В чем измеряется сила тока и напряжение

В чем измеряется сила тока и напряжение

Из закона Ома вытекает, что замыкать обычную осветительную сеть проводником малого сопротивления опасно. Сила тока окажется настолько большой, что это может иметь тяжелые последствия.

Закон Ома: кто придумал, определение

Закон Ома — это основной закон электродинамики, который выводит взаимосвязь между ключевыми понятиями электрической цепи: силой тока, напряжением и сопротивлением.

Данную взаимозависимость выявил немецкий физик Георг Симон Ом в 1826 году. Несмотря на то, что этот закон является истинным законом природы, точность которого была многократно проверена и доказана позже, публикация работы Ома в 1827 году прошла незамеченной для научной общественности. И лишь в 1830-х гг., когда французский физик Пулье пришел к тем же самым выводам, что и Ом, работа немецкого ученого была оценена по достоинству.

Установление закономерностей между основными параметрами электроцепи имеет огромное значение для науки. Ведь оно позволило количественно измерить свойства электрического тока.

Сила тока на участке цепи прямо пропорционально напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Формулировки и основные формулы

Закон Георга Ома формулируется так: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению в проводнике и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника.

Пояснения к закону:

1. Чем выше напряжение в проводнике, тем выше будет и сила тока в этом проводнике.
2. Чем выше сопротивление проводника, тем меньше будет сила тока в нем.

Обозначение основных параметров, характеризующих электроцепь, известны всем с уроков физики в школе:

• I — сила электротока;
• U — напряжение;
• R — сопротивление.

Объяснение закона Ома в классической теории

Формула закона, известная всем со школьных лет, выглядит так:

Из нее легко выводятся формулы для определения UU:

и для определения RR:

Единицами измерения силы тока являются амперы, напряжения — вольты, сопротивление измеряется в омах.

Данный закон верен для линейного участка цепи, на котором зафиксировано стабильное сопротивление.

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи

Замкнутой или полной называется такая электрическая цепь, по которой проходит электроток.

Описание формулы этого закона для полной цепи выглядит так:

где ϵ — это электродвижущая сила или напряжение источника питания, которое не зависит от внешней цепи;

R — сопротивление внешней цепи;

r — внутреннее сопротивление источника.

Использование закона Ома при параллельном и последовательном соединении

При последовательном соединении элементы цепи подключаются друг за другом последовательно. Так как такая электрическая цепь является неразветвленной, сила тока на каждом ее участке будет одинаковая. Пример последовательного соединения — лампочки в новогодней гирлянде.

При последовательном соединении элементов основные параметры электроцепи рассчитываются следующим образом:

• Сила тока по формуле:

Где I — общая сила тока в электроцепи, I1 — сила тока первого участка, I2 — сила тока второго участка, I3 — сила тока третьего участка.

• Напряжение по формуле:

Где U — общее напряжение, U1 — напряжение первого участка, U2 — напряжение второго участка, U3 — напряжение третьего участка.

• Сопротивление согласно формуле:

Где R — общее сопротивление в цепи, R1 — сопротивление первого участка, R2 — сопротивление второго участка, R3 — сопротивление третьего участка.

Подключая элементы в цепь параллельно, получают разветвленную электрическую цепь. Примером такого соединения является стандартная разводка электричества по квартире, когда в комнате одновременно можно включить несколько предметов бытовой техники и верхнее освещение.

При параллельном соединении элементов основные параметры электроцепи рассчитываются следующим образом:

• Сила тока:

Где I — общая сила тока в электроцепи, I1, I2, I3 — сила тока первого, второго и третьего участков соответственно.

• Напряжение:

Где U — общее напряжение, U1, U2, U3 — напряжение первого, второго и третьего участков соответственно.

• Сопротивление:

Где R — общее сопротивление в цепи, R1, R2, R3 — сопротивление первого, второго и третьего участков соответственно.

Закон Ома для переменного и постоянного тока

Для цепи постоянного тока правильными будут уже озвученные нами взаимосвязи основных параметров электроцепи:

При подключении к электроцепи источника переменного тока, сила электротока в цепи будет определяться по формуле:

где Z — полное сопротивление или импеданс, который состоит из активной (R) и реактивных составляющих (X_C — сопротивление емкости и X_L — сопротивление индуктивности).

Реактивное сопротивление цепи зависит:

• от значений реактивных элементов,
• от частоты электротока;
• от формы тока в цепи.

Закон Ома для однородного и неоднородного участка цепи

Закон Ома для однородного участка электроцепи представляет собой классическое выражение зависимости силы от напряжения и сопротивления:

В этом случае основной характеристикой проводника является сопротивление. От внешнего вида проводника зависит, как выглядит его кристаллическая решетка и какое количество атомов примесей содержит. От проводника зависит поведение электронов, которые могут ускоряться или замедляться.

Поэтому R зависит от вида проводника, точнее, от его сечения, длины и материала и определяется по формуле:

где p — удельное сопротивление, l — это длина проводника, а S— площадь его сечения.

Под неоднородным участком цепи постоянного тока подразумевается такой промежуток цепи, на который помимо электрических зарядов воздействуют другие силы.

Как можно было убедиться, закон, открытый Георгом Омом, прост только на первый взгляд. Разобраться во всех тонкостях самостоятельно под силу далеко не каждому.

Где и когда можно применять закон Ома?

Закон Ома в упомянутой форме справедлив в достаточно широких пределах для металлов. Он выполняется до тех пор, пока металл не начнет плавиться. Менее широкий диапазон применения у растворов (расплавов) электролитов и в сильно ионизированных газах (плазме).

Работая с электрическими схемами, иногда требуется определять падение напряжения на определенном элементе. Если это будет резистор с известной величиной сопротивления (она проставляется на корпусе), а также известен проходящий через него ток, узнать напряжение можно с помощью формулы Ома, не подключая вольтметр.

Значение Закона Ома простыми словами

Закон Ома определяет силу тока в электрической цепи при заданном напряжении и известном сопротивлении.

Он позволяет рассчитать тепловые, химические и магнитные действия тока, так как они зависят от силы тока.

Закон Ома является чрезвычайно полезным в технике(электронной/электрической), поскольку он касается трех основных электрических величин: тока, напряжения и сопротивления. Он показывает, как эти три величины являются взаимозависимыми на макроскопическом уровне.

Если бы было можно охарактеризовать закон Ома простыми словами, то наглядно это выглядело бы так:

Из закона Ома вытекает, что замыкать обычную осветительную сеть проводником малого сопротивления опасно. Сила тока окажется настолько большой, что это может иметь тяжелые последствия.

Как понять закон Ома?

Чтобы интуитивно понять закон Ома, обратимся к аналогии представления тока в виде жидкости. Именно так думал Георг Ом, когда проводил опыты, благодаря которым был открыт закон, названный его именем.

Представим, что ток – это не движение частиц-носителей заряда в проводнике, а движение потока воды в трубе. Сначала воду насосом поднимают на водокачку, а оттуда, под действием потенциальной энергии, она стремиться вниз и течет по трубе. Причем, чем выше насос закачает воду, тем быстрее она потечет в трубе.

Отсюда следует вывод, что скорость потока воды (сила тока в проводе) будет тем больше, чем больше потенциальная энергия воды (разность потенциалов)

Сила тока прямо пропорциональна напряжению.

Теперь обратимся к сопротивлению. Гидравлическое сопротивление – это сопротивление трубы, обусловленное ее диаметром и шероховатостью стенок. Логично предположить, что чем больше диаметр, тем меньше сопротивление трубы, и тем большее количество воды (больший ток) протечет через ее сечение.

Сила тока обратно пропорциональна сопротивлению.

Такую аналогию можно проводить лишь для принципиального понимания закона Ома, так как его первозданный вид – на самом деле довольно грубое приближение, которое, тем не менее, находит отличное применение на практике.

В действительности, сопротивление вещества обусловлено колебанием атомов кристаллической решетки, а ток – движением свободных носителей заряда. В металлах свободными носителями являются электроны, сорвавшиеся с атомных орбит.

Напряжение тока.

Наверняка, у каждого из нас, хотя бы раз в жизни, возникали вопросы о том, что такое ток, напряжение тока, заряд и др. Все это составляющие одного большого физического понятия – электричество. Давайте, на простейших примерах, попробуем изучить основные закономерности электрических явлений.

Что такое электричество.

Электричество – это совокупность физических явлений, связанных с возникновением, накоплением, взаимодействием и переносом электрического заряда. По мнению большинства историков науки, первые электрические явления были открыты древнегреческим философом Фалесом в седьмом веке до нашей эры. Фалес наблюдал действие статического электричества: притяжение к натертому шерстью янтарю легких предметов и частичек. Чтобы повторить этот опыт самостоятельно вам необходимо потереть о шерстяную или хлопковую ткань любой пластиковый предмет (например, ручку или линейку) и поднести его к мелконарезанным кусочкам бумаги.

Первой серьезной научной работой, в которой описаны исследования электрических явлений стал трактат английского ученого Уильяма Гилберта «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» изданный в 1600 г. В этой работе автор описал результаты своих опытов с магнитами и наэлектризованными телами. Здесь же впервые упоминается термин электричество.

Исследования У. Гилберта дали серьезный толчок развитию науки об электричестве и магнетизме: за период с начала 17 до конца 19 века было проведено большое количество экспериментов и сформулированы основные законы, описывающие электромагнитные явления. А в 1897 году английский физик Джозеф Томсон открыл электрон – элементарную заряженную частицу, которая определяет электрические и магнитные свойства вещества. Электрон (на древнегреческом языке электрон – это янтарь) имеет отрицательный заряд примерно равный 1,602*10-19 Кл (Кулона) и массу равную 9,109*10-31 кг. Благодаря электронам и другим заряженным частицам происходят электрические и магнитные процессы в веществах.

Что такое напряжение.

Перемещение заряженных частиц в телах и веществах происходит благодаря разности потенциалов или электрическому напряжению. Напряжение (напряжение тока) — это физическая величина равная отношению работы электрического поля затраченной на перенос электрического заряда из одной точки в другую (между полюсами) к этому заряду. Напряжение измеряется в Вольтах (В) и обозначается буквой V. Для того чтобы переместить между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль), необходимо напряжение тока равное 1 В.

Для лучшего понимания взаимосвязей между разностью потенциалов, электрическим зарядом и током воспользуемся следующим наглядным примером. Представим емкость с трубой внизу, наполненную до определенного уровня водой. Условимся, что количество воды соответствует величине заряда, высота воды в емкости (давление столба жидкости) – это напряжение, а интенсивность выхода потока воды из трубы – это электрический ток.

Чем больше воды в резервуаре, тем больше высота столба воды и выше давление. Аналогично в электрических явлениях: чем больше величина заряда, тем выше напряжение необходимое для его переноса. Начнем выпускать воду: давление в резервуаре будет уменьшаться. Т. е. с уменьшением величины заряда – снижается напряжение тока. Также наглядно это видно при работе фонарика с начавшими разряжаться батарейками: по мере того как разряжаются батарейки яркость лампочки становится все меньше и меньше.

Электрический ток.

Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц. Носителями заряда, при этом, могут быть электроны, ионы, протоны и дырки. Для возникновения и существования электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие электрического поля. В зависимости от наличия или отсутствия заряженных частиц в веществах, они могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Условно направлением движения тока считается направление от положительно заряженного полюса к отрицательному. На практике направление движения зараженных частиц зависит от знака их заряда: отрицательно заряженные электроны движутся от минуса к плюсу, положительно заряженные ионы – от плюса к минусу.

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока. Сила тока обозначается буквой I и измеряется в Амперах (А). Сила тока в 1 А возникает при прохождении через поперечное сечение проводника заряда в 1 К за 1 сек.

Вернемся к примеру, с водой в емкости. Возьмем два резервуара с одинаковым уровнем воды, но разными диаметрами труб на выходе.

Сравним характер вытекания воды из обоих резервуаров: уровень воды в левом баке уменьшается быстрее, чем в правом. Т. е. интенсивность истечения воды зависит от диаметра трубы. Попробуем уравнять два потока: добавим в правый бак воду, таким образом увеличив высоту столба жидкости. Это повысит давление в правом баке и, соответственно, увеличит интенсивность истечения воды. Аналогично и в электрических цепях: с увеличением напряжения тока, увеличивается и его сила. Аналогом диаметра трубы в цепи является электрическое сопротивление проводника.

Приведенные примеры с водой наглядно демонстрируют связь между электрическим током, напряжением тока и сопротивлением.

Различают постоянный и переменный электрические токи. Если заряженные частицы постоянно движутся в одном направлении, то в цепи – постоянный ток и, соответственно, постоянное напряжение тока. Если направление движения частиц периодически меняется (они перемещаются то в одном, то в другом направлении), то это – переменный ток и возникает он, соответственно, при наличии переменного напряжения (т. е. когда разность потенциалов меняет свою полярность). Для переменного тока характерно периодическое изменение величины силы тока: она принимает то максимальное, то минимальное значения. Эти значения силы тока являются амплитудными, или пиковыми. Частота изменения полярности напряжения может быть разной. Например, в нашей стране эта частота равна 50 Герц (т. е. напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду), а в США частота переменного тока – 60 Гц (Герц).

Как рассчитать мощность, силу тока и напряжение

При выборе какого-либо электрического оборудования одним из важных параметров, на который обращается внимание, является мощность изделия. Этот параметр неразрывно связан с силой тока и напряжением. Чтобы рассчитать силу тока, напряжение или мощность в электрической цепи, используются несложные формулы. Но чтобы осмысленно проводить такие вычисления, желательно понимать физическую природу возникновения этих величин.

Физическое понятие величин

Любая электрическая цепь характеризуется рядом параметров. Наиболее важными из них являются сила тока, напряжение, мощность и сопротивление. Эти характеристики связаны между собой и зависят друг от друга. Явление, объединяющее их, называется электричеством.

Это понятие было введено ещё в 1600 году английским физиком Уильямом Гилбертом, изучающим магнитные и электрические явления. Исследуя магнетизм в природе, учёный установил, что некоторые тела при трении начинают обладать силой притяжения по отношению к другим предметам, в частности, к янтарю. Поэтому он и назвал открытое явление ēlectricus, что в переводе с латинского обозначает «янтарный».

Продолжая его исследования, немецкий физик Отто фон Герике в 1663 году изобрёл электрическую машину, которая представляла собой металлический стержень с одетым на него серным шаром. В результате он выяснил, что материалы могут не только притягивать вещества, но и отталкивать. Но только через восемьдесят лет американец Бенджамин Франклин создал теорию электричества, введя такие термины, как отрицательный и положительный заряд.

Дальнейшее развитие электричество получило после опытов Шарля Кулона и открытия им закона взаимодействия зарядов. Заключался он в следующем: сила влияния двух точечных зарядов друг на друга в вакууме прямо пропорциональна их произведению и обратно пропорциональна расстоянию между ними в квадрате. После этого благодаря экспериментам таких учёных, как Джоуль, Ленц, Ом, Ампер, Фарадей, Максвелл были введены понятия ток, напряжение и электромагнетизм.

Так, в 1897 году англичанин Джозеф Томсон установил, что носителями зарядов являются электроны. Ранее, в 1880 году, электротехник из России Дмитрий Лачинов сформулировал необходимые условия для передачи электричества на расстояния.

После этих открытий были выработаны фундаментальные определения электричества. Сегодня под ним понимаются свойства материалов образовывать вокруг себя электрическое поле, оказывающее воздействие на располагающиеся рядом другие заряженные частицы. Заряды условно принято разделять на положительные и отрицательные. При их перемещении возникает магнитное поле, при этом одинакового знака заряды притягиваются, а разного — отталкиваются.

Сила тока

Ток — это упорядоченное движение носителей заряда, происходящее под влиянием электрического поля. В качестве положительно заряженных частиц выступают электроны, а отрицательных — дырки. Математически это явление описывается с помощью формулы I = Q*T, где I — ток проводимости (А), Q — заряд частицы (Кл), T — время ©.

То есть электрическим током называется количество зарядов, прошедших через поперечное сечение вещества. Но эта формулировка верна только для тока постоянной величины, в то время как для изменяемого во времени она будет выглядеть I (T) = dQ/dT.

Плотность движения носителей заряда в материале, то есть количество электричества, проходящего за условно принятое время, называется силой тока. Согласно Международной системе (СИ) его единицей измерения является ампер. Один ампер равен перемещению электрического заряда, равного одному кулону, через поперечное сечение за одну секунду.

Носители заряда могут двигаться как упорядоченно, так и хаотично. При их движении возникает электрическое поле, обозначаемое латинской буквой E. Значение, определяющееся отношением тока к поперечному сечению проводника, называется плотностью тока. За единицу её измерения принимается А/мм 2 .

По своему виду ток различают на следующие типы:

1. Переноса. Характеризуется движением зарядов, осуществляемым в свободном пространстве. Этот тип характерен для газоразрядных приборов.
2. Смещения. Возникает в диэлектриках и определяется упорядоченным перемещением связанных заряженных частиц.
3. Полный. Определяется суммарным значением тока: проводимости, переноса и смещения.
4. Постоянный. Это такой вид, который может изменять величину, но не изменяет направление движения, то есть свой знак.
5. Переменный. Такого вида ток может изменяться как по величине, так и по направлению (знаку).

Переменный вид разделяется по форме и может быть синусоидальным и несинусоидальным. Для расчёта силы тока синусоидальной формы используется формула Is = Ia*sin ωt, где Ia — максимальное значение тока (A), ω — угловая скорость, равная 2πf (Гц).

Физические тела, в которых возможно протекание тока, называют проводниками, а в тех, где возникают препятствия его прохождению — диэлектриками. Промежуточное состояние между ними занимают полупроводники.

Разность потенциалов

Напряжением принято называть физическую величину, характеризующую электрическое поле. Она показывает, какую работу понадобится совершить полю для того, чтобы переместить единичный заряд из одной точки в другую. При этом принимается, что этот перенос не влияет на распределение зарядов в источнике поля. Согласно Международной системе единиц напряжение измеряется в вольтах.

Работа по переносу складывается из двух величин — электрических и сторонних. Если сторонние силы не действуют, то напряжение на участке цепи равно разности потенциалов и вычисляется по формуле U = φ1-φ2. При этом потенциал определяется отношением напряжённости электрического поля к заряду. Для его расчёта используют формулу φ = W/q.

Другими словами, это характеристика поля в определённой точке, не зависящей от величины заряда, находящегося в нём. То есть напряжение в общем случае определяется работой электростатического поля, возникающего при движении заряда вдоль его силовых линий. Математически его можно рассчитать по формуле U = A/q, где А — совершаемая работа по перемещению (Дж), q — энергия заряда (Кл).

Применительно к сети переменного тока для напряжения используются следующие понятия:

1. Мгновенное. Это значение физической величины, измеренное в конкретный момент времени: U = U (t). Для синусоидального сигнала мгновенное напряжение находится с помощью выражения U (t) = Ua sin (ὤt + φ).
2. Амплитудное. Характеризуется наибольшей величиной мгновенного значения без учёта знака: Ua = max (U (t)).
3. Среднее. Определяется за полный период сигнала по формуле Us = 1/T ʃ U (t)*dt. Для синусоидальной формы это значение равно нулю.

Проводя расчёт напряжения, редко используется понятие электрического потенциала. Связано это с тем, что условно принято за одну из точек потенциала принимать землю.

Это значение берётся равным нулю, а все остальные потенциалы считаются относительно неё. Говоря, что напряжение в определённой точке составляет 300 вольт, имеется в виду разность потенциалов между этой точкой и землёй, равная этому значению.

Электрическая мощность

Электрическая мощность характеризует скорость передачи электрической энергии или её преобразование. Единицей её измерения является ватт. Для того чтобы посчитать мощность на определённом участке цепи, необходимо перемножить значение напряжения и силы тока на этом участке. Исходя из определения электрического напряжения, можно сказать, что заряд при движении совершает работу, численно равную ей на участке цепи. Если же умножить работу на количество зарядов, то можно найти общее значение работы, которую совершили заряды на этом участке.

Исходя из физического определения, что мощность — это работа за единицу времени, получается выражение P = A/Δt, где A — работа, совершаемая зарядом при перемещении от начальной точки к конечной (Дж), Δt — время, затраченное на полное перемещение заряда ©.

Для всех зарядов в цепи мощность можно найти благодаря формуле P = (U/ Δt) * Q, где Q — общее число зарядов.

Так как ток представляет собой заряд, протекающий в единицу времени (I = Q/ Δt), то получается, что мощность равна произведению тока на напряжение, то есть P = U*I (Вт).

В цепи с постоянным током его сила и напряжение всегда имеют постоянное значение в определённой точке, поэтому для любого момента времени мощность можно вычислить по формуле P = I*U = I2*R = U2/R, где R — сопротивление прохождению тока в электрической цепи (Ом). Если же в этой сети находится источник электродвижущей силы, то мощность находится как P = I*E+ I2*r, где Е — электродвижущая сила или ЭДС (В), r — внутреннее сопротивление источника ЭДС (Ом).

Для цепи, в которой её параметры изменяются по какому-то циклу, мощность в определённой точке интегрируется по времени. При этом существуют следующие виды мощности:

1. Активная. Для её нахождения используется расчёт, учитывающий угол сдвига фаз φ. Находится согласно формуле P = U*I*cos φ.
2. Реактивная. Характеризуется нагрузками, создаваемыми электрическими устройствами в виде колебаний энергии электромагнитного поля. Её вычисление осуществляется по формуле P = U*I*sin φ.
3. Полная. Определяется произведением действующих значений тока и напряжения, связана с другими видами мощности выражением S= √(P 2 +Q 2 ).

Закон Ома для цепи

Проводя расчёты мощности по напряжению и току на практике, часто используют закон Ома. Он устанавливает связь между током, сопротивлением и напряжением. Этот закон был открыт путём проведения Симоном Омом ряда экспериментов и сформулирован им в 1826 году. Он выяснил, что величина тока на участке цепи прямо пропорциональна разности потенциалов и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

Закон Ома можно записать в следующем виде: I = U/R, где I — значение силы тока (А), U — разность потенциалов (В), R — сопротивление цепи прохождению тока (Ом).

Для полной же цепи эту формулу можно записать так: I = E/(R+ r0), где E — ЭДС источника питания (В), r0 — внутреннее сопротивление источника напряжения (Ом).

Таким образом, для участка цепи будет справедливо выражение P = U2/R = I2R, а для полной цепи — P = (E/(R+ R0)) 2 *R. Именно эти две формулы и используются чаще всего для расчётов электрических сетей или мощности необходимого оборудования.

Различные компоненты электрической сети в определённый момент времени потребляют разную величину тока. Поэтому очень важно правильно рассчитать, какое количество энергии подводится в тот или иной момент в определённое место цепи, чтобы не допустить перегрузок на линии и возникновения аварийных ситуаций.

Этим и занимаются разработчики схем, упрощая их до состояния, когда можно рассчитать необходимую мощность, используя закон Ома.

Практический расчёт

Например, пусть понадобится узнать, на какой ток необходимо приобрести устанавливаемый на участок цепи автоматический выключатель. При этом известно, что в линию, на которой он будет установлен, одновременно будут включаться холодильник с максимальной мощностью потребления энергии один киловатт, бойлер (два киловатта) и люстра, потребляющая 90 ватт. В месте установки используется однофазная сеть, рассчитанная на рабочее напряжение 220 вольт.

На первом этапе расчёта понадобится суммировать всю мощность подключаемых к линии электроприборов. Так, P общ. = 1000 + 2000 + 90 +220 = 3310 Вт. Используя формулу P = I*U, находится необходимое значение тока: I = P/U = 3310/220 = 15,04 А.

Из стандартного ряда выключателей наиболее близкое значение имеет автомат на 16 А. Поскольку необходимо покупать устройство защиты с небольшим запасом, то для рассматриваемого примера подойдёт выключатель, рассчитанный на 20 ампер.

Благодаря таким вычислениям можно рассчитать любой параметр электрической цепи, но это при учёте достаточного количества вводных данных.