Что такое ток в электротехнике: определение, единицы измерения, переменный и постоянный

Объяснение электрического тока — инженерное мышление

Узнайте об электрическом токе, чтобы понять его различные типы, символы, используемые для их обозначения, способы измерения тока и способы использования защитных устройств для защиты нас и наших электрических цепей.

Прокрутите вниз, чтобы посмотреть обучающее видео на YouTube.

Что такое ток?

 Ток — это поток электронов в цепи. Чтобы использовать электричество, нам нужно, чтобы электроны текли в одном и том же направлении по цепи, мы обычно используем медные кабели для формирования цепи, потому что медь является очень хорошим электрическим проводником, а это означает, что атомы, из которых состоит медь, имеют слабо связанный электрон в этом самом дальнем конце. или валентная оболочка, которая может свободно перемещаться внутри металла.

Атом

Этот свободный электрон очень легко перемещать, поэтому медь так популярна. Его так легко перемещать, что он естественным образом сам переместится к другим атомам меди. Но это происходит случайным образом во всех и во всех направлениях, что нам ни к чему. Мы обматываем медные провода резиной, потому что резина является изолятором, а значит, она не пропускает через себя свободные электроны. Это обеспечивает барьер и удерживает электричество внутри проводов и подальше от нас.

 Чтобы мы могли использовать электричество для питания наших устройств, нам нужно, чтобы много электронов текло в одном направлении по цепи. Затем мы можем разместить такие вещи, как лампы, на пути этих электронов, чтобы они проходили через них и в процессе генерировали свет и тепло. Для этого нам нужно заставить электроны двигаться, и мы можем сделать это, подав напряжение. Напряжение — это толкающая сила, это как давление в водопроводной трубе. Чем больше у нас давление, тем больше воды может течь, чем больше у нас напряжение, тем больше электронов может течь.

Мы можем измерить давление без протекания воды и мы можем измерить напряжение без протекания тока. Но мы не можем измерить, сколько воды течет, если вода не течет. И мы не можем измерить электрический ток, если не текут электроны, если мы возьмем медный провод. Между двумя концами нет разницы в напряжении, поэтому свободные электроны движутся случайным образом. Это случайное движение не считается течением. Но если мы возьмем батарею, скажем, на одну целую пять вольт и подключим провод к двум клеммам, то теперь разница между проводами составит одну целую пять вольт.

Разница в напряжении

И эта разница заставит электроны течь в одном направлении. Мы подробно рассмотрели основы напряжения в нашей предыдущей статье. Проверьте это ЗДЕСЬ . Таким образом, нам нужно много электронов, чтобы течь по цепи и через наши лампы, чтобы заставить их светить ярко, однако кабели и лампа могут выдержать только определенное количество электронов, проходящих через них, точно так же, как труба рассчитана на выдерживание определенное количество воды, проходящей через него, или определенное давление.

Если превысить это значение, то труба просто лопнет. Точно так же, если через кабель или лампу пройдет слишком много электронов, они взорвутся или сгорят. Мы называем поток электронов током и измеряем его в амперах, хотя обычно люди говорят просто амперы. Это также обозначается заглавной буквой А.

Предохранитель

Например, у этого предохранителя цифра три и заглавная А, что означает, что он рассчитан на ток в три ампера. Чуть позже в этой статье мы рассмотрим, как работают предохранители.

Обычный ток и поток электронов

Что-то, что вызовет у вас большое замешательство, когда вы будете изучать электричество, — это разница между обычным током и потоком электронов. Это обе теории о том, как работает электричество. Когда Бенджамин Франклин впервые экспериментировал с электричеством, у него возникла идея, что что-то должно течь внутри материалов, и ему дали стеклянную трубку. И когда его протирали тряпкой, казалось, что в нем скапливается эта странная невидимая жидкость, потому что, когда кто-то другой прикасался к трубке, они получали небольшой удар током.

Теперь мы знаем это как статическое электричество. Но в то время Бенджамин Франклин предположил, что в трубке накапливается избыточное количество этой невидимой жидкости. Поэтому он считал это положительным, а человек, прикасающийся к нему, должен иметь меньше этой жидкости, поэтому они считались отрицательными. Поэтому он сказал: «Хорошо, я думаю, этот конец положительный, а этот конец отрицательный, и электричество течет от положительного к отрицательному». И в этом есть смысл, потому что вода — это жидкость, и она течет с верхнего уровня на нижний.

Теория Бенджамина Франклина

Вскоре производители начали производить батареи на основе его работы, и поэтому они также сказали, что этот конец положительный, а этот конец отрицательный, и мы до сих пор используем это соглашение об именах. Это стало известно как обычный ток, потому что это традиционная теория того, как течет электричество. Однако по мере развития науки и уточнения экспериментов некто по имени Джозеф Томпсон обнаружил, что эта невидимая вещь, движущаяся внутри провода, была частицей, и назвал эту частицу электроном.

Джозеф Томпсон

Он также обнаружил, что эти электроны на самом деле текут в противоположном направлении от отрицательного к положительному. Бенджамин Франклин не понимал, что шелковая ткань на самом деле удаляет электроны из стекла, поэтому они на самом деле текут от человека в стеклянную трубку. Теория Джозефа Томпсона стала известна как поток электронов, потому что это поток электронов, и что на самом деле происходит, так это то, что эти электроны текут по цепи от отрицательного к положительному выводу, а не от положительного к отрицательному.

Однако на самом деле не имеет значения, что движется внутри провода или в каком направлении, потому что используемые нами электротехнические формулы этого не учитывают. Так что они все равно будут приходить с теми же ответами. Также уже немного поздно менять названия клемм всех аккумуляторов в мире. Так что все просто проигнорировали это, и мы продолжаем учить и использовать обычный ток. Некоторые книги могут показать вам и то, и другое.

Таким образом, вы должны помнить, что всякий раз, когда мы говорим об электричестве, когда проектируем электрическую цепь или даже смотрим на чертеж электрической цепи, мы всегда по умолчанию и предполагаем, что имеет место обычный ток. Но инженеры и ученые знают, что электроны на самом деле текут в другую сторону.

Электричество переменного и постоянного тока

 Если вы посмотрите на вилки своих электрических устройств, вы увидите этикетки производителей, на которых указано, для чего предназначен продукт. Например, это зарядное устройство для ноутбука говорит нам, что для работы устройства требуется входное напряжение от 100 до 240 вольт и 1,5 ампера переменного или переменного тока, что здесь представлено этим символом.

Этикетка производителя

Затем зарядное устройство преобразует это значение, чтобы обеспечить выходную мощность около 190,5 вольта и 3,33 ампера постоянного или постоянного тока, который представлен этим символом.

Переменный и постоянный ток — это разные типы электричества, розетки в ваших домах обеспечивают переменный или переменный ток. В этом типе электроны не текут в непрерывной петле. Вместо этого они чередуют движение вперед и назад, точно так же, как морской прилив. Ваши электрические устройства, такие как ноутбуки и мобильные телефоны, будут использовать электричество постоянного тока.

В этом типе электроны текут только в одном направлении – прямо от одного терминала к другому. Вы можете думать об этом как о течении воды в реке. В большинстве случаев мы транспортируем электроэнергию от электростанции в города, используя электричество переменного тока, потому что легко увеличивать и уменьшать напряжение с помощью трансформаторов. И также очень эффективно транспортировать электроэнергию на большие расстояния, используя этот метод. Тем не менее, используется несколько высоковольтных линий передачи постоянного тока, но мы не будем подробно останавливаться на них.

В основном мы используем постоянный ток постоянного тока для печатных плат небольших электронных устройств, таких как ноутбуки, мобильные телефоны и телевизоры. Это связано с тем, что постоянным током легче управлять и он позволяет схемам быть меньше и компактнее, поэтому многие устройства будут использовать комбинацию переменного и постоянного тока. Например, стиральная машина будет использовать переменный ток для асинхронного двигателя, который используется для вращения бака с одеждой. Но печатная плата, которая управляет настройками, освещением, таймерами, а также скоростью вращения двигателя , будет использовать питание постоянного тока.

Мы можем преобразовать переменный ток в постоянный с помощью устройства, известного как выпрямитель. Это очень распространено в электронике. Мы также можем преобразовать постоянный ток в переменный с помощью инвертора, и это используется, например, в системах солнечной энергии. Ранее мы подробно рассмотрели силовые инверторы. Проверьте это ЗДЕСЬ.

Люди часто называют реку или морской прилив сильным течением. Это очень похоже на электричество.

Говорят, что река с большим течением воды имеет сильное течение, такое же, как и электричество. Кабель с большим количеством электронов также имеет большой ток. Река способна обрабатывать определенное количество воды, протекающей через нее. Но если войдет больше воды, чем она может выдержать, река выйдет из берегов. То же и с электричеством, кабель лопнет и сгорит. Поэтому производители должны иметь возможность тестировать кабели и лампы, чтобы выяснить, какой ток они могут выдержать.

Мы также хотим иметь возможность видеть, сколько тока протекает по нашим цепям, а также иметь возможность рассчитать это, мы можем измерить это с помощью амперметра, и мы измеряем ток в амперах. Но вы обычно слышите, как люди просто сокращают это до ампер. Итак, что такое усилитель? Один ампер равен одному кулону в секунду, а один кулон равен примерно шести квинтиллионам, 242 квадриллионам электронов в секунду. Хорошо, но что это значит?

Другой способ взглянуть на это так: для питания этой 1,5-ваттной лампы от 1,5-вольтовой батареи требуется ток в один ампер. Это означает, что для схемы требуется один кулон в секунду, что означает, что примерно шесть квинтиллионов 242 квадриллиона электронов должны течь от батареи и через лампу каждую секунду, чтобы лампа оставалась включенной. Но, как видите, не очень практично говорить, сколько электронов течет в секунду. Поэтому инженеры просто говорят усилители, чтобы сэкономить время. Яркость лампы зависит от напряжения.

По мере того, как мы уменьшаем напряжение, уменьшается давление, толкающее электроны, поэтому поток электронов уменьшается. По мере увеличения напряжения течет больше электронов, и лампа светит ярче. Но не забывайте, при определенном напряжении и токе лампа перегорит. Чтобы измерить силу тока в цепи, нам нужно последовательно подключить амперметр так, чтобы через него протекал ток. Думайте об этом как о счетчике воды. Вода в трубе должна проходить через водомер, чтобы мы знали, сколько воды течет.

Точно так же нам нужно, чтобы электроны проходили через наш амперметр, вместо использования амперметра мы собираемся использовать мультиметр, так как с этим устройством мы можем сделать намного больше. Я настоятельно рекомендую вам приобрести один из них для вашего набора инструментов. Они являются важным инструментом для любого инженера-электрика.

Если мы соединим эту батарейку на 1,5 вольта и эту лампу, которая имеет сопротивление один Ом, то мы получим показание тока 1,5 ампера.

Это означает, что каждую секунду через линию проходит девять квинтиллионов 636 квадриллионов электронов. Поскольку компоненты этой цепи соединены последовательно, ток везде одинаков, поэтому мы можем проводить измерения в любом месте, и его значение будет одинаковым. Если мы добавим в цепь еще одну лампу, снова соединенную последовательно, и лампа также будет иметь сопротивление в один Ом, то мы добавим в цепь большее сопротивление. Так что теперь электронам труднее протекать. И так мы видим снижение тока. В этом случае мы получаем показание 0,75 ампер, что означает, что текут четыре квинтиллиона 818 квадриллионов электронов.

Эта цепь включена последовательно. Итак, опять же, мы можем переместить мультиметр, и мы получим то же самое показание. Если теперь соединить цепь с двумя лампами параллельно, обе сопротивлением один Ом и подключить эту цепь к аккумулятору на 1,5 вольта, то в основном проводе от аккумулятора и к аккумулятору мы получим три ампера.

Но на ответвлении каждой лампы мы получаем 1,5 ампера, потому что путь электрона разделяется. Таким образом, они распределяются между двумя лампами. Затем путь снова сливается. Таким образом, мы получаем общий ток цепи 3 ампера, потому что обе лампы имеют одинаковое сопротивление, они имеют одинаковый ток. Но, например, если А имеет сопротивление один Ом, а тот В имеет сопротивление три Ома, то в основном проводе мы получаем амперное показание в два ампера. В ветке для лампы А мы получаем 1,5 ампера, а в ветке для лампы В получаем 0,5 ампера.

Обратите внимание, что лампа B тусклее. Это потому, что сопротивление выше, что затрудняет прохождение электронов. В обоих случаях ампер и ответвления складываются и равны общему току, протекающему по основному проводу к батарее и от нее. Следовательно, мы можем добавить резисторы в наши схемы, чтобы ограничить ток, который может протекать.

Резисторы

Резисторы затрудняют прохождение электронов по цепи, поэтому мы добавляем резисторы в цепи, потому что они уменьшают ток, это похоже на изгиб трубы.

Это добавит сопротивление потоку воды, что уменьшит количество воды, которое может пройти. И поскольку вода сталкивается со стенкой трубы, она теряет энергию. Таким образом, мы получаем падение давления. То же самое с резистором. Материал затрудняет прохождение электронов. Электроны будут сталкиваться и терять энергию, поэтому мы получим падение напряжения. Эта потраченная впустую энергия должна куда-то идти, поэтому она уходит в виде тепла.

Если мы посмотрим на резистор через тепловизионную камеру, то увидим, что тепло уходит. Например, этот светодиод рассчитан на максимальный ток 22 миллиампер или 0,022 ампер. Мы хотим подключить это к источнику питания на девять вольт. Если мы используем резистор 100 Ом, то ток будет 0,09ампер, что слишком много. И светодиод сгорит. Если мы используем резистор 450 Ом, то ток составит 0,02 ампера, что ниже предела.

Так что все должно быть в порядке. Если мы используем резистор 900 Ом, то ток составит 0,01 А, что слишком мало, поэтому светодиод не будет ярко светить.

Предохранители

Плавкие предохранители, в основном, состоят из тонкого куска проволоки внутри, который рассчитан на то, чтобы выдерживать определенное количество тока, протекающего через них. В данном случае этот рассчитан на три ампера или 19квинтиллион 272 квадриллиона электронов в секунду. Если в цепи протекает слишком большой ток, то предохранитель сгорит, и это разомкнет или разорвет цепь для защиты дорогих электрических компонентов, предохранитель действует как слабое место, и его очень дешево заменить.

Таким образом, вы можете найти их смонтированными на печатных платах. А в Великобритании вилки часто имеют встроенный предохранитель для дополнительной безопасности.

Автоматические выключатели

 Мы находим автоматические выключатели в наших электрических щитах в наших домах и на рабочих местах, автоматические выключатели, по сути, представляют собой переключатель, который автоматически размыкается, чтобы разорвать цепь, если через нее проходит слишком много электронов либо при перегрузке, либо при коротком замыкании. сценарий.

Защита от перегрузки

При использовании функции перегрузки, если мы будем медленно увеличивать нагрузку в цепи, мы в конечном итоге превысим номинальные параметры выключателя, и он сработает, отключив питание и защитив цепь.

Это известно как защита от перегрузки. Еще одной особенностью большинства современных автоматических выключателей является защита от короткого замыкания. В этом случае, если по какой-то причине плюсовой и минусовой провода соприкасаются напрямую, то мы видим очень большой и мгновенный всплеск тока, потому что сопротивления нет.