Расчет электрических параметров необходим для правильных построений цепей. Поскольку целью использования электричества в электротехнике является задача по выполнению током работы, то встает вопрос о том, как найти силу тока. Данный параметр используют при вычислениях мощности и в расчетах потребления электрической энергии.
Существуют разные способы определения этого важного параметра, которые мы рассмотрим в данной статье.
Формулами
Параметры электрического тока всегда взаимосвязаны. Например, изменение величины нагрузки отображается на показателях других величин. Причем эти изменения подчиняются соответствующим законам, которые выражаются через формулы. Поэтому на практике для нахождения силы тока часто используют соответствующие формулы.
Через заряд и время
Вспомним определение (рис.1): электричество – это величина заряда, движимого силами электрического поля, преодолевающего за единицу времени условную плоскость проводника, называемую поперечным сечением проводника.
Таким образом, если известен электрический заряд, прошедший через проводник за определенное время, то не трудно найти величину этого заряда прошедшего за единицу времени, то есть: I = q/t
Через мощность и напряжение
В паспорте электроприбора обычно указывается его номинальная мощность и параметры электрической сети, для работы с которой он предназначен. Имея в распоряжении эти данные, можно вычислить силу тока по формуле: I = P/U.
Данное выражение вытекает из формулы для расчета мощности: P = IU.
Через напряжение или мощность и сопротивление
Силу электричества на участке цепи определяют по закону Ома. Для этого необходимо знать следующие параметры: сопротивление и напряжение на этом участке. Тогда I = U/R. Если известна мощность нагрузки, то ее можно выразить через квадрат силы тока умноженной на сопротивление участка: P = I2R, откуда
Для полной цепи эту величину вычисляют по закону Ома, но с учетом параметров источника питания.
Через ЭДС, внутреннее сопротивление и нагрузку R
Применяя закон Ома, адаптированный для полной цепи, вы можете вычислить максимальный ток по формуле I = ε / (R+r′), если известны параметры:
- внешнее сопротивление проводников (R);
- ЭДС источника питания (ε);
- внутреннее сопротивление источника, обладающего ЭДС (r′).
Примечание! Реальные источники питания обладают внутренним сопротивлением. Поскольку в электрической цепи
показатель силы тока может уменьшаться в связи с возрастанием сопротивления источника питания или в результате падения ЭДС. Именно из-за роста внутреннего сопротивления садится аккумулятор и ослабевает ЭДС элементов питания.
Закон Джоуля-Ленца
Казалось бы, что расчет силы тока по количеству тепла, выделяющегося в результате нагревания проводника, не имеет практического применения. Однако это не так. Рассмотрим это на примере.
Пусть требуется найти силу тока во время работы электрочайника. Для этого доведите до кипения 1 кг воды и засеките время в секундах. Предположим, начальная температура составляла 10 ºС. Тогда Q = Cm(τ – τ0) = 4200 Дж/кг× 1 кг (100 – 10) = 378 000 Дж.
Из закона Джоуля-Ленца (изображение на рис. 2) вытекает формула:
Измерив сопротивление электроприбора и подставив значения в формулу, получим величину потребляемого тока.
Измерительными приборами
Если под руками имеются измерительные приборы, то с их помощью довольно просто найти силу тока. Необходимо лишь соблюдать правила измерений и не забывать о правилах безопасности.
Амперметром
Пользуясь приборами для измерения ампеража, следует помнить, что они подключаются в цепи последовательно. Внутреннее сопротивление амперметра очень маленькое, поэтому прибор легко выводится из строя, если проводить измерения пределами значений, для которых он рассчитан.
Схема подключения амперметра показана на рисунке 3. Обратите внимание на то, что на участке измеряемой электрической цепи обязательно должна быть нагрузка.
Большинство аналоговых амперметров, например, таких, как на рисунке 4, предназначены для измерений параметров в цепях с постоянными токами.
Обратите внимание распределение шкалы амперметра. Цена первого деления 50 А, а всех последующих – 10 А. Максимальная величина, которую можно измерить данным амперметром не должна превышать 300 А. Для измерений электрической величины в меньших либо в больших пределах следует применять соответствующие приборы, предназначенные для таких диапазонов. В этом смысле универсальность амперметра ограничена.
При измерениях постоянных токов необходимо соблюдать полярность щупов при подключении амперметра. Для подключения прибора требуется разрывать цепь. Это не всегда удобно. Иногда вычисление силы тока по формуле является предпочтительней, особенно если приходится проводить измерения в сложных электротехнических схемах.
Мультиметром
Преимущество мультиметра в том, что этот прибор многофункциональный. Современные мультиметры цифровые. У них есть режимы для измерений в цепях постоянных и переменных токов. В режиме измерения силы тока этот измерительный прибор подключается в цепь аналогично амперметру.
Перед включением мультиметра в цепь, всегда проверяйте режим измерений, а пределы измерения выбирайте заведомо большие предполагаемой силы тока. После первого измерения можно перейти в режим с меньшим диапазоном.
Для работы с переменным напряжением переводите прибор в соответствующий режим. Считывайте значения с дисплея после того, как цифры перестанут мелькать.
Примеры
Покажем на простых примерах, как решать задачи на вычисление силы тока по формуле.
Задача 1.
На участке цепи имеются три параллельно включенных резистора (см. рис. 5). Значения сопротивлений резисторов: R1 = 5 Ом; R2 = 25 Ом; R3 = 50 Ом. Требуется рассчитать силу тока для каждого резистора и на всём участке, если на нем поддерживается постоянное напряжение 100 В.
Решение: При параллельном соединении нагрузочных элементов U = const, то есть, напряжение одинаково на всех резисторах и составляет 100 В. Тогда, по закону Ома I = U/R
- I1 = U/R1 =100/5 = 20 А;
- I2 = U/R2 =100/25 ≈ 4 А;
- I3 = U/R3 =100/50 = 2 А.
Для вычисления искомого параметра на всем участке цепи, нам необходимо знать общее сопротивление этого участка. Учитывая тот факт, что при параллельном соединении нагрузочных элементов в цепи их общее сопротивление равно:
Имеем: 1/R= 1/5 + 1/25 + 1/50 = 13/50; R = 50/13 ≈ 3.85 (Ом)
Тогда: I = U/R = 100 В/3,85 Ом ≈26 А.
Ответ:
- Сила тока на сопротивлениях: I1 =20 А; I2 = 4А; I3 = 2 А.
- Сила тока, поступающего на рассматриваемый участок цепи равна 26 А.
Задача 2.
Мощность электрочайника 2 кВт. Чайник работает от городской сети под напряжением 220 В. Сколько электричества потребляет этот электроприбор?
Решение:
Воспользуемся формулой для нахождения силы тока, включающей напряжение и мощность: I = P/U.
- 2 кВт преобразим в ватты: 2 кВт = 2000 Вт.
- Подставляем данные: I = 2 000 Вт/ 220 В ≈ 9 А
- Ответ: Нагревательный элемент электрочайника рассчитан на 9 А.
Задача 3.
Вычислить силу тока в цепи, если известно, что сопротивление составляет 5 Ом, ЭДС источника питания 6 В, а его внутреннее сопротивление составляет 1 Ом.
Решение.
Применяя закон Ома для полной цепи, запишем: I = ε / (R+r′)
I = 6 В / (5 Ом + 1 Ом) = 1 А.
Ответ: сила тока 1 А.
Задача 4.
Сколько энергии потребляет электроплита за 2 часа работы, если сопротивление нагревательного элемента 40 Ом?
Решение:
За время t электричество выполнит работу A = U*I*t.
Напряжение сети известно – оно составляет 220 В.Силу тока находим по формуле: I = U/R, тогда A = (U2/R)*t или
A = ((220 В)2 / 40 Ом) * 2 ч = 2420 Втч = 2,42 кВтч
Ответ: За 2 часа работы электроплита потребляет 2,42 кВт часов электроэнергии.
Применяя формулы для вычисления параметров электричества, пользуясь фундаментальными законами физики можно находить неизвестные данные для составных элементов цепей и электроприборов с целью оценки их состояния. В каждом отдельном случае необходимо определить известные параметры тока, которые можно использовать в дальнейших вычислениях. Обычно, это напряжение, мощность или сопротивление нагрузки.
Если можно обойтись без измерений амперметром – лучше прибегнуть к вычислениям, даже если при этом потребуется измерить напряжение. Такое измерение можно проводить без разрыва электрической цепи, чего нельзя сделать при помощи амперметра.
На чтение 18 мин Просмотров 28 Опубликовано 11 апреля 2023 Обновлено 11 апреля 2023
Содержание
- Амперметр. Измерение силы тока
- Содержание
- Амперметр
- Амперметр в электрической цепи
- Правила подключения амперметра в электрическую цепь
- Измерение силы тока амперметром
- Безопасные и опасные пределы значений силы тока
- Это интересно: амперметр и Minecraft
- Упражнения
- Упражнение №1
- Упражнение №2
- Упражнение №3
- Упражнение №4
- Как найти показания амперметра формула
- Ответ
- Измерение тока.
- Измерение напряжения.
- Измерение тока.
- Измерение напряжения.
Амперметр. Измерение силы тока
Содержание
Сила тока $I$ — важная характеристика в электричестве. Она напрямую зависит от величины электрического заряда $q$, переносимого частицами, и от времени $t$, за которое этот заряд проходит через поперечное сечение проводника.
Далеко не всегда есть возможность заглянуть внутрь проводника, измерить переносимый заряд и рассчитать силу тока по формуле $I = frac$. Зато есть возможность измерить силу тока с помощью специального прибора.
Этот прибор называется амперметром. В данном уроке вы узнаете, как с его помощью измерять силу тока и как правильно подключать его к электрической цепи.
Амперметр
Амперметр — это прибор для измерения силы тока в электрической цепи.
По принципу работы и внешнему виду амперметр очень похож на гальванометр. Его устройство изменено, чтобы можно было не просто фиксировать наличие тока в цепи, но и измерять его силу.
В каких единицах градуируют шкалу амперметра? Так как он измеряет силу тока, то и его шкала будет проградуирована в амперах.
Различные виды амперметров могут отличаться друг от друга в зависимости от сферы использования. На рисунке 1, а изображен демонстрационный амперметр. Такие приборы чаще всего используют в школе при демонстрации опытов.
На рисунке 1, б представлен амперметр, который чаще используют для лабораторных работ.
Как вы видите, эти два амперметра рассчитаны на измерение определенного диапазона значений силы тока. Шкала первого амперметра покажет максимальное значение в $3 space А$, а второго — в $2 space А$. Превышать эти значения не рекомендуется, так как приборы могут выйти из строя.
Амперметр в электрической цепи
Амперметр — измерительный прибор. Поэтому, когда мы подключаем его к электрической цепи, он не будет влиять на величину силы тока. Он будет лишь показывать ее значение.
На схемах электрических цепей амперметр обозначается специальным условным знаком — кружочком с буквой “А” (рисунок 2).
Правила подключения амперметра в электрическую цепь
- Амперметр необходимо включать в цепь последовательно с тем прибором/проводником, силу тока в котором нужно измерить (рисунок 3)
- У амперметра имеется две клеммы для подсоединения проводников. Клемму, на которой стоит знак “+” нужно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока. И, соответственно, клемму, на которой стоит знак “-” нужно соединять с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока (рисунок 4).
- Нельзя подключать амперметр к цепи, в которой нет потребителя (приемника) тока (рисунок 5). Это может привести к выходу прибора из строя.
Измерение силы тока амперметром
Первое правило подключения амперметра в цепь говорит о его последовательном подключении. А есть ли разница, где именно при таком подсоединении мы расположим амперметр?
Давайте соберем электрическую цепь. Она будет состоять из источника тока, ключа, электрической лампочки и амперметра (рисунок 6).
После замыкания цепи, зафиксируем силу тока, которую показал амперметр.
А теперь давайте переместим амперметр в цепи так, чтобы он стоял после лампы, а не до нее (рисунок 7).
Амперметр покажет нам ту же величину силы тока, что и в предыдущем случае.
А теперь подключим в цепь сразу два амперметра (рисунок 8). И что мы увидим? Они будут показывать одинаковые значения силы тока, точно такие же, как и в предыдущих опытах.
В цепи с последовательным подключением проводников (так, что конец одного проводника соединяется с началом другого) сила тока во всех участках цепи одинакова.
Почему она одинакова? Дело в том, что заряд, который проходит через любое поперечное сечение проводников цепи за $t = 1 space с$, одинаков. Ведь ток равномерно протекает по всем проводам цепи, нигде не накапливаясь. Его течение можно сравнить с протеканием воды по трубам.
Безопасные и опасные пределы значений силы тока
Работа с электрическими цепями может быть опасной при несоблюдении правил безопасности. Если мы говорим о постоянном токе (величина силы тока и его направление со временем не изменяются), то эффекты воздействия такого тока на человеческий организм приведены в таблице 1.
| $I$, $мА$ | Воздействие на человеческий организм |
| 0 — 3 | Не ощущается |
| 4 — 7 | Зуд. Ощущение нагревания |
| 8 — 10 | Усиление нагревания |
| 11 — 25 | Еще большее усиление нагревания, незначительные сокращения мышц рук |
| 26 — 80 | Сильное ощущение нагревания. Сокращения мышц рук. Судороги, затруднение дыхания. |
| 81 — 100 | Паралич дыхания |
Таблица 1. Действие постоянного тока на организм человека
Это интересно: амперметр и Minecraft
Упражнения
Упражнение №1
При включении в цепь амперметра так, как показано на рисунке 9, а, сила тока была $0.5 space А$. Каковы будут показания амперметра при включении его в ту же цепь так, как изображено на рисунке 9, б?
Сила тока будет точно такая же. Амперметр покажет значение в $0.5 space А$. Это объясняется тем, что в данной электрической цепи все элементы соединены последовательно. В этом случае сила тока на всех участках цепи одинакова.
Упражнение №2
Как можно проверить правильность показаний амперметра с помощью другого амперметра, точность показаний которого проверена?
Можно собрать цепь, как на рисунке 6, используя точный амперметр. Зафиксировать значение силы тока, которое он покажет. Потом заменить его другим — тем, правильность показаний которого мы хотим проверить. Далее останется просто сравнить показания этого амперметра с полученными ранее.
Можно сделать это и другим способом. Для этого нужно собрать цепь, как на рисунке 8 с последовательным соединений всех элементов. Мы уже знаем, что в такой цепи два исправных амперметра должны показывать одинаковые значения. Главное при такой проверке — это отметить для себя, какой амперметр показывает точные результаты измерений, чтобы не запутаться.
Упражнение №3
Рассмотрите амперметры, данные на рисунке 1. Определите цену деления шкалы каждого амперметра. Какую наибольшую силу тока они могут измерять? Перерисуйте шкалу амперметра (смотрите рисунок 1, а) в тетрадь и покажите, каково будет положение стрелки при силе тока $0.3 space А$ и $1.5 space А$.
Шкала демонстрационного амперметра с рисунка 1, а будет иметь цену деления, равную $0.2 space А$.
Шкала лабораторного амперметра с рисунка 1, б будет иметь цену деления, равную $0.05 space А$.
На рисунке 10, а мы изобразили шкалу демонстрационного амперметра, который показывает значение $I = 0.3 space А$,а на рисунке 10, б — $I = 1.5 space А$.
Упражнение №4
Имеется точный амперметр. Как, пользуясь им, нанести шкалу на другой, ещё не проградуированный амперметр?
Для этого нужно подключить оба амперметра в электрическую сеть. Например, как на рисунке 8.
Сначала перед замыканием ключа на пустую шкалу амперметра нанесем первую отметку — $0 space А$.
Замыкаем цепь. Точный амперметр покажет нам какое-то определенное значение силы тока. Его стрелка отклонится. Например, она покажет значение в $1 space А$. Стрелка второго амперметра тоже отклонится. Отметим ее положение — $1 space А$. Мы можем так сделать, потому что сила тока при последовательном соединении элементов в цепи на всех ее участках одинакова.
Затем можно, используя линейку, самостоятельно нанести дополнительную отметки на шкале амперметра, выбрав удобную для вас цену деления.
Источник
Как найти показания амперметра формула
найти показания амперметр и вольтметра в цепи. E1=12в E2=10В,E3=2 В, r1=4ом,r2=1 ом,r3=4 Ом, R1=6 Ом,R2=12 Ом,R3=4 Ом,R4=8 Ом,R5=2 Ом,R6=2Ом
помогите решить пожалуйста,не знаю что делать с 3 источниками ЭДС,получится что только один будет гнать напряжение(который 12в)?
- Попроси больше объяснений
- Следить
- Отметить нарушение
Ответ
По закону Ома, ток в замкнутом контуре равен алгебраической сумме ЭДС, действующих в контуре, деленному на полное сопротивление цепи.
Алгебраическая сумма ЭДС равна Е=12В-10В+2В=4В
Полное сопротивление цепи равно R=r1+r2+r3+R1234+R56
R1234 состоит из двух папаллельно включенных цепочек из двух последовательно включенных сопротивлений (R1,R2 и R3,R4 соответственно)
Полное сопротивление цепи равно 4+1+4+7.2+1=17,2 Ом
Амперметр А» показывает полный ток в цепи, и он покажет 4В/17,2Ом=»0,232558А» или примерно 0,233А
Чтобы найти показания амперметра А1, найдем напряжение на R56. U56=I2*R56=I2*1
Ток I1=U56/2=I2/2=0.116279А или примерно 0,116 А
Показание вольтметра равно разности падения напряжения на сопротивлениях R2 и R4. Чтобы найти эти значения, найдем падение напряжения на всей цепочке сопротивлений R1R2R3R4. U1234=I2*R1234=I2*7,2
Падение напряжения на R2 U2=U1234/(R1+R2)*R2=I2*7,2*12/18=I2*7,2*2/3
Падение напряжения на R4 U4=U1234/(R3+R4)*R4=I2*7,2*8/12=I2*7,2*2/3
Разность напряжений на R2 и R4 равна U2-U4=I2*7,2*2/3-I2*7,2*2/3=0, следовательно, показания вольтметра будут равны нулю.
Ответ: амперметр А2 покажет ток примерно 0,233А, амперметр А1 примерно 0,116А, а вольтметр покажет 0
Приветствую всех читателей на нашем сайте и сегодня в рамках курса “Электроника для начинающих” мы будем изучать основные способы измерения силы тока, напряжения и других параметров электрических цепей. Естественно, без внимания не останутся и основные измерительные приборы, такие как вольтметр, амперметр и др.
Измерение тока.
И начнем мы с измерения тока. Прибор, используемый для этих целей, называется амперметр и в цепь он включается последовательно. Рассмотрим небольшой примерчик:
Как видите, здесь источник питания подключен напрямую к резистору. Кроме того, в цепи присутсвует амперметр, включенный последовательно с резистором. По закону Ома сила тока в данной цепи должна быть равна:
Получили величину, равную 0.12 А, что в точности совпадает с практическим результатом, который демонстрирует амперметр в цепи 🙂
Важным параметром этого прибора является его внутреннее сопротивление 
. Почему это так важно? Смотрите сами – при отсутствии амперметра ток определяется по закону Ома, как мы и рассчитывали чуть выше. Но при наличии амперметра в цепи ток изменится, поскольку изменится сопротивление, и мы получим следующее значение:
Если бы амперметр был абсолютно идеальным, и его сопротивление равнялось нулю, то он бы не оказал никакого влияния на работу электрической цепи, параметры которой необходимо измерить, но на практике все не совсем так, и сопротивление прибора не равно 0. Конечно, сопротивление амперметра достаточно мало (поскольку производители стремятся максимально его уменьшить), поэтому во многих примерах и задачах им пренебрегают, но не стоит забывать, что оно все-таки и есть и оно ненулевое.
При разговоре об измерении силы тока невозможно не упомянуть о способе, который позволяет расширить пределы, в которых может работать амперметр. Этот метод заключается в том, что параллельно амперметру включается шунт (резистор), имеющий определенное сопротивление:
В этой формуле n – это коэффициент шунтирования – число, которое показывает во сколько раз будут увеличены пределы, в рамках которых амперметр может производить свои измерения. Возможно это все может показаться не совсем понятным и логичным, поэтому сейчас мы рассмотрим практический пример, который позволит во всем разобраться.
Пусть максимальное значение, которое может измерить амперметр составляет 1А. А схема, силу тока в которой нам нужно определить имеет следующий вид:
Отличие от предыдущей схемы заключается в том, что напряжение источника питания на этой схеме в 100 раз больше, соответственно, и ток в цепи станет больше и будет равен 12 А. Из-за ограничения на максимальное значение измеряемого тока напрямую использовать наш амперметр мы не сможем. Так вот для таких задач и нужно использовать дополнительный шунт:
В данной задаче нам необходимо измерить ток 
. Мы предполагаем, что его значение превысит максимально допустимую величину для используемого амперметра, поэтому добавляем в схему еще один элемент, который будет выполнять роль шунта. Пусть мы хотим увеличить пределы измерения амперметра в 25 раз, это значит, что прибор будет показывать значение, которое в 25 раз меньше, чем величина измеряемого тока. Нам останется только умножить показания прибора на известное нам число и мы получим нужное нам значение. Для реализации нашей задумки мы должны поставить шунт параллельно амперметру, причем сопротивление его должно быть равно значению, которое мы определяем по формуле:
В данном случае n = 25, но мы проведем все расчеты в общем виде, чтобы показать, что величины могут быть абсолютно любыми, принцип шунтирования будет работать одинаково.
Итак, поскольку напряжения на шунте и на амперметре равны, мы можем записать первое уравнение:
Выразим ток шунта через ток амперметра:
Подставим в это уравнение предыдущее выражение для тока шунта:
Но сопротивление шунта нам также известно (). В итоге мы получаем:
Вот мы и получили то, что и хотели. Значение, которое покажет амперметр в данной цепи будет в n раз меньше, чем сила тока, величину которой нам и нужно измерить 🙂
С измерениями тока в цепи все понятно, давайте перейдем к следующему вопросу, а именно определению напряжения.
Измерение напряжения.
Прибор, предназначенный для измерения напряжения называется вольтметр, и, в отличие от амперметра, в цепь он включается параллельно участку цепи, напряжение на котором необходимо определить. И, опять же, в противоположность идеальному амперметру, имеющему нулевое сопротивление, сопротивление идеального вольтметра должно быть равно бесконечности. Давай разберемся с чем это связано:
Если бы в цепи не было вольтметра, ток через резисторы был бы один и тот же и определялся по Закону Ома следующим образом:
Итак, величина тока составила бы 1 А, а соответственно напряжение на резисторе 2 было бы равно 20 В. С этим все понятно, а теперь мы хотим измерить это напряжение вольтметром и включаем его параллельно с 
. Если бы сопротивление вольтметра было бы бесконечно большим, то через него просто не потек бы ток (
), и прибор не оказал бы никакого воздействия на исходную цепь. Но поскольку 
имеет конечную величину и не равно бесконечности, то через вольтметр потечет ток и, в связи с этим напряжение на резисторе уже не будет таким, каким бы оно было при отсутствии измерительного прибора. Вот поэтому идеальным был бы такой вольтметр, через который не проходил бы ток.
Как и в случае с амперметром, есть специальный метод, который позволяет увеличить пределы измерения напряжения для вольтметра. Для осуществления этого необходимо включить последовательно с прибором добавочное сопротивление, величина которого определяется по формуле:
Это приведет к тому, что показания вольтметра будут в n раз меньше, чем значение измеряемого напряжения. По традиции давайте рассмотрим небольшой практический пример 😉
Здесь мы добавили в цепь добавочное сопротивление 
. Перед нами стоит задача измерить напряжение на резисторе : 
. Давайте определим, что при таком включении будет на экране вольтметра:
Подставим в эту формулу выражение для расчета сопротивления добавочного резистора:
Таким образом: 
. То есть показания вольтметра будут в n раз меньше, чем величина напряжения, которое мы измеряли. Так что, используя данный метод, возможно увеличить пределы измерения вольтметра 🙂
В завершении статьи пару слов об измерении сопротивления и мощности.
Для решения обеих задач возможно совместное использование амперметра и вольтметра. В предыдущих статьях (про мощность и сопротивление) мы подробно останавливались на понятиях сопротивления и мощности и их связи с напряжением и сопротивлением, таким образом, зная ток и напряжение электрической цепи можно произвести расчет нужного нам параметра. Ну а кроме того есть специальные приборы, которые позволяют произвести измерения сопротивления участка цепи – омметр – и мощности – ваттметр.
В общем-то, на этом, пожалуй, на сегодня закончим, следите за обновлениями и заходите к нам на сайт! До скорых встреч!
Приветствую всех читателей на нашем сайте и сегодня в рамках курса “Электроника для начинающих” мы будем изучать основные способы измерения силы тока, напряжения и других параметров электрических цепей. Естественно, без внимания не останутся и основные измерительные приборы, такие как вольтметр, амперметр и др.
Измерение тока.
И начнем мы с измерения тока. Прибор, используемый для этих целей, называется амперметр и в цепь он включается последовательно. Рассмотрим небольшой примерчик:
Как видите, здесь источник питания подключен напрямую к резистору. Кроме того, в цепи присутсвует амперметр, включенный последовательно с резистором. По закону Ома сила тока в данной цепи должна быть равна:
Получили величину, равную 0.12 А, что в точности совпадает с практическим результатом, который демонстрирует амперметр в цепи 🙂
Важным параметром этого прибора является его внутреннее сопротивление . Почему это так важно? Смотрите сами – при отсутствии амперметра ток определяется по закону Ома, как мы и рассчитывали чуть выше. Но при наличии амперметра в цепи ток изменится, поскольку изменится сопротивление, и мы получим следующее значение:
Если бы амперметр был абсолютно идеальным, и его сопротивление равнялось нулю, то он бы не оказал никакого влияния на работу электрической цепи, параметры которой необходимо измерить, но на практике все не совсем так, и сопротивление прибора не равно 0. Конечно, сопротивление амперметра достаточно мало (поскольку производители стремятся максимально его уменьшить), поэтому во многих примерах и задачах им пренебрегают, но не стоит забывать, что оно все-таки и есть и оно ненулевое.
При разговоре об измерении силы тока невозможно не упомянуть о способе, который позволяет расширить пределы, в которых может работать амперметр. Этот метод заключается в том, что параллельно амперметру включается шунт (резистор), имеющий определенное сопротивление:
В этой формуле n – это коэффициент шунтирования – число, которое показывает во сколько раз будут увеличены пределы, в рамках которых амперметр может производить свои измерения. Возможно это все может показаться не совсем понятным и логичным, поэтому сейчас мы рассмотрим практический пример, который позволит во всем разобраться.
Пусть максимальное значение, которое может измерить амперметр составляет 1А. А схема, силу тока в которой нам нужно определить имеет следующий вид:
Отличие от предыдущей схемы заключается в том, что напряжение источника питания на этой схеме в 100 раз больше, соответственно, и ток в цепи станет больше и будет равен 12 А. Из-за ограничения на максимальное значение измеряемого тока напрямую использовать наш амперметр мы не сможем. Так вот для таких задач и нужно использовать дополнительный шунт:
В данной задаче нам необходимо измерить ток . Мы предполагаем, что его значение превысит максимально допустимую величину для используемого амперметра, поэтому добавляем в схему еще один элемент, который будет выполнять роль шунта. Пусть мы хотим увеличить пределы измерения амперметра в 25 раз, это значит, что прибор будет показывать значение, которое в 25 раз меньше, чем величина измеряемого тока. Нам останется только умножить показания прибора на известное нам число и мы получим нужное нам значение. Для реализации нашей задумки мы должны поставить шунт параллельно амперметру, причем сопротивление его должно быть равно значению, которое мы определяем по формуле:
В данном случае n = 25, но мы проведем все расчеты в общем виде, чтобы показать, что величины могут быть абсолютно любыми, принцип шунтирования будет работать одинаково.
Итак, поскольку напряжения на шунте и на амперметре равны, мы можем записать первое уравнение:
Выразим ток шунта через ток амперметра:
Подставим в это уравнение предыдущее выражение для тока шунта:
Но сопротивление шунта нам также известно (). В итоге мы получаем:
Вот мы и получили то, что и хотели. Значение, которое покажет амперметр в данной цепи будет в n раз меньше, чем сила тока, величину которой нам и нужно измерить 🙂
С измерениями тока в цепи все понятно, давайте перейдем к следующему вопросу, а именно определению напряжения.
Измерение напряжения.
Прибор, предназначенный для измерения напряжения называется вольтметр, и, в отличие от амперметра, в цепь он включается параллельно участку цепи, напряжение на котором необходимо определить. И, опять же, в противоположность идеальному амперметру, имеющему нулевое сопротивление, сопротивление идеального вольтметра должно быть равно бесконечности. Давай разберемся с чем это связано:
Если бы в цепи не было вольтметра, ток через резисторы был бы один и тот же и определялся по Закону Ома следующим образом:
Итак, величина тока составила бы 1 А, а соответственно напряжение на резисторе 2 было бы равно 20 В. С этим все понятно, а теперь мы хотим измерить это напряжение вольтметром и включаем его параллельно с . Если бы сопротивление вольтметра было бы бесконечно большим, то через него просто не потек бы ток (), и прибор не оказал бы никакого воздействия на исходную цепь. Но поскольку имеет конечную величину и не равно бесконечности, то через вольтметр потечет ток и, в связи с этим напряжение на резисторе уже не будет таким, каким бы оно было при отсутствии измерительного прибора. Вот поэтому идеальным был бы такой вольтметр, через который не проходил бы ток.
Как и в случае с амперметром, есть специальный метод, который позволяет увеличить пределы измерения напряжения для вольтметра. Для осуществления этого необходимо включить последовательно с прибором добавочное сопротивление, величина которого определяется по формуле:
Это приведет к тому, что показания вольтметра будут в n раз меньше, чем значение измеряемого напряжения. По традиции давайте рассмотрим небольшой практический пример 😉
Здесь мы добавили в цепь добавочное сопротивление . Перед нами стоит задача измерить напряжение на резисторе : . Давайте определим, что при таком включении будет на экране вольтметра:
Подставим в эту формулу выражение для расчета сопротивления добавочного резистора:
Таким образом: . То есть показания вольтметра будут в n раз меньше, чем величина напряжения, которое мы измеряли. Так что, используя данный метод, возможно увеличить пределы измерения вольтметра 🙂
В завершении статьи пару слов об измерении сопротивления и мощности.
Для решения обеих задач возможно совместное использование амперметра и вольтметра. В предыдущих статьях (про мощность и сопротивление) мы подробно останавливались на понятиях сопротивления и мощности и их связи с напряжением и сопротивлением, таким образом, зная ток и напряжение электрической цепи можно произвести расчет нужного нам параметра. Ну а кроме того есть специальные приборы, которые позволяют произвести измерения сопротивления участка цепи – омметр – и мощности – ваттметр.
В общем-то, на этом, пожалуй, на сегодня закончим, следите за обновлениями и заходите к нам на сайт! До скорых встреч!
Источник
Как разными способами найти силу тока
Содержание
- 1 Зачем нужно находить силу тока
- 2 Вычисление тока, если известны мощность и напряжение
- 3 Определение мощности прибора
- 4 Вычисление тока при известных значениях напряжения и сопротивления
- 5 Использование мощности и сопротивления
- 6 Непосредственное измерение силы тока
- 7 Видео по теме
Знание силы тока в электрической цепи является в некоторых случаях необходимым. Ее определяют не только с помощью непосредственного измерения, но и расчетов. В последнем случае нужную информацию можно получить на основе технических характеристик оборудования.
Зависимости между основными электрическими величинами
Зачем нужно находить силу тока
Любое вещество состоит из атомов, которые включают в себя положительно заряженное ядро и вращающиеся вокруг него электроны. При отсутствии электрического поля движение этих частиц является хаотичным. Но как только проводник становится частью электрической цепи, подключённой к источнику питания, электроны начинают двигаться по направлению к положительному полюсу.
Ток проявляется через заряд. Каждый электрон несёт в себе элементарный отрицательный электрический заряд. Сила тока — это количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за какой-то отрезок времени. Следовательно, можно сделать вывод, что рассматриваемый параметр определяют заряд и время.
Электроток, выраженный через заряд и время
Найти силу тока в проводнике можно только в том случае, когда электрическая цепь подключена к источнику питания. Например, это может быть включение бытового прибора в электросеть с переменным напряжением, равным 220 В. Разным приборам для работы нужна разная мощность. В некоторых случаях даже выключенное оборудование может потреблять небольшое количество электричества, если оставить его вилку в розетке. Поэтому рассчитать силу тока в цепи можно через мощность и напряжение.
Слишком интенсивный электроток способен создавать проблемы. Он может, например, привести к перегреву деталей или к их разрушению. Если большой ток пройдёт через человека, то это нанесет серьёзный вред его здоровью или даже станет опасным для жизни. Для нормального и безопасного функционирования оборудования важно, чтобы электроток соответствовал установленным нормативам. Определение силы тока по мощности и напряжению позволяет проверить, насколько она соответствует требованиям.
Вычисление тока, если известны мощность и напряжение
Есть простой способ, как узнать ток, зная мощность и напряжение. В данном случае рассчитать постоянный ток можно по формуле:
Расчет для переменного тока через мощность усложняется, поскольку его величина и направление постоянно меняются. Это обстоятельство нужно учитывать при расчетах. Если питание однофазное, то используется такая формула:
Чтобы определить силу переменного тока в трехфазной сети, следует воспользоваться формулой:
При рассмотрении переменного тока нужно учитывать не только активную, но и реактивную мощность. Первая связана с активным сопротивлением, а вторая — с реактивным (ёмкостным и индуктивным). Соотношение между различными видами отражается с помощью cos φ.
Косинус угла «фи» обычно указывают в технической документации прибора. Если эту информацию нельзя получить из документации, то в расчетах очень мощных устройств принимают значение 0.8. Для большинства обычных бытовых приборов в вычислениях используют 0.95.
Подставив в формулу, применяемую для определения силы тока на участке цепи, значения напряжения U = 220 В для однофазной цепи и 380 В для трехфазной, а также cos φ = 0.95, получим следующие выражения:
Как видим, сила тока в трехфазной и однофазной сети при одинаковой нагрузке будет разной. В однофазной она втрое больше, чем в трехфазной.
Определение мощности прибора
Перед тем как найти силу электрического тока, нужно определить величину используемой мощности:
- Ее значение должно указываться в технической документации. Однако она не всегда доступна. В частности, документация может быть утеряна.
- На задней панели приборов часто имеется наклейка, на которой приведены важнейшие характеристики устройства. В числе прочих обычно указывают мощность.
Задняя панель прибора с указанием основных данных
- Можно воспользоваться таблицей с указанием средних значений мощности для различных видов устройств.
Мощность разных приборов
При вычислениях необходимо помнить, что пусковая мощность может превышать рабочую. Расчёт силы тока должен учитывать обе этих величины. Когда пусковая мощность вызывает резкое мгновенное увеличение силы тока, оно не должно превышать допустимой величины. Для бытовой техники пусковую мощность указывают редко. Поэтому перед тем как рассчитать силу тока, необходимо обратиться к соответствующим справочникам, чтобы найти определенное значение мощности. Для получения ее точной величины следует провести измерение ваттметром.
Вычисление тока при известных значениях напряжения и сопротивления
Если известно напряжение и сопротивление, то сила тока вычисляется по формуле, вытекающей из закона Ома:
Если известны значения ЭДС, внутреннего сопротивления и нагрузки, то можно найти силу тока, используя закон Ома для полной цепи:
Использование мощности и сопротивления
Как известно, мощность можно находить по формуле.
Применив в данном выражении закон Ома, можно привести его к следующему виду:
Теперь силу тока можно выразить так:
Следовательно, вычислить силу тока можно разными способами.
Непосредственное измерение силы тока
Величину силы тока можно не только рассчитывать, но и измерять, используя такие приборы, как амперметр или мультиметр. Любой из них при измерениях должен стать частью электрической цепи. Поэтому прибор нужно подключать последовательно.
Если нет большой нужды измерять силу тока амперметром, то лучше вычислить этот параметр, используя формулы, даже если для этого придется измерить напряжение. Вольтметром эта процедура осуществляется без разрыва электроцепи, чего нельзя сделать при использовании амперметра.
Также применяется магнитометрический способ. Примером его использования являются токовые клещи. Перед тем как определить силу электротока, их устанавливают так, чтобы они охватывали провод. Поскольку вокруг проводника при протекании тока образуется магнитное поле, которое клещи улавливают, то по его характеристикам прибор определяет силу тока в цепи.
Видео по теме
2017-08-20 
Какой ток идет через амперметр (см. рисунок), если $R_{1} = R_{4} = R$, a $R_{2} = R_{3} = 3R$? К цепи приложено напряжение $U$. Сопротивление амперметра можно считать пренебрежимо малым.
Решение:
Непосредственное вычисление тока через амперметр (применение закона Ома) невозможно, т. к. сопротивление амперметра $R_{A}$ считается пренебрежимо малым ($R_{A} rightarrow О$). Однако именно поэтому можно объединить точки А и В в одну ($phi_{A} = phi_{B}$) и найти силу тока через каждый из резисторов. Последовательно соединенные участки 1-3 и 2-4 имеют одинаковые сопротивления, поэтому напряжение на каждом из них равно $frac{U}{2}$. Токи через резисторы $R_{1}$ и $R_{2}$ соответственно $I_{1} = frac{U}{2R_{1}} = frac{U}{2R}$ и $I_{2} = frac{U}{2R_{2}} = frac{U}{6R}$. Зная токи $I_{1}$ и $I_{2}$, легко определить и ток $I_{A}$, текущий через амперметр: вследствие закона сохранения электрического заряда $I = I_{1} — I_{2}$, откуда $I_{A} = frac{U}{3R}$ (ток течет от А к В).
Ответ: ток $I_{A} = frac{U}{3R}$ течет от точки А к точке В.
Сила тока $I$ — важная характеристика в электричестве. Она напрямую зависит от величины электрического заряда $q$, переносимого частицами, и от времени $t$, за которое этот заряд проходит через поперечное сечение проводника.
Далеко не всегда есть возможность заглянуть внутрь проводника, измерить переносимый заряд и рассчитать силу тока по формуле $I = frac{q}{t}$. Зато есть возможность измерить силу тока с помощью специального прибора.
Этот прибор называется амперметром. На данном уроке вы узнаете, как с его помощью измерять силу тока и как правильно подключать его к электрической цепи.
Амперметр
Амперметр — это прибор для измерения силы тока в электрической цепи.
По принципу работы и внешнему виду амперметр очень похож на гальванометр. Его устройство изменено, чтобы можно было не просто фиксировать наличие тока в цепи, но и измерять его силу.
В каких единицах градуируют шкалу амперметра? Так как он измеряет силу тока, то и его шкала будет проградуирована в амперах.
Различные виды амперметров могут отличаться друг от друга в зависимости от сферы использования. На рисунке 1, а изображен демонстрационный амперметр. Такие приборы чаще всего используют в школе при демонстрации опытов.
На рисунке 1, б представлен амперметр, который чаще используют для лабораторных работ.
Как вы видите, эти два амперметра рассчитаны на измерение определенного диапазона значений силы тока. Шкала первого амперметра покажет максимальное значение в $3 space А$, а второго — в $2 space А$. Превышать эти значения не рекомендуется, так как приборы могут выйти из строя.
Амперметр в электрической цепи
Амперметр — измерительный прибор. Поэтому, когда мы подключаем его к электрической цепи, он не будет влиять на величину силы тока. Он будет лишь показывать ее значение.
На схемах электрических цепей амперметр обозначается специальным условным знаком — кружочком с буквой “А” (рисунок 2).
Правила подключения амперметра в электрическую цепь
- Амперметр необходимо включать в цепь последовательно с тем прибором/проводником, силу тока в котором нужно измерить (рисунок 3)
- У амперметра имеется две клеммы для подсоединения проводников. Клемму, на которой стоит знак “+” нужно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока. И, соответственно, клемму, на которой стоит знак “-” нужно соединять с проводом, идущим от отрицательного полюса источника тока (рисунок 4).
- Нельзя подключать амперметр к цепи, в которой нет потребителя (приемника) тока (рисунок 5). Это может привести к выходу прибора из строя.
Измерение силы тока амперметром
Первое правило подключения амперметра в цепь говорит о его последовательном подключении. А есть ли разница, где именно при таком подсоединении мы расположим амперметр?
Давайте соберем электрическую цепь. Она будет состоять из источника тока, ключа, электрической лампочки и амперметра (рисунок 6).
После замыкания цепи, зафиксируем силу тока, которую показал амперметр.
А теперь давайте переместим амперметр в цепи так, чтобы он стоял после лампы, а не до нее (рисунок 7).
Амперметр покажет нам ту же величину силы тока, что и в предыдущем случае.
А теперь подключим в цепь сразу два амперметра (рисунок 8). И что мы увидим? Они будут показывать одинаковые значения силы тока, точно такие же, как и в предыдущих опытах.
О чем это нам говорит?
В цепи с последовательным подключением проводников (так, что конец одного проводника соединяется с началом другого) сила тока во всех участках цепи одинакова.
Почему она одинакова? Дело в том, что заряд, который проходит через любое поперечное сечение проводников цепи за $t = 1 space с$, одинаков. Ведь ток равномерно протекает по всем проводам цепи, нигде не накапливаясь. Его течение можно сравнить с протеканием воды по трубам.
Безопасные и опасные пределы значений силы тока
Работа с электрическими цепями может быть опасной при несоблюдении правил безопасности. Если мы говорим о постоянном токе (величина силы тока и его направление со временем не изменяются), то эффекты воздействия такого тока на человеческий организм приведены в таблице 1.
| $I$, $мА$ | Воздействие на человеческий организм |
| 0 — 3 | Не ощущается |
| 4 — 7 | Зуд. Ощущение нагревания |
| 8 — 10 | Усиление нагревания |
| 11 — 25 | Еще большее усиление нагревания, незначительные сокращения мышц рук |
| 26 — 80 | Сильное ощущение нагревания. Сокращения мышц рук. Судороги, затруднение дыхания. |
| 81 — 100 | Паралич дыхания |
Это интересно: амперметр и Minecraft
Упражнения
Упражнение №1
При включении в цепь амперметра так, как показано на рисунке 9, а, сила тока была $0.5 space А$. Каковы будут показания амперметра при включении его в ту же цепь так, как изображено на рисунке 9, б?
Сила тока будет точно такая же. Амперметр покажет значение в $0.5 space А$. Это объясняется тем, что в данной электрической цепи все элементы соединены последовательно. В этом случае сила тока на всех участках цепи одинакова.
Упражнение №2
Как можно проверить правильность показаний амперметра с помощью другого амперметра, точность показаний которого проверена?
Можно собрать цепь, как на рисунке 6, используя точный амперметр. Зафиксировать значение силы тока, которое он покажет. Потом заменить его другим — тем, правильность показаний которого мы хотим проверить. Далее останется просто сравнить показания этого амперметра с полученными ранее.
Можно сделать это и другим способом. Для этого нужно собрать цепь, как на рисунке 8 с последовательным соединений всех элементов. Мы уже знаем, что в такой цепи два исправных амперметра должны показывать одинаковые значения. Главное при такой проверке — это отметить для себя, какой амперметр показывает точные результаты измерений, чтобы не запутаться.
Упражнение №3
Рассмотрите амперметры, данные на рисунке 1. Определите цену деления шкалы каждого амперметра. Какую наибольшую силу тока они могут измерять? Перерисуйте шкалу амперметра (смотрите рисунок 1, а) в тетрадь и покажите, каково будет положение стрелки при силе тока $0.3 space А$ и $1.5 space А$.
Шкала демонстрационного амперметра с рисунка 1, а будет иметь цену деления, равную $0.2 space А$.
Шкала лабораторного амперметра с рисунка 1, б будет иметь цену деления, равную $0.05 space А$.
На рисунке 10, а мы изобразили шкалу демонстрационного амперметра, который показывает значение $I = 0.3 space А$,а на рисунке 10, б — $I = 1.5 space А$.
Упражнение №4
Имеется точный амперметр. Как, пользуясь им, нанести шкалу на другой, ещё не проградуированный амперметр?
Для этого нужно подключить оба амперметра в электрическую сеть. Например, как на рисунке 8.
Сначала перед замыканием ключа на пустую шкалу амперметра нанесем первую отметку — $0 space А$.
Замыкаем цепь. Точный амперметр покажет нам какое-то определенное значение силы тока. Его стрелка отклонится. Например, она покажет значение в $1 space А$. Стрелка второго амперметра тоже отклонится. Отметим ее положение — $1 space А$. Мы можем так сделать, потому что сила тока при последовательном соединении элементов в цепи на всех ее участках одинакова.
Затем можно, используя линейку, самостоятельно нанести дополнительную отметки на шкале амперметра, выбрав удобную для вас цену деления.