Напряжение в цепи электрического тока: определение и суть физической величины, расчет и измерение

Обновлено: 11.05.2024

Если известно количество электрических зарядов, направленное движение которых принято называть электрическим током, и единица времени, за которую электричество в таком объеме проходит через поперечное сечение проводника, можно узнать характеристику интенсивности тока, то есть вычислить силу тока.

Точное определение силы тока необходимо для правильного понимания процессов, происходящих при подаче электроэнергии для питания двигателей и прочего оборудования.

Определение силы тока и способы ее измерения

Значение количества электричества можно использовать для определения и расчета силы тока, благодаря существованию правила постоянства тока в замкнутых цепях (в каждой точке цепи). Суть правила в том, что количество проходящего за одну секунду тока будет одинаковым для любого сечения в любом месте цепи, независимо от толщины проводника (правило действует для цепей без разветвлений).

Измерить силу тока можно с помощью специального оборудования. Обычно применяют следующие приборы:

амперметр (наиболее востребованный вариант);
мультиметр;
миллиамперметр;
микроамперметр.

Последние два варианта служат для измерения малых сил тока, составляющих миллионные доли ампера, например, возникающих при прохождении тока через фотоэлементы.

Чтобы получить значение силы тока с помощью амперметра, прибор следует подключить в разрыв цепи (в любой ее точке) таким образом, чтобы ток проходил через амперметр. Стрелка устройства при этом будет показывать силу тока в цепи. Амперметр можно подключить как до, так и после устройства-потребителя, поскольку миф о том, что в потребителе остается «часть тока» и после него сила тока в цепи меньше, не соответствует действительности.

Сила тока - обозначение и базовые формулы

В формулах при расчете такого параметра, как сила тока, обозначение его величины с помощью буквы «I» является общепринятым. Основная формула выглядит как I=q/t, где q - количество электричества, а t - временной отрезок.

Также для расчета силы тока можно использовать такие параметры, как:

фактическое напряжение (U);
мощность (P).

В этом случае применяется формула I= P/U. Получение силы тока расчетным методом актуально в тех случаях, когда невозможно применение измерительных приборов, например, на этапе проектирования электросетей.

Основные единицы измерения силы тока

В качестве основной единицы измерения силы тока используют ампер (краткое обозначение - А). Ампер, получивший свое название по имени ученого физика Анри Ампера, входит в Международную систему единиц (СИ).

Если через поперечное сечение в течение 1 секунды проходит 1 кулон электричества, то сила тока в этом проводнике равна одному амперу. Как вспомогательные единицы применяются:

миллиамперы (ма), одна тысячная или 10 -3 ампер;
микроамперы (мкА), одна миллионная или 10 -6 ампер.

Сила тока является важным параметром, знание которого поможет в выборе кабелей с оптимальным для планируемой нагрузки размером сечения.

Электричеством пользуются везде, и оно «было всегда» для подавляющего большинства людей. Но вряд ли многие задумывались о природе этого явления. Среди основных электрических терминов наиболее сложными для понимания, несмотря на кажущуюся их простоту, являются «разность потенциалов» и «напряжение в цепи».

Понятие потенциала

Для того чтобы электроны прошли по цепи, необходима энергия, способная привести их в движение по электрическому контуру. Например, в случае со статическим электричеством — это сила, производимая дисбалансом электрического заряда в предметах.

Школьный опыт с натиранием эбонитовой палочки об шерсть иллюстрирует создание избытка электронов в эбоните (отрицательный заряд) и дефицит электронов в шерсти (положительный заряд) при затратах механической энергии на натирание.

Между изолированными электродами этот дисбаланс проявляется лишь в притяжении наэлектризованных предметов друг к другу. Если же их соединить проводником, то электроны пойдут через него от эбонита к шерсти, компенсируя дефицит.

Это и есть электрический ток в цепи, а степень электризации тел есть величина, называемая потенциалом. Упрощённо для понимания того, что называется напряжением, можно рассматривать эту величину как разницу потенциалов между предметами.

Гидравлическая модель

Процесс получения зарядов в натираемых друг об друга материалах аналогичен наполнению бака воды на высоте из свободного резервуара. В сравнении с зеркалом открытого бассейна ёмкость с водой, расположенную выше, можно рассматривать как аккумулятор энергии. Гравитационные силы наделяют воду на возвышении потенциальной способностью опустошить бак при разгерметизации. Если соединить трубой описываемые ёмкости, вода под действием тяжести создаст поток в ней, освобождая энергию, накопленную от предварительной закачки, вверх.

Подобно неподвижной жидкости в высоком резервуаре, энергия, накопленная в натёртых предметах, называется потенциальной — она имеет возможность (потенциал) быть реализованной движением электронов по проводнику.

В случае со статическим электричеством то, что называется напряжением, можно выразить так: это единица работы, необходимая для перемещения единицы заряда из одного места в другое с преодолением силы, которая пытается сохранить потенциалы уравновешенными.

Мера потенциальной энергии (необходимой работы) на единицу заряда для перемещения его по проводнику — так будет выглядеть описание того, что такое напряжение как определение, применимое к электрическим цепям.

Перечень физических величин, которыми описывают явление напряжения:

разность потенциалов — измеряется в вольтах (В);
электрический заряд — Кулон (Кл);
работа по перемещению заряда — Джоуль (Дж).

Для электрических цепей с гальваническими источниками питания, сетей переменного напряжения или электростатических явлений нет разницы, в чём измеряется электрическое напряжение. Во всех случаях показатель рассматривается как разность потенциалов и определяется в вольтах. Единицу измерения можно представить так: 1В=1Дж/1Кл. Прибор для измерения напряжения называют вольтметром.

Измерения в цепи

Питание во внешнем контуре создаётся источником, выполняющим функцию насоса (в аналогии с водяными резервуарами). Оно принудительно обеспечивается работой электрического поля во внутренней цепи в результате преобразования химических реакций в гальванических элементах или механической энергии в генераторах.

Во внешних электрических цепях движение заряда происходит естественным образом между потенциалами и сопровождается потерями энергии на обеспечение этого движения.

В этой связи источник постоянного питания должен непрерывно поставлять необходимую энергию на поддержание разности потенциалов на двух концах внешней цепи, создавая высокое электрическое давление (по аналогии с гидравлическим примером).

Когда заряд перемещается через внешний контур, он сталкивается с различными элементами схемы, каждый из которых является устройством по преобразованию энергии. Это могут быть лампочки, двигатели, нагревательные элементы. Например, в лампе накаливания энергия электрического потенциала превращается в световое и тепловое излучение. Таким образом, происходит потеря потенциала, то есть он будет различен до нагрузки (лампа) и после неё. Потери электрического потенциала при прохождении через элементы контура называют падением напряжения. Это один из важнейших показателей для контроля работы приборов в цепи.

Перечень основных законов и формул электрического напряжения, описывающих явление в цепях, выглядит так:

Формула расчёта напряжения: U=A/q, где q — заряд (Кл), A — работа по перенесению заряда (Дж).
Закон Ома: U=IR, где I — сила тока в цепи, R — сопротивление проводника, на концах которого замеряется напряжение.
Разность потенциалов на последовательных элементах цепи: U=U1+U2+U3+…+Un.

Важно понимать, что напряжение ни в коем случае не может быть мерой тока. Разность потенциалов и электрический ток — два почти не связанных явления. Теоретически, возможно создать ток без напряжения путём короткого замыкания в вакууме, а обратным примером может служить обычный заряженный конденсатор. Предположение о том, что ток имеет напряжение, — распространённое заблуждение. Это стоит помнить для понимания физики описываемых явлений.

При прохождении тока в цепи электрическое поле совершает работу по перемещению заряда. В этом случае работу электрического поля называют работой электрического тока.

При прохождении заряда \(q\) по участку цепи электрическое поле будет совершать работу: \(A=q\cdot U\), где \(U\) — напряжение электрического поля, \(A\) — работа, совершаемая силами электрического поля по перемещению заряда \(q\) из одной точки в другую.

Количество заряда, прошедшее по участку цепи, пропорционально силе тока и времени прохождения заряда: q = I ⋅ t .

Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна напряжению на её концах и количеству заряда, проходящего по этому участку: A = U ⋅ q .

Работа электрического тока на участке цепи пропорциональна силе тока, времени прохождения заряда и напряжению на концах участка цепи: A = U ⋅ I ⋅ t .

Для измерения работы электрического тока нужны вольтметр, амперметр и часы. Например, для определения работы, которую совершает электрический ток, проходя по спирали лампы накаливания, необходимо собрать цепь, изображённую на рисунке. Вольтметром измеряется напряжение на лампе, амперметром — сила тока в ней. А при помощи часов (секундомера) засекается время горения лампы.

\(1\) кДж = 1000 Дж или \(1\) Дж = \(0,001\) кДж;
\(1\) МДж = 1000000 Дж или \(1\) Дж = \(0,000001\) МДж.

Для потребителей электрической энергии существуют приборы, позволяющие в пределах ошибки измерения получать числовые данные о ее расходе в единицу времени.

Механическая мощность численно равна работе, совершённой телом в единицу времени: N = А t . Чтобы найти мощность электрического тока, надо поступить точно также, т.е. работу тока, A = U ⋅ I ⋅ t , разделить на время.

Из этой формулы можно определить и другие физические величины.
Для удобства можно использовать приведённый ниже рисунок.

Используют также единицы мощности, кратные ватту: гектоватт (гВт), киловатт (кВт), мегаватт (МВт).
\(1\) гВт = \(100\) Вт или \(1\) Вт = \(0,01\) гВт;
\(1\) кВт = \(1000\) Вт или \(1\) Вт = \(0,001\) кВт;
\(1\) МВт = \(1 000 000\) Вт или \(1\) Вт = \(0,000001\) МВт.

Так как мощность тока прямо пропорциональна напряжению и силе тока, протекающего через лампочку, то перемножим их значения:

Ваттметры измеряют мощность электрического тока, протекающего через прибор. По своему назначению и техническим характеристикам ваттметры разнообразны.

Подключим к цепи по очереди две лампочки накаливания, сначала одну, затем другую и измерим силу тока в каждой из них. Она будет разной.

Сила тока в лампочке мощностью \(25\) ватт будет составлять \(0,1\) А. Лампочка мощностью \(100\) ватт потребляет ток в четыре раза больше — \(0,4\) А. Напряжение в этом эксперименте неизменно и равно \(220\) В. Легко можно заметить, что лампочка в \(100\) ватт светится гораздо ярче, чем \(25\)-ваттовая лампочка. Это происходит оттого, что её мощность больше. Лампочка, мощность которой в \(4\) раза больше, потребляет в \(4\) раза больше тока. Значит:

Что произойдёт, если одну и ту же лампочку подсоединить к источникам различного напряжения? В данном случае используется напряжение \(110\) В и \(220\) В.

Можно заметить, что при большем напряжении лампочка светится ярче, значит, в этом случае её мощность будет больше. Следовательно:

I = 0 , 2 А U = 110 В P = U ⋅ I = 110 ⋅ 0 , 2 = 22 Вт

I = 0,4 А U = 220 В P = U ⋅ I = 220 ⋅ 0,4 = 88 Вт .

Можно сделать вывод о том, что при увеличении напряжения в \(2\) раза мощность увеличивается в \(4\) раза.
Не следует путать эту мощность с номинальной мощностью лампы (мощность, на которую рассчитана лампа). Номинальная мощность лампы (а соответственно, ток через нить накала и её расчётное сопротивление) указывается только для номинального напряжения лампы (указано на баллоне, цоколе или упаковке).

Читайте также: