Электрический ток: что это такое?

Electrical4u

Поле: Основы электротехники

China

Что такое электрический ток?

Электрический ток определяется как поток заряженных частиц, таких как электроны или ионы, движущихся через электрический проводник или пространство. Это скорость потока электрического заряда через проводящую среду по времени. Электрический ток математически (например, в формулах) обозначается символом «I» или «i». Единица измерения тока — ампер. Это обозначается буквой A.

Математически, скорость потока заряда по времени может быть выражена как,

$\begin{align*} I = \frac {dQ} {dt} \end{align*}$

Другими словами, поток заряженных частиц, текущий через электрический проводник или пространство, называется электрическим током. Движущиеся заряженные частицы называются носителями заряда, которые могут быть электронами, дырками, ионами и т.д.

Поток тока зависит от проводящей среды. Например:

В проводнике поток тока обусловлен электронами.
В полупроводниках, поток тока обусловлен электронами или дырками.
В электролите поток тока обусловлен ионами и
В плазме — ионизированном газе, поток тока обусловлен ионами и электронами.

Когда между двумя точками в проводящей среде прикладывается электрическая разность потенциалов, начинает течь электрический ток от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом. Чем выше напряжение или разность потенциалов, тем больше ток, текущий между этими двумя точками.

Если две точки в цепи находятся на одном и том же потенциале, то ток не может течь. Величина тока зависит от напряжения или разности потенциалов между двумя точками. Таким образом, можно сказать, что ток является результатом напряжения.

Электрический ток может создавать электромагнитные поля, которые используются в дросселях, трансформаторах, генераторах и двигателях. В проводниках электрического тока вызывает резистивное нагревание или джоульское нагревание, которое создает свет в лампе накаливания.

Переменный электрический ток создает электромагнитные волны, которые используются в телекоммуникациях для передачи данных.

Переменный ток против постоянного тока

На основе направления потока заряда электрический ток классифицируется на два типа: переменный ток (AC) и постоянный ток (DC).

Переменный ток

Поток электрического заряда, который периодически меняет свое направление, называется переменным током (AC). Переменный ток также называют "AC Current". Хотя технически это повторение одного и того же "AC Current Current".

Переменный ток изменяет свое направление через равные промежутки времени.

Переменный ток начинается с нуля, возрастает до максимума, уменьшается до нуля, затем меняет направление и достигает максимума в противоположном направлении, затем снова возвращается к исходному значению и повторяет этот цикл бесконечно.

Форма волны переменного тока может быть синусоидальной, треугольной, прямоугольной, пилообразной и т.д.

Особенность формы волны не имеет значения — главное, чтобы она была повторяющейся.

Тем не менее, в большинстве электрических цепей типичная форма волны переменного тока — синусоида. Типичная синусоидальная форма, которую можно увидеть как переменный ток, показана на изображении ниже.

Генератор переменного тока может генерировать переменный ток. Генератор переменного тока - это специальный тип электрического генератора, предназначенного для генерации переменного тока.

Переменный электрический ток широко используется в промышленных и бытовых применениях.

Постоянный ток

Движение электрического заряда только в одном направлении называется постоянным током (DC). Постоянный ток также называют "DC Current". Хотя технически это повторение одного и того же "Direct Current Current".

Поскольку постоянный ток течет только в одном направлении, его также называют однонаправленным током. Форма волны постоянного тока показана на изображении ниже.

Постоянный ток может быть сгенерирован батареями, солнечными батареями, топливными элементами, термопарами, коммутаторными электрическими генераторами и т.д. Переменный ток можно преобразовать в постоянный ток с помощью выпрямителя.

Постоянный электрический ток обычно используется в низковольтных приложениях. Большинство электронных схем требуют источника питания постоянного тока.

В чем измеряется электрический ток (единицы тока)?

Единица измерения тока в СИ - ампер или амп. Это обозначается буквой A. Ампер, или амп, является основной единицей электрического тока в системе СИ. Единица ампер названа в честь великого физика Андре Мари Ампера.

В системе СИ 1 ампер - это поток электрического заряда между двумя точками со скоростью одного кулона в секунду. Таким образом,

$\begin{align*} 1 \,\, Ampere = \frac {1\,\,Coulomb} {1\,\,Second} = \frac {C} {S} \end{align*}$

Таким образом, сила тока также измеряется в кулонах в секунду или Кл/с.

Формула электрического тока

Основные формулы для силы тока:

Связь между силой тока, напряжением и сопротивлением (Закон Ома)
Связь между силой тока, мощностью и напряжением
Связь между силой тока, мощностью и сопротивлением

Эти связи представлены на изображении ниже.

Формула 1 (Закон Ома)

Согласно закону Ома,

$\begin{align*} V = I*R \end{align*}$

Таким образом,

$\begin{align*} I = \frac{V}{R}\,\,A \end{align*}$

Пример

Как показано на схеме ниже, напряжение питания $24\,\,V$ подается на сопротивление $12\,\,\Omega$ . Определите ток, протекающий через резистор.

Решение:

Данные: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

Согласно закону Ома,

$\begin{align*} & I = \frac{V}{R} \\ & = \frac{24}{12} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

Таким образом, используя уравнение, мы получаем, что ток, проходящий через резистор, составляет $2\,\,A$ .

Формула тока 2 (мощность и напряжение)

Передаваемая мощность является произведением напряжения питания и электрического тока.

$\begin{align*} P = V*I \end{align*}$

Таким образом, мы получаем, что ток равен мощности, деленной на напряжение. Математически,

$\begin{align*} I = \frac{P}{V}\,\,A \end{align*}$

Где $A$ обозначает амперы или ампер (единицы измерения электрического тока).

Пример

Как показано на схеме ниже, к лампе мощностью $48\,\,W$ подается напряжение питания $24\,\,V$ . Определите ток, потребляемый лампой мощностью $48\,\,W$ .Решение:

Данные: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

Согласно формуле,

$\begin{align*} & I = \frac{P}{V} \\ & = \frac{48}{24} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

Таким образом, используя приведенное выше уравнение, мы получаем, что ток, потребляемый лампой мощностью $48\,\,W$ , равен $2\,\,A$ .

Формула тока 3 (мощность и сопротивление, омические потери, резистивный нагрев)

Мы знаем, что, $P = V * I$

Теперь, подставляя закон Ома $V = I * R$ в вышеуравнение, мы получаем,

$\begin{align*} P = I^2*R \end{align*}$

Таким образом, ток является квадратным корнем из отношения мощности и сопротивления. Математически, формула для этого равна:

$\begin{align*} I = \sqrt{\frac{P}{R}}\,\,A \end{align*}$

Пример

Как показано на нижеследующей схеме, определите ток, потребляемый лампой $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ .

Решение:

Данные: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

Согласно соотношению между током, мощностью и сопротивлением, показанному выше:

$\begin{align*} & I = \sqrt{\frac{P}{R}} \\ & = \sqrt{\frac{100}{20}} \\ & = \sqrt{5} \\ & I = 2.24\,\,A \end{align*}$

Таким образом, используя это уравнение, мы получаем, что ток, потребляемый лампой с мощностью $100\,\,W$ и сопротивлением $20\,\,\Omega$ , составляет $2.24\,\,A$ .

Размерности тока

Размерности тока в терминах массы (M), длины (L), времени (T) и ампера (A) задаются как $M^0L^0T^-^1Q$ .

Ток (I) представляет собой кулон на секунду. Таким образом,

$\begin{align*} I = \frac{Q}{t} = \frac{[Q]}{[T]} = QT^-^1 = M^0L^0T^-^1Q \end{align*}$

Традиционный ток против электронного потока

Существует небольшое заблуждение относительно традиционного направления тока и движения электронов. Давайте попробуем понять разницу между этими двумя.

Частицы, переносящие электрический заряд через проводники, — это подвижные или свободные электроны. Направление электрического поля в цепи по определению является законом, согласно которому положительные пробные заряды отталкиваются. Таким образом, эти частицы с отрицательным зарядом, то есть электроны, движутся в направлении, противоположном направлению электрического поля.

Согласно теории электронов, когда напряжение или разность потенциалов приложены к проводнику, заряженные частицы проходят через цепь, что составляет электрический ток.

Эти заряженные частицы движутся от высокого потенциала к низкому потенциалу, то есть от положительного вывода батареи к отрицательному выводу через внешнюю цепь.

Однако, в металлическом проводнике положительно заряженные частицы находятся в фиксированном положении, а отрицательно заряженные частицы, то есть электроны, свободны для перемещения. В полупроводниках поток заряженных частиц может быть положительным или отрицательным.

Поток положительных носителей заряда и отрицательных носителей заряда в противоположных направлениях имеет одинаковый эффект в электрической цепи. Поскольку поток тока обусловлен либо положительными, либо отрицательными зарядами, или обоими, требуется конвенция для направления тока, которая не зависит от типов носителей заряда.

Направление традиционного тока считается направлением, в котором движутся положительные носители заряда, то есть от высокого потенциала к низкому потенциалу. Следовательно, отрицательные носители заряда, то есть электроны, движутся в направлении, противоположном направлению традиционного тока, то есть от низкого потенциала к высокому потенциалу. Таким образом, традиционный ток и поток электронов движутся в противоположных направлениях, как показано на изображении ниже.

direction of coventional current and electron flow — Направление традиционного тока и потока электронов

Ток в обычном направлении: Поток положительных зарядов от положительного клемма к отрицательному клемму батареи называется током в обычном направлении.
Электронный поток: Поток электронов называется электронным током. Поток отрицательных зарядов, то есть электронов, от отрицательного клемма к положительному клемму батареи, называется электронным потоком. Электронный поток противоположен току в обычном направлении.

Направление тока в обычном направлении и электронного потока показано на изображении ниже.

Ток в обычном направлении и электронный поток

Ток в обычном направлении против тока проводимости

Ток конвекции

Ток конвекции относится к току, протекающему через диэлектрическую среду, такую как жидкость, газ или вакуум.

Ток конвекции не требует проводников для протекания, поэтому он не удовлетворяет закону Ома. Примером тока конвекции является вакуумная трубка, в которой электроны, испускаемые катодом, протекают к аноду в вакууме.

Ток проводимости

Ток, протекающий через любой проводник, называется током проводимости. Ток проводимости требует наличия проводника для протекания, поэтому он удовлетворяет закону Ома.

Перемещающийся ток

Рассмотрим резистор и конденсатор, соединенные параллельно с источником напряжения V, как показано на рисунке ниже. Природа тока, протекающего через конденсатор, отличается от тока, протекающего через резистор.

Напряжение или разность потенциалов на резисторе создает непрерывный поток тока, который определяется уравнением,

$\begin{align*} I_1 = \frac{V}{R} \end{align*}$

Этот ток называется «ток проводимости».

Теперь ток протекает через конденсатор только тогда, когда напряжение на конденсаторе изменяется, что описывается уравнением,

$\begin{align*} I_2 = \frac{dQ}{dt} = C \frac{dV}{dt} \end{align*}$

Этот ток называется «ток смещения».

Физически ток смещения не является током, так как нет потока физической величины, такой как поток зарядов.

Как измерить ток

В электрических и электронных цепях измерение тока является важным параметром, который необходимо измерять.

Прибор, способный измерять электрический ток, называется амперметром. Для измерения тока амперметр должен быть подключен последовательно с цепью, ток которой нужно измерить.

Измерение тока через резистор с помощью амперметра показано на следующем рисунке.

Электрический ток также можно измерить с помощью гальванометра. Гальванометр показывает как направление, так и величину электрического тока.

Ток можно измерить, обнаруживая магнитное поле, связанное с током, без разрыва цепи. Существует множество приборов, используемых для измерения тока без разрыва цепи.

Датчики тока на эффекте Холла
Трансформаторы тока (ТТ) (измеряет только переменный ток)
Клещи-амперметры
Резисторы-шунты
Магниторезистивные датчики поля

Частые вопросы о токе

Давайте рассмотрим некоторые распространенные вопросы, связанные с электрическим током.

Какие приборы используют электромагнит для измерения электрического тока?

Гальванометр — это измерительный прибор, который использует электромагнит для измерения электрического тока.

Гальванометр является абсолютным прибором; он измеряет электрический ток в терминах тангенса угла отклонения.

Гальванометр может напрямую измерять электрический ток, но это требует разрыва цепи, что иногда неудобно.

Как электрический ток создает магнитную силу?

Проводник с током, помещенный в магнитное поле, будет испытывать силу, так как ток представляет собой движение зарядов.

Рассмотрим проводник с током, как показано на рисунке (а) ниже. Согласно правилу правой руки Флеминга, этот ток создаст магнитное поле по часовой стрелке.

企业微信截图_17098660781451.png 企业微信截图_17098660847078.png

Магнитная сила, создаваемая электрическим током

В результате магнитного поля проводника оно будет усиливать магнитное поле над проводником и ослаблять его под ним.

Линии магнитного поля похожи на растянутые резиновые ленты, поэтому они будут толкать проводник вниз, то есть сила направлена вниз, как показано на рисунке (б).

В этом примере говорится, что проводник с током в магнитном поле испытывает силу. Следующее уравнение определяет величину магнитной силы, действующей на проводник с током.

$\begin{align*} F_B = BIL\,\,Sin\theta \end{align*}$

Для того чтобы электрический ток тек, необходимо иметь следующее:

Разность потенциалов, существующая между двумя точками. Если две точки в цепи находятся на одном и том же потенциале, ток не может течь.
Источник напряжения или источник тока, такой как батарея или элемент, который заставляет свободные электроны, составляющие электрический ток.
Проводник или проволока, которые переносят электрические заряды.
Цепь должна быть замкнутой или полной. Если цепи открыты, ток не может течь.

Это условия, необходимые для того, чтобы электрический ток тек. Изображение ниже показывает ток, проходящий по замкнутой цепи.

Какое из следующего лучше всего описывает разницу между электрическим током и статическим электричеством

Основное различие между электрическим током и статическим электричеством заключается в том, что электроны или заряды текут через проводник в электрическом токе.

Тогда как в статическом электричестве заряды неподвижны и накапливаются на поверхности вещества.

Электрический ток обусловлен движением электронов, тогда как статическое электричество обусловлено отрицательными зарядами, переходящими от одного объекта к другому.

Электрический ток генерируется только в проводнике, тогда как статическое электричество генерируется как в проводнике, так и в диэлектрике.

Как электрический ток влияет на магнитный полюс?

Мы знаем, что когда течет электрический ток, то есть электрический заряд находится в движении, он создает магнитное поле. Если мы поместим магнит в магнитное поле, он будет испытывать силу.

Для электрических зарядов, то есть для электрического тока, подобные магнитные полюса притягиваются, а противоположные отталкиваются. Таким образом, можно сказать, что электрический ток влияет на магнитный полюс через магнитное поле.

Какой прибор используется для измерения электрического тока

Прибор, который может измерять электрический ток, называется амперметром. Амперметр должен быть подключен последовательно в цепь, ток которой нужно измерить.

Существуют также и другие различные приборы, используемые для измерения электрического тока.

Трансдукторы с эффектом Холла
Токовый трансформатор (CT) (измеряет только переменный ток)
Щуповые амперметры
Шунтирующие резисторы
Магниторезистивные датчики поля

Источник: Electrical4u

Заявление: Уважайте оригинал, хорошие статьи стоят делиться, если имеется нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.