0,001118 г за секунду).

Сила тока разных устройств

Сила тока, протекающего в различных приборах и схемах, довольно сильно варьируется, вот несколько примеров:

• слуховой аппарат: 0,7 мА;
• плазменный телевизор с диагональю экрана 56 дюймов: 250–290 мА;
• тостер, мини-духовка: 5-6 А;
• лампа накаливания: 500–830 мА;
• фен для волос: 4,5 А.

В электрической цепи

Ток в электрической цепи подчиняется законам, открытым Г. Кирхгофом:

1. в узлах цепи (в разветвлениях) геометрическая сумма токов равна нулю. Иными словами, сумма токов, подходящих к узлу, равна сумме токов, исходящих из него. Это учитывают при расчете силы тока в проводе, проложенном от распределительного щита на лестничной клетке до внутриквартирной электро-раздаточной коробки. Поскольку запитанные от коробки розетки и светильники подключены по параллельной схеме, то есть коробка представляет собой разветвление, сила тока в подводящем проводе будет равна сумме токов в светильниках и включенных в розетки приборах. На основании этих данных подбирают сечение проводов;
2. на всем протяжении неразветвленного участка цепи сила тока является постоянной. То есть в простейшей цепи «источник – проводник – лампа накаливания – проводник-источник» амперметр (прибор для измерения силы тока) покажет одинаковое значение как до лампы, так и после нее. Если бы была возможность измерить силу тока в нити накаливания светильника, то и здесь она была бы такой же.

На этом явлении основано действие выключателя дифференциального тока, известного в обиходе под названием «устройство защитного отключения» (УЗО). Один контакт прибора подключается к фазе, другой — к нулевому проводу, которые по сути, являются началом и концом обслуживаемой данным УЗО цепи.

Согласно этому закону, токи в обеих частях прибора при нормальной работе цепи будут равными, независимо от вида и мощности подключенной нагрузки. Если вдруг появится разница (дифференциальный ток), это будет свидетельствовать об утечке тока.

В свою очередь, утечка означает одно из трех:

1. пробило фазу на заземленный корпус электроприбора;
2. человек или животное коснулись токоведущих частей и получили удар током;
3. возник контакт между токоведущими частями и заземленными металлическими конструкциями, чреватый пожаром.

УЗО устроено так, чтобы при наличии дифференциального тока отключиться. Сигналом служит магнитное поле, появляющееся в приборе при утечке, тогда как при равных токах создаваемые ими магнитные поля взаимно уничтожаются.

Сечение провода

Протекающий в проводнике электрический ток действует двояко:

• создает электромагнитное поле;
• вызывает нагрев проводника.

Если магнитное поле пренебрежимо мало (провод не смотан в катушку), почти вся мощность тока затрачивается на нагрев.

Сечение провода по току и мощности

Мощность нагрева определяется формулой W = I² * R, где:

• W — мощность нагрева, Вт;
• I — сила тока, А;
• R — сопротивление проводника, Ом.

Сопротивление проводов зависит от площади их поперечного сечения: чем она больше, тем ниже сопротивление. Потому при проектировании электропроводки важно так подобрать сечение проводов (используются специальные таблицы), чтобы они при номинальной нагрузке не перегревались. В противном случае возможны оплавление изоляции с последующим коротким замыканием либо пожар.

Ток короткого замыкания

Выше приводилась формула, увязывающая силу тока с напряжением и сопротивлением: I = U / R. Очевидно, что при значении R близком к нулю, каковое имеется, к примеру, у меди и алюминия (используются для изготовления жил кабелей), сила тока стремится к бесконечности.

Данное явление называют «током короткого замыкания» (КЗ). Оно имеет место при возникновении электрического контакта между фазным и нулевым проводниками, минуя нагрузку.

Ток КЗ вызывает значительный нагрев проводов, что чревато пожаром. Поэтому электросети защищают специальными аппаратами — автоматическими выключателями или предохранителями.

При силе тока выше номинального значения, внутри аппарата плавится проводник (предохранители) или срабатывает термореле (автоматические выключатели), в результате чего цепь разъединяется.

Сила переменного тока

Значение силы переменного тока постоянно меняется по синусоидальному закону. Силу тока в определенный момент времени называют мгновенным значением.

Вести расчеты с использованием мгновенного значения довольно неудобно: приходится иметь дело с крайне сложно решаемыми тригонометрическими уравнениями. Для упрощения задачи, переменный ток заменяют его действующим значением. Это постоянный ток, эквивалентный данному переменному, то есть производящий такую же работу.

Действующее значение синусоидального переменного тока в 1,41 раза меньше его амплитудного значения. То есть если говорится, что в цепи переменного тока протекает ток силой 5 А, значит на самом деле ток в ней колеблется между 7,05 А и -7,05 А.

Аналогично поступают с переменным напряжением. То есть в однофазной 220-вольтовой сети напряжение на самом деле колеблется с амплитудой в 311 В.

Видео по теме

Что такое сила тока? Объяснение в видео:

Сила тока — важнейший параметр, характеризующий состояние электрической цепи. Потому радиолюбителю часто приходится измерять ее при помощи амперметра или мультиметра. При этом важно помнить, что некоторые приборы не имеют защиты от перегрузки и как следствие диапазон измерений при неизвестном порядке измеряемой величины, следует подбирать начиная с наибольшего значения.