Сила тока - законы, формулы и примеры расчетов

Начинающие электротехники пренебрегают ей, и делают основной акцент на напряжении. Это часто приводит к дополнительным финансовым затратам, направленным на закупку радиодеталей, вышедших из строя.

Общие сведения

Новички очень часто путают электрический ток и его силу. Первым является движение заряженных частиц или носителей заряда, на которые действует электромагнитное поле в некотором направлении. Сразу следует отметить, что ток является векторной величиной, поскольку имеет направление. Заряженные частицы могут быть различные, а не только электроны.

В генерации электромагнитного поля принимают «участие» протоны и нейтроны. В полупроводниках носителями зарядов являются дырки. В электролитах (растворов, проводящих электроток) и газах — ионы.

Определение силы тока: количество электричества Q, протекающее через поперечное сечение S проводника любого типа (проводник или полупроводник) за определенную единицу времени t (берется величина, равная 1 секунде). Q — величина, характеризующая количество одиночных носителей заряда, протекающих через проводник за некоторое время.

Физики сокращенно называют величину током.

Единица измерения

Обозначение силы тока зависит от его типа. Он бывает постоянным и переменным, которые отличаются направлением и частотой. В первом случае записывается прописной буквой I. Он имеет только одно направление. Во втором — i. Кроме того, он постоянно меняет направление с частотой, которая определяется по некоторому закону. Например, в жилых помещениях она составляет 50 Гц.

Единица силы тока равна одному амперу (А). Физический смысл 1 А следующий: неизменяющийся ток, проходящий по двум проводникам, длина которых стремится к бесконечности и площади поперечного сечения, стремящейся к 0, расположенных в безвоздушном пространстве (вакууме) на расстоянии 1 м и вызывающий силу взаимодействия между ними, равную 20 мкН. Приставка «мк» означает, что число 20 следует умножить на 10^(-6).

Начинающему радиотехнику следует ознакомиться с кратными величинами, поскольку не всегда используется А. В электронике, радиотехнике и промышленности применяются его производные величины (в технических справочниках есть специальные таблицы):

1. Тераампер (ТА): 1 ТА = 10 ¹² А.
2. Гигаампер (ГА): 1 ГА = 10 ⁹ А.
3. Мегаампер (МА): 1 МА = 10 ⁶ А.
4. Килоампер кА (1 кА = 10 ³ А) используется в различной промышленности. Например, распределительные станции для шахтного оборудования.
5. Миллиампер мА: 1 мА = 10^(-3) А = 0,001 А.
6. Микроампер мкА: 1 мкА = 10^(-6) А.

Первые три применяются в атомной и силовой энергетике. Электростанции являются очень мощными источниками электричества, и генерируют огромные значения тока. Вторую приставку используют для расчетов в некоторых отраслях металлообрабатывающей и угледобывающей промышленностях. Например, для расчета распределительных станций, которые питают мощное шахтное оборудование.

С последними двумя приставками можно столкнуться при проектировании и расчете маломощных устройств (например, материнская плата для ноутбука или планшетного ПК). Однако приставки кратности применяются только для записи конечных результатов.

Подключение амперметра

Значение тока можно получить двумя методами. Первый из них является практическим. Измерение значения выполняется при помощи прибора, который называется амперметром. Он подключается в цепь последовательно с нагрузкой (рис. 1).

Рисунок 1. Схема подключения амперметра в простейшем блоке питания

На рис. 1 амперметр подключается последовательно к нагрузке «Н». Если включить блок питания в сеть без нее, то показание стрелки прибора будет незначительным, поскольку диодный мост потребляет малое количество электроэнергии, и является вторичным источником питания. Конденсаторы сглаживают пульсации тока, т. е. делают из него постоянный ток без колебаний и паразитарных частот.

Амперметры отличаются между собой по классу точности. Начинающему радиолюбителю очень важно знать порядок перевода одной единицы в другую. Для выполнения этой операции применяется определенный алгоритм.

Алгоритм перевода

Во время вычислений следует переводить значения некоторых величин в систему, которая является удобной. Однако сделать это без ошибок иногда не получается, поскольку новички не придерживаются некоторых правил. Специалисты предлагают специальный алгоритм, позволяющий правильно осуществлять эту операцию:

1. Записать исходную величину.
2. Умножить на значение приставки, представленное в экспоненциальной форме (например, 1 мкА = 1 * 10^(-6)).
3. Записать результат.

Далее следует разобрать алгоритм перевода на практическом примере. Пусть нужно перевести 1200 мкА в амперы. Если воспользоваться вышеописанным алгоритмом, то получится такой результат:

1. 1200 мкА (1 мк = 10^(-6)).
2. Умножение: 1200 * 10^(-6) = 12 * 10^2 * 10^(-6) = 12 * 10^(2 - 6) = 12 * 10^(-4).
3. Результат: 12 * 10^(-4).

Следует отметить, что представление приставки в экспоненциальной форме является удобной записью, поскольку экономит время (проще набрать на калькуляторе 12, а не 0,0012). Кроме того, перевод может сыграть важную роль при расчетах. Необходимо всегда соблюдать размерность величин.

Формулы и соотношения

Для расчетов следует знать основные законы и следствия из них.

Они указывают на зависимость искомой физической величины от других.

Используя основные соотношения, можно выполнить расчет других параметров (мощности, падения напряжения на одном из потребителей и т. д.).

К основным законам следует отнести следующие:

1. Правила Ома.
2. Закон теплового действия тока.
3. Законы Кирхгофа (I и II).

Первый связывает ток с электросопротивлением, ЭДС и напряжением. Для переменного он сильно отличается, поскольку вводится понятие активной и реактивной нагрузок. Второй применяется для расчета количества теплоты, выделяемого проводником при прохождении через него электротока.

Законы Кирхгофа применяются в электронике для расчета токов. Примером такого прибора является УЗО (устройство защитного отключения). Его принцип действия основан на I законе Кирхгофа.

Закон Ома

Закон Ома радиолюбители применяют для расчета не только участка электроцепи, но и всей схемы. Он представлен в двух формулировках: для участка цепи и полной. В первом случае берется какой-либо участок без учета источника питания. Во втором — появляется ЭДС и внутреннее сопротивления гальванического элемента (источника питания).

Формулировка в первом случае следующая: ток, протекающий через заданный участок цепи, прямо пропорционально зависит от значения напряжения (U), и обратно пропорционален электрическому сопротивлению этого участка (R). Формула силы тока имеет такой вид: I = U / R. Если рассматривать полную цепь, состоящую из резистора, источника питания и амперметра, то появляются параметры ЭДС и внутреннее сопротивление элемента питания (Rип).

Формулировка имеет следующий вид: сила тока (i или I) прямо пропорционально зависит от ЭДС (e) в полной цепи и обратно пропорционально от алгебраической суммы сопротивлений резистора (R) и гальванического элемента (Rип). Запись закона в математической форме следующая: i = e / (R + Rип).

На основании формул можно вывести некоторые соотношения. Они связывают одну физическую величину с другой. Это позволяет без особых проблем находить неизвестные параметры. Формулы называют еще следствием из законов. Вот некоторые из них:

1. Нахождение сопротивлений резистора и источника питания: R = U / I, R = (e / i) — Rип и Rип = (e / i) — R.
2. Напряжение и ЭДС: U = I * R и e = i * (R + Rип).

Кроме того, нужно знать еще одну формулу, с помощью которой находится мощность: P = U * I = U^2 / R = R * I^2.

Формула теплого действия

Электроток, протекающий через проводник, оказывает на последний тепловое воздействие. При этом происходит преобразование электроэнергии в тепловую. Объясняется этот феномен взаимодействием свободных носителей заряда с узлами кристаллической решетки, т. е. приводит к выделению некоторого количества теплоты Q.

Два ученых открыли (независимо друг от друга) закон вычисления тепловой энергии, которая выделяется при протекании электричества за некоторое время (t). Он получил название «закон Джоуля- Ленца». Его формулировка следующая: количество теплоты, которое выделяет проводник в результате прохождения через него электричества, прямо пропорционально зависит от I, U и t. Математическая форма следующая: Q = UIt = RtI^2 = (tU^2) / R = Pt.

Физики рекомендуют воспользоваться формулами-следствиями из него:

1. Ток: I = Q / (Ut) = [(Q / (Rt)]^(1/2).
2. Напряжение: U = Q / (It) = [QRt]^(1/2).
3. Время протекания тока: t = Q / (UI) = Q / (RI^2) = Q / (U^2 / R) = Q / P.

Когда ток не совершает какую-либо механическую работу и не действует на какой-либо элемент цепи, тогда выполняется преобразование всей электроэнергии в тепловую, т. е. Q = A.

Правила Кирхгофа

В физике всего два закона Кирхгофа. Формулировка первого имеет следующий вид: ток, входящий в узел цепи, равен исходящему току. Для примера следует рассмотреть схему 1. Она состоит из потребителей, которые являются резисторами.

Схема 1. Первый закон Кирхгофа

Ток I1 входит в узел А. После него распределяется на I2 и I3. Следовательно, I1 = I2 + I3. С узла D выходит ток I1, который состоит из I2 и I6.

Однако для расчета электрических цепей недостаточно одного закона Кирхгофа. Рекомендуется использовать также и второй (схема 2). Его формулировка следующая: в произвольном замкнутом контуре всегда выполняется равенство алгебраической суммы всех ЭДС и падений U на каждом элементе резистивного типа. Необходимо отметить, что е и U являются векторными величинами. Их направление указывается с помощью знаков «+» и «-», которые определяются по такому алгоритму:

1. Сделать выбор направления, по которому осуществляется обход: по часовой или против часовой стрелки.
2. Осуществить выбор направления протекания токов по цепи.
3. Расставить знаки е: совпадение с направлением — «+», а в другом случае — «-».

Физики рекомендуют рассматривать любой закон на практическом примере. На схеме 2 показаны следующие элементы: резистор R, источники питания с ЭДС Е1 и Е2. Следует отметить, что r1 и r2 - внутренние сопротивления источников питания с Е1 и Е2 соответственно.

Схема 2. Второй закон Кирхгофа

На схеме 2 видно, что Е1 направлена по часовой стрелке, а Е2 - в обратную сторону. Закон запишется таким образом: Е1 - Е2 = I1 * r1 - I2 * r2. Чтобы выразить величину Е2, следует рассмотреть правую ветвь: Е2 = I2 * r2 + I * R. Таким же образом находится и Е1: Е1 = I1 * r1 + I * R. Ток через резистор R будет равен алгебраической сумме I1 и I2.

Пример решения

Для закрепления знаний следует перейти к их практическому применению. Используя данные на схеме 2, следует вычислить ток, который протекает через резистор R. Кроме того, известно, что I1 в 2 раза больше I2. Нужно определить количество теплоты при следующих параметрах: максимальный ток I и время 5 минут. Решение осуществляется следующим образом:

1. Общий ток через R: I = I1 + I2 = 2 * I2 + I2 = 3 * I2.
2. Необходимо рассмотреть левую ветвь: Е1 = I1 * r1 + I * R = 2 * I2 * r1 + 3 * I2 * R.
3. Составить уравнение: 12 = 2 * I2 * 0,1 + 3 * I2 * 2.
4. Упростить его: I2 * (2 * 0,1 + 3 * 2) = I2 * (0,2 + 6) = 6,2 * I2 = 12.
5. Решить равенство: I2 = 12 / 6,2 = 1,94 (A).
6. Вычислить искомое значение тока: I = 3 * I2 = 3 * 1,94 = 5,81 (А).
7. Количество теплоты (t = 5 минут = 5 * 60 = 300 секунд): Q =t * R * I^2 = 300 * 20 * 33,76 = 202536,6 Дж = 0,2 МДж.

Для проверки правильности решения специалисты рекомендуют воспользоваться специальными приложениями для построения и расчета электрических принципиальных схем.

Таким образом, начинающему радиолюбителю необходимо ознакомиться с основными законами физики, а затем приступать к расчетам схем. Не следует упускать из вида силу тока, поскольку от этого параметра зависит правильность работы любого устройства.