Невозможно. Понятие о токе является основой, на которой, словно дом на надежном фундаменте, выстраиваются дальнейшие расчеты электроцепей и приводятся новые и новые определения. Сила тока представляет собой одну из величин международной поэтому универсальной единицей измерения является Ампер (А).

Физический смысл данной единицы поясняют следующим образом: сила тока в один ампер возникает при движении обладающих зарядом частиц по двум проводникам бесконечной протяженности, между которыми промежуток в один метр. При этом возникающая на каждом метровом участке проводников численно равна 2*10 в степени -7 Ньютон. Обычно добавляют, что проводники расположены в вакууме (что позволяет нивелировать влияние промежуточной среды), а их сечение стремится к нулю (при этом проводимость максимальна).

Однако, как это обычно бывает, классические определения понятны лишь специалистам, которым, по сути, уже не интересны азы. А вот незнакомый с электричеством человек «запутается» еще больше. Поэтому поясним, что такое сила тока, буквально «на пальцах». Представим обыкновенную батарейку, от полюсов которой к лампочке идут два изолированных провода. В разрыв одного провода подключен выключатель. Как известно из начального курса физики, электрический ток - это движение частиц, обладающих собственным Обычно ими принято считать электроны (действительно, именно электрон обладает единичным отрицательным зарядом), хотя на самом деле все немного сложнее. Данные частицы характерны для проводящих материалов (металлы), а вот в газовых средах дополнительно переносят заряд ионы (вспоминаем термины «ионизация» и «пробой воздушного промежутка»); в полупроводниках проводимость не только электронная, но и дырочная (положительный заряд); в электролитических растворах проводимость чисто ионная (например, автомобильные аккумуляторы). Но вернемся к нашему примеру. В нем ток формирует движение именно свободных электронов. Пока выключатель не включен, цепь разомкнута, частицам двигаться некуда, следовательно, сила тока равна нулю. Но стоит «собрать схему», как электроны устремляются от отрицательного полюса батарейки к положительному, проходя через лампочку и вызывая ее свечение. Сила, заставляющая их двигаться, происходит от электрического поля, создаваемого батарейкой (ЭДС - поле - ток).

Сила тока - это отношение заряда ко времени. То есть фактически речь идет о количестве электричества, проходящего по проводнику за условную единицу времени. Можно привести аналогию с водой: чем сильнее открыт кран, тем больший объем воды пройдет по трубопроводу. Но если воду измеряют литрами (кубометрами), то ток - количеством носителей заряда или, что также верно, амперами. Вот так все просто. Нетрудно понять, что увеличить силу тока можно двумя способами: убрав из цепи лампочку (сопротивление, препятствие движению), а также повысив создаваемое батарейкой электрическое поле.

Собственно, мы подошли к тому, как в общем случае выполняется расчет силы тока. Существует много формул: например, для полной цепи, учитывающей влияние характеристик источника питания; для переменного и для многофазных систем и пр. Однако всех их объединяет единое правило - знаменитый закон Ома. Поэтому приведем его общий (универсальный) вид:

где I - ток, в Амперах; U - напряжение на выводах источника питания, в Вольтах; R - сопротивление цепи или участка, в Омах. Эта зависимость лишь подтверждает все вышесказанное: увеличения тока можно добиться двумя способами, через сопротивление (наша лампочка) и напряжение (параметр источника).

Для подбора кабеля, сечения проводов, выключателей защиты, следует вычислить силу тока. Проводка, автоматы с неверно подобранными показателями опасны: может случиться замыкание и пожар.

Говоря об электроприборах, сети, прежде всего упоминают о напряжении. Его величина указывается в вольтах (В), обозначается U. Показатель напряжения зависит от нескольких факторов:

• материала проводки;
• сопротивления прибора;
• температуры.

Один из главных показателей электричества - напряжение

Различают виды напряжения – постоянное и переменное. Постоянное, если на один конец цепи поступает отрицательный потенциал, на другой – положительный. Самый доступный пример постоянного напряжения – батарейка. Нагрузку подключают, соблюдая полярность, иначе можно повредить устройство. Постоянный ток невозможно без потерь передать на значительные расстояния.

Переменный ток возникает, когда постоянно меняется его полярность. Количество изменений называют частотой, измеряется в герцах. Переменные напряжения возможно передавать очень далеко. Используют экономически выгодные трехфазные сети: в них минимальные потери электроэнергии. Они выполнены четырьмя проводами: три фазных и нулевой. Если посмотреть на линию электропередач, увидим 4 провода между столбами. От них к дому подводят два – фазный ток 220 В. Если подключить 4 провода, потребитель получит линейный ток 380 В.

Характеристика электричества не ограничивается напряжением. Важна сила тока в амперах (А), обозначение – латинская I. В любом месте цепи она одинакова. Для измерения служат амперметр, миллиамперметр, мультиметр. Ток бывает очень большой, тысячи ампер, и маленький – миллионные части ампер. Малую силу измеряют миллиамперами.

Амперметр служит для измерения силы тока

Движение электричества по любому материалу вызывает сопротивление. Оно выражается омами (Ом), обозначается R или r. Сопротивление зависимо от сечения и материала проводника. Чтобы охарактеризовать сопротивление разных материалов, употребляется термин удельное сопротивление. Медь характеризуется меньшим сопротивлением, чем алюминий: 0,017 и 0,03 Ом соответственно. У короткого провода сопротивление меньше, чем у длинного. Толстый провод отличается от толстого меньшим сопротивлением.

Характеристика любого прибора содержит указания мощности (ватты (В) или киловатты (кВт). Мощность обозначают P, зависит от напряжения и тока. Из-за сопротивления проводки энергия частично теряется – от источника требуется ток больше необходимого.

Как рассчитать силу тока по закону Ома

При двух известных величинах всегда можно найти третью. Для вычислений наиболее часто пользуются законом Ома с тремя величинами: силой тока, напряженим, сопротивлением: I=U/R.

Он применяется для цепи с нагрузкой из ТЭНов, лампочек, резисторов, имеющих активное сопротивление.

Если имеются катушки, конденсаторы, это уже реактивное сопротивление, обозначают X. Катушки создают индуктивное (XL), конденсаторы – емкостное сопротивление (XC). Сила тока рассчитывается с применением формулы, в основе которой также закон Ома: I=U/X.

Прежде определяют индуктивное и емкостное сопротивления, они вместе составляют реактивное сопротивление (C+L).

Индуктивное вычисляется: XC=1/2πfC. Для расчета емкостного используем формулу XL=2πfL.

Прокладывая электропроводку, предварительно следует узнать силу тока. Ошибки чреваты неприятностями – проводка, розетки плавятся. Если он фактически превышает расчетный, проводка нагревается, плавится, происходит обрыв или замыкание. Ее приходится менять, но это не самое неприятное – возможен и пожар.

При монтаже проводки необходимо знать силу тока

Ток сети для практических потребностей находят, зная мощность приборов: I=P/U, где P – мощность потребителя. В реальности учитывается коэффициент мощности – cos φ. Для однофазной сети: I = P/(U∙cos φ),

трехфазной – I = P/(1,73∙U∙cos φ).

Для одной фазы U принимают 220, для трех – 380. Коэффициент большинства приборов 0,95. Если подключают электродвигатель, сварку, дроссель, коэффициент 0,8. Подставляя 0,95, для однофазной сети выходит:

I = P/209, трехфазной – I = P/624. Если коэффициент 0,8, для двух проводов: I = P/176, для четырех: I = P/526.

Трехфазный ток меньше втрое, нагрузка распределяется поровну между фазами. Подсчитывая нагрузку, предусматривают запас 5%, для двигателей, сварочных агрегатов – 20%.

Приборы иногда используют одновременно. Чтобы вычислить нагрузку, суммируют токи устройств. Подход возможен, если они имеют схожий коэффициент мощности. Для потребителей с разными коэффициентами используют средний показатель. Иногда к трехфазной системе подключают однофазные и трехфазные изделия. Вычисляя ток, складывают все нагрузки.

Ток, протекающий по проводке, нагревает ее. Степень нагрева зависит от его силы и сечения проводки. Правильно подобранный греется несильно. Если ток имеет большую силу, проводка недостаточное сечение, она сильно нагревается, изоляция плавится, возможен пожар. Для правильного подбора сечения пользуются таблицами ПУЭ.

Сечение провода и сила тока определяют степень нагрева проводки

Предположим, требуется подключить электрокотел 5 кВт. Используем медный трехжильный кабель в рукаве. Проводим вычисления: 5000/220 = 22,7. Подходящее значение в таблице 27 А, сечение 4 мм2, диаметр – 2,3 мм. Сечение всегда выбирают с небольшим запасом для полной гарантии. Теперь есть уверенность, что провода не перегреются, не загорятся.

Для защиты сети пользуются плавкими предохранителями. Они работают так, что при некоторой силе тока предохранитель плавится и разрывает цепь. Поэтому гвоздь или первый попавшийся медный провод вместо предохранителя использовать нельзя, когда-нибудь это приведет к серьезным проблемам. Если нужного предохранителя нет, используют медный провод подходящего диаметра, пользуясь таблицей.

Плавкие предохранители постепенно уходят, им на смену пришли автоматические выключатели. Выбрать их не так просто, как кажется. Допустим, проводка рассчитана на 22 А, ближайший автомат на 25 А. Значит, ставить его? Оказывается, нет. Обозначение С25 вовсе не значит, что при 26 амперах он разорвет цепь. Даже если нагрузка превысит значение в полтора раза, он моментально не отключит сеть. Нагреется и сработает минуты через две.

Ставить нужно автомат меньшего номинала. Ближайший – С16. Он может отключить сеть при 17 А и при 24, и никто не скажет, сколько времени пройдет. На срабатывание влияет много факторов. Устройство имеет две защиты – электромагнитную и тепловую. Электромагнитная защита отключает сеть за 0,2 секунды при значительной перегрузке.

Следует выбирать автомат, срабатывающий при возможно меньшей силе тока.

Еще один вид устройств отключения – УЗО. Он лишен тепловой и электромагнитной защиты. Указанный номинал служит, чтобы определять ток, который выдержит УЗО без повреждений. Так что логично после УЗО поставить автомат на максимальный ток. Существуют приборы защиты, представляющие симбиоз автомата с УЗО – дифавтоматы.

В проводниках часть валентных электронов не связана с определенными атомами и может свободно перемещаться по всему его объему. В отсутствие приложенного к проводнику электрического поля такие свободные электроны - электроны проводимости - движутся хаотично, часто сталкиваясь с ионами и атомами, и изменяя при этом энергию и направление своего движения. Через любое сечение проводника в одну сторону проходит столько же электронов, сколько и в противоположную. Поэтому результирующего переноса электронов через такое сечение нет, и электрический ток равен нулю. Если же к концам проводника приложить разность потенциалов, то под действием сил электрического поля свободные заряды в проводнике начнут двигаться из области большего потенциала в область меньшего - возникнет электрический ток. Исторически сложилось так, что за направление тока принимают направление движение положительных зарядов, которое соответствует их переходу от большего потенциала к меньшему.

Электрический ток характеризуется силой тока I (рис. 4.1).

Сила тока есть скалярная величина, численно равная заряду переносимому через поперечное сечение проводника в единицу времени

Рис. 4.1. Сила тока в проводнике

Согласно (4.1), сила тока в проводнике равна отношению заряда , прошедшего через поперечное сечение проводника за время к этому времени.

Замечание: В общем случае сила тока через некоторую поверхность равна потоку заряда через эту поверхность.

Если сила тока с течением времени не изменяется, то есть за любые равные промежутки времени через любое сечение проводника проходят одинаковые заряды, то такой ток называется постоянным , и тогда заряд, протекший за время t , может быть найден как (рис. 4.2)

Рис. 4.2. Постоянный ток, протекающий через разные сечения проводника

С учетом определения силы тока плотность тока через данное сечение может быть выражена через силу тока , протекающего через это сечение

При равномерном распределении потока зарядов по всей площади сечения проводника плотность тока равна

Уравнение (4.1) связывает единицы измерения силы тока и заряда

Это очень малая величина, поэтому на практике обычно имеют дело с более крупными единицами, например

Плотность тока можно выразить через объемную плотность зарядов и скорость их движения v (рис. 4.3).

Рис. 4.3. К связи плотности тока j с объемной плотностью зарядов и дрейфовой скоростью v носителей заряда. За время dt через площадку S пройдут все заряды из объема dV = vdt S

Полный заряд, проходящий за время dt через некоторую поверхность S , перпендикулярную вектору скорости v , равен

Так как dq /(Sdt ) есть модуль плотности тока j , можно записать

Поскольку скорость v есть векторная величина, то и плотность тока также удобно считать векторной величиной, следовательно

Здесь плотность заряда, скорость направленного движения носителей заряда.

Замечание: Для общности использован индекс , так как носителями заряда, способными участвовать в создании тока проводимости, могут быть не только электроны, но, например, протоны в пучке, полученном из ускорителя или многозарядные ионы в плазме, или так называемые «дырки» в полупроводниках «р » типа, короче, любые заряженные частицы, способные перемещаться под воздействием внешних силовых полей.

Кроме того, удобно выразить плотность заряда через число носителей заряда в единице объема - (концентрацию носителей заряда) . В итоге получаем:

Следует подчеркнуть, что плотность тока, в отличие от силы тока - дифференциальная векторная величина. Зная плотность тока, мы знаем распределение течения заряда по проводнику. Силу тока всегда можно вычислить по его плотности. Соотношение (4.4) может быть «обращено»: если взять бесконечно малый элемент площади , то сила тока через него определится как . Соответственно, силу тока через любую поверхность S можно найти интегрированием

Что же понимать под скоростью заряда v , если таких зарядов - множество, и они заведомо не движутся все одинаково? В отсутствие внешнего электрического поля, скорости теплового движения носителей тока распределены хаотично, подчиняясь общим закономерностям статистической физики. Среднее статистическое значение ввиду изотропии распределения по направлениям теплового движения. При наложении поля возникает некоторая дрейфовая скорость - средняя скорость направленного движения носителей заряда:

которая будет отлична от нуля. Проведем аналогию. Когда вода вырывается из шланга, и мы интересуемся, какое ее количество поступает в единицу времени на клумбу, нам надо знать скорость струи и поперечное сечение шланга. И нас совершенно не волнуют скорости отдельных молекул, хотя они и очень велики, намного больше скорости струи воды, как мы убедились в предыдущей части курса.

Таким образом, скорость в выражении (4.7) - это дрейфовая скорость носителей тока в присутствии внешнего электрического поля или любого другого силового поля, обуславливающего направленное (упорядоченное) движение носители заряда. Если в веществе возможно движение зарядов разного знака, то полная плотность тока определяется векторной суммой плотностей потоков заряда каждого знака.

Как уже указывалось, в отсутствие электрического поля движение носителей заряда хаотично и не создает результирующего тока. Если, приложив электрическое поле, сообщить носителям заряда даже малую (по сравнению с их тепловой скоростью) скорость дрейфа, то, из-за наличия в проводниках огромного количества свободных электронов, возникнет значительный ток.

Поскольку дрейфовая скорость носителей тока создается электрическим полем, логично предположить пропорциональность

так что и плотность тока будет пропорциональна вектору напряженности (рис. 4.4)

Более подробно этот вопрос обсуждается в Дополнении

Входящий в соотношение (4.9)

Проводимость связывает напряженность поля в данной точке с установившейся скоростью «течения» носителей заряда. Поэтому она может зависеть от локальных свойств проводника вблизи этой точки (то есть от строения вещества), но не зависит от формы и размеров проводника в целом. Соотношение (4.9) носит название закона Ома для плотности тока в проводнике (его называют также законом Ома в дифференциальной форме ).

Рис. 4.4. Силовые линии электрического поля совпадают с линиями тока

Чтобы понять порядки величин, оценим дрейфовую скорость носителей заряда в одном из наиболее распространенных материалов - меди. Возьмем для примера силу тока I = 1 А, и пусть площадь поперечного сечения провода составляет
1 мм 2 = 10 –6 м 2 . Тогда плотность тока равна j = 10 6 А/м 2 . Теперь воспользуемся соотношением (4.7)

Носителями зарядов в меди являются электроны (е = 1.6·10 -19 Кл), и нам осталось оценить их концентрацию . В таблице Менделеева медь помещается в первой группе элементов, у нее один валентный электрон, который может быть отдан в зону проводимости. Поэтому число свободных электронов примерно совпадает с числом атомов. Берем из справочника плотность меди - r Cu =8,9·10 3 кг/м3. Молярная масса меди указана в таблице Менделеева - M Cu = 63,5·10 –3 кг/моль. Отношение

Это число молей в 1 м 3 . Умножая на число Авогадро Na = 6,02·10 23 моль –1 , получаем число атомов в единице объема, то есть концентрацию электронов

Теперь получаем искомую оценку дрейфовой скорости электронов

Для сравнения: скорости хаотического теплового движения электронов при 20°С в меди по порядку величины составляют 10 6 м/с, то есть на одиннадцать порядков величины больше.

Возьмем произвольную воображаемую замкнутую поверхность S , которую в разных направлениях пересекают движущиеся заряды. Мы видели, что полный ток через поверхность равен

где dq - заряд, пересекающий поверхность за время dt . Обозначим через q " заряд, находящийся внутри поверхности. Его можно выразить через плотность заряда , проинтегрированную по всему объему, ограниченному поверхностью

Из фундаментального закона природы - закона сохранения заряда - следует, что заряд dq , вышедший через поверхность за время dt , уменьшит заряд q " внутри поверхности точно на эту же величину, то есть dq " = –dq или

Подставляя сюда написанные выше выражения для скоростей изменения заряда внутри поверхности , получаем математическое соотношение, выражающее закон сохранения заряда в интегральной форме

Напомним, что интегрирования ведутся по произвольной поверхности S и ограниченному ею объему V .

Для измерения силы тока применяется измерительный прибор, который называется . Силу тока приходится измерять гораздо реже, чем напряжение или сопротивление , но, тем не менее, если нужно определить потребляемую мощность электроприбором, то без зная величины потребляемого ним тока, мощность не определить.

Ток, как и напряжение, бывает постоянным и переменным и для измерения их величины требуются разные измерительные приборы. Обозначается ток буквой I , а к числу, чтобы было ясно, что это величина тока, приписывается буква А . Например, I=5 A обозначает, что сила тока в измеренной цепи составляет 5 Ампер.

На измерительных приборах для измерения переменного тока перед буквой А ставится знак "~ ", а предназначенных для измерения постоянного тока ставится "– ". Например, –А означает, что прибор предназначен для измеренная силы постоянного тока.

О том, что такое ток и законы его протекания в популярной форме Вы можете прочитать в статье сайта «Закон силы тока» . Перед проведением измерений настоятельно рекомендую ознакомиться с этой небольшой статьей. На фотографии Амперметр, рассчитанный на измерение силы постоянного ток величиной до 3 Ампер.

Схема измерения силы тока Амперметром

Согласно закону, ток по проводам течет в любой точке замкнутой цепи одинаковой величины. Следовательно, чтобы измерять величину тока, нужно прибор подключить, разорвав цепь в любом удобном месте. Надо отметить, что при измерении величины тока не имеет значение, какое напряжение приложено к электрической цепи. Источником тока может быть и батарейка на 1,5 В, автомобильный аккумулятор на 12 В или бытовая электросеть 220 В или 380 В.

На схеме измерения также видно, как обозначается амперметр на электрических схемах. Это прописная буква А обведенная окружностью.

Приступая к измерению силы тока в цепи необходимо, как и при любых других измерениях, подготовить прибор, то есть установить переключатели в положение измерения тока с учетом рода его, постоянного или переменного. Если не известна ожидаемая величина тока, то переключатель устанавливается в положение измерения тока максимальной величины.

Как измерять потребляемый ток электроприбором

Для удобства и безопасности работ по измерению потребляемого тока электроприборами необходимо сделать специальный удлинитель с двумя розетками. По внешнему виду самодельный удлинитель ничем не отличается от обыкновенного удлинителя.

Но если снять крышки с розеток, то не трудно заметить, что их выводы соединены не параллельно, как во всех удлинителях, а последовательно.

Как видно на фотографии сетевое напряжение подается на нижние клеммы розеток, а верхние выводы соединены между собой перемычкой из провода с желтой изоляцией.

Все подготовлено для измерения. Вставляете в любую из розеток вилку электроприбора, а в другую розетку, щупы амперметра. Перед измерениями, необходимо переключатели прибора установить в соответствии с видом тока (переменный или постоянный) и на максимальный предел измерения.

Как видно по показаниям амперметра, потребляемый ток прибора составил 0,25 А. Если шкала прибора не позволяет снимать прямой отсчет, как в моем случае, то необходимо выполнить расчет результатов, что очень неудобно. Так как выбран предел измерения амперметра 0,5 А, то чтобы узнать цену деления, нужно 0,5 А разделить на число делений на шкале. Для данного амперметра получается 0,5/100=0,005 А. Стрелка отклонилась на 50 делений. Значит нужно теперь 0,005×50=0,25 А.

Как видите, со стрелочных приборов снимать показания величины тока неудобно и можно легко допустить ошибку. Гораздо удобнее пользоваться цифровыми приборами, например мультиметром M890G.

На фотографии представлен универсальный мультиметр, включенный в режим измерения переменного тока на предел 10 А. Измеренный ток, потребляемый электроприбором составил 5,1 А при напряжении питания 220 В. Следовательно прибор потребляет мощность 1122 Вт.

У мультиметра предусмотрено два сектора для измерения тока, обозначенные буквами А– для постоянного тока и А~ для измерения переменного. Поэтому перед началом измерений нужно определить вид тока, оценить его величину и установить указатель переключателя в соответствующее положение.

Розетка мультиметра с надписью COM является общей для всех видов измерений. Розетки, обозначенные mA и 10А предназначены только для подключения щупа при измерении силы тока. При измеряемом токе менее 200 мA штекер щупа вставляется в розетку mA, а при токе величиной до 10 А в розетку 10А.

Внимание, если производить измерение тока, многократно превышающего 200 мА при нахождении вилки щупа в розетке mA, то мультиметр можно вывести из строя.

Если величина измеряемого тока не известна, то измерения нужно начинать, установив предел измерения 10 А. Если ток будет менее 200 мА, то тогда уже переключить прибор в соответствующее положение. Переключение режимов измерения мультиметра допустимо делать только обесточив измеряемую цепь .

Рассчет мощности электроприбора по потребляемому току

Зная величину тока, можно определить потребляемую мощность любого потребителя электрической энергии, будь то лампочка в автомобиле или кондиционер в квартире. Достаточно воспользоваться простым законом физики, который установили одновременно два ученых физика, независимо друг от друга. В 1841 году Джеймс Джоуль, а в 1842 году Эмиль Ленц. Этот закон и назвали в их честь – Закон Джоуля – Ленца .