§ 19. Сила тока

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах такими частицами служат свободные электроны, а в растворах и газах двигаться могут также ионы. Это понятие нужно, чтобы описывать перенос электрического заряда в проводниках и других средах.

Сила тока — физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения. Её обозначают I и вычисляют по формуле I = q/t, где q — заряд, а t — время. По этой величине можно понять, насколько интенсивно переносится заряд в цепи.

Единица силы тока — ампер, её обозначение — А. Один ампер равен току, при котором за одну секунду через поперечное сечение проходит заряд один кулон: 1 А = 1 Кл/с. Это соотношение связывает единицы заряда, времени и силы тока.

Амперметр — прибор для измерения силы тока. На электрических схемах его обозначают кругом с буквой A внутри. Прибор включают последовательно с тем участком, где измеряют ток, чтобы через него проходил тот же заряд за то же время.

Как это устроено

Сила тока показывает, сколько заряда проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Представьте два проводника, через которые за одинаковые 5 секунд проходят разные заряды: там, где прошёл больший заряд, ток сильнее. Поэтому одной величины заряда недостаточно для сравнения токов — необходимо знать и время. Сила тока объединяет эти два сведения в одно число.

Формула I = q/t следует из этого смысла: чтобы узнать заряд, проходящий за одну секунду, весь прошедший заряд делят на затраченное время. Если известны сила тока и время, заряд находят умножением: q = It. Если известны заряд и сила тока, время равно t = q/I. В расчётах заряд берут в кулонах, время — в секундах, тогда сила тока получается в амперах.

Для тока нужны свободные заряженные частицы, которые могут перемещаться, и электрическое поле, заставляющее их двигаться направленно. Одних частиц недостаточно: без поля их движение не становится упорядоченным, а значит, не возникает электрический ток в принятом смысле. Источник тока поддерживает поле в цепи и помогает зарядам продолжать движение. Поэтому цепь должна быть устроена так, чтобы проводник был соединён с источником.

Направление тока договорились указывать от положительного полюса источника к отрицательному. Такое правило появилось до того, как стало известно, что в металлах перенос заряда обеспечивают электроны. Электроны имеют отрицательный заряд, поэтому движутся от отрицательного полюса к положительному. Следовательно, их движение противоположно условному направлению тока.

Амперметр ставят последовательно, то есть в разрыв цепи, чтобы весь ток измеряемого участка проходил и через прибор. При параллельном подключении ток мог бы пойти по отдельной ветви, и измерение было бы неверным; кроме того, так можно повредить прибор. Зажимы амперметра соединяют с учётом полярности: положительный зажим обращают к стороне, связанной с положительным полюсом источника. Это позволяет току проходить через прибор в предусмотренном направлении.

Сила тока и её измерение

Таблица помогает быстро вспомнить обозначения, единицы и правила измерения. При вычислениях сначала проверьте, в каких единицах заданы заряд и время, а затем выберите подходящую формулу. Для измерения в настоящей цепи ориентируйтесь на строку о подключении прибора.

Разбор задач

Задача 1

Через поперечное сечение проводника за 4 с прошёл заряд 12 Кл. Найдём силу тока. Из условия известны и заряд, и время, поэтому подходит формула I = q/t. Единицы уже согласованы: кулоны делим на секунды.

1. Запишем формулу: I = q/t.
2. Подставим значения: I = 12 Кл / 4 с.
3. Выполним деление: I = 3 Кл/с = 3 А.

Ответ: сила тока равна 3 А. Проверка единиц подтверждает результат: кулон, делённый на секунду, равен амперу. За каждую секунду через сечение проходит 3 Кл заряда.

Задача 2

Сила тока в проводнике равна 0,5 А. Найдём заряд, который пройдёт через поперечное сечение за 2 мин. Здесь неизвестен заряд, поэтому из формулы I = q/t выразим q = It. Перед подстановкой нужно перевести минуты в секунды, ведь ампер равен кулону в секунду.

1. Переведём время: 2 мин = 2 · 60 с = 120 с.
2. Запишем формулу и подставим данные: q = It = 0,5 А · 120 с.
3. Вычислим: q = 60 Кл.

Ответ: за 2 минуты пройдёт заряд 60 Кл. В единицах А · с получаются Кл, поэтому единицы согласованы. Если оставить время в минутах, расчёт даст неверное значение заряда.

Задача 3

Через поперечное сечение проводника прошёл заряд 180 Кл при силе тока 0,75 А. Определим, сколько времени заняло прохождение заряда. Поскольку требуется время, используем формулу t = q/I. Подставлять числа можно сразу: кулоны, делённые на амперы, дают секунды.

1. Запишем формулу: t = q/I.
2. Подставим значения: t = 180 Кл / 0,75 А.
3. Вычислим: t = 240 с, то есть 4 мин.

Ответ: заряд прошёл за 240 с, или 4 мин. Результат правдоподобен: при токе меньше 1 А для переноса большого заряда требуется несколько минут. Проверить его можно обратным вычислением: 0,75 А · 240 с = 180 Кл.

Типичные ошибки

Силу тока путают с электрическим зарядом, потому что обе величины описывают перенос электричества. Но заряд показывает, сколько его прошло всего, а сила тока — сколько проходит за единицу времени. Чтобы проверить себя, посмотрите на формулу: I = q/t, а единица силы тока — Кл/с, не Кл.

При расчётах иногда оставляют время в минутах, хотя заряд дан в кулонах, а сила тока — в амперах. Ошибка возникает из-за того, что минуты кажутся удобной единицей времени, но ампер связан именно с секундой. Перед подстановкой переведите минуты в секунды. Проверка проста: в знаменателе формулы I = q/t должны стоять секунды, если ответ нужен в амперах.

Амперметр могут подключить параллельно участку, принимая его за прибор, который просто присоединяют к двум точкам. Однако тогда ток измеряемого участка не обязан проходить через прибор, а само подключение способно повредить амперметр. Его включают последовательно, разрывая цепь и вставляя прибор в неё. Проверьте схему: путь тока через участок должен проходить и через амперметр.

Условное направление тока иногда считают направлением движения электронов. Это происходит потому, что в металле именно электроны являются подвижными заряженными частицами. Но условное направление принято от положительного полюса к отрицательному, а электроны движутся наоборот. Для проверки сопоставьте движение электронов с полюсами источника: они направлены от отрицательного к положительному.

Связь с другими темами

Для изучения силы тока нужны знания об электрическом заряде: именно его перенос описывает эта величина. Также важно понимать, что такое электрическая цепь и источник тока, который поддерживает электрическое поле. Эти понятия помогают объяснить, откуда берётся направленное движение зарядов и как оно проходит по цепи.

Сила тока понадобится при изучении напряжения, электрического сопротивления и закона Ома. Закон Ома связывает силу тока с напряжением и сопротивлением, поэтому умение понимать и вычислять I станет основой для следующих тем. Формула I = q/t при этом описывает сам перенос заряда, а не связь тока с другими характеристиками цепи.

Что запомнить

• Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.
• Сила тока обозначается I.
• Формула силы тока: I = q/t.
• Единица силы тока — ампер; 1 А = 1 Кл/с.
• Силу тока измеряют амперметром.
• Амперметр включают в цепь последовательно.
• В металлическом проводнике электроны движутся противоположно условному направлению тока.