1. Сила тока

Определения и обозначения

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах заряд переносят свободные электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы, а в газах — ионы и электроны. В полупроводниках носителями могут быть электроны и особые положительные носители — дырки. Это понятие нужно, чтобы отличать ток от обычного хаотического движения частиц.

Сила тока — физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения: I = q/t. Здесь I — сила тока, q — заряд, t — время. Она показывает не весь перенесённый заряд, а скорость его прохождения через выбранное сечение.

Единица силы тока — ампер, обозначается А: 1 А = 1 Кл/с. Это означает, что при токе 1 А через сечение за 1 с проходит заряд 1 Кл. Силу тока измеряют амперметром — прибором, который включают непосредственно в электрическую цепь.

Как это устроено

Чтобы возник ток, в веществе должны быть свободные носители заряда. Связанные частицы не могут перемещаться по проводнику на заметное расстояние, поэтому они не создают электрический ток. Одних свободных носителей тоже недостаточно: без электрического поля их движение остаётся хаотическим, и направленный перенос заряда не возникает. Поле действует на заряженные частицы и сообщает их движению преимущественное направление.

Формула I = q/t связывает силу тока с двумя величинами: перенесённым зарядом и временем. Если за одинаковое время проходит больший заряд, ток сильнее; если тот же заряд проходит быстрее, сила тока также возрастает. Поэтому сила тока показывает, сколько кулонов проходит через сечение за одну секунду.

Для расчёта силы тока заряд делят на время: I = q/t. Если нужно найти заряд, формулу преобразуют: q = It. Если неизвестно время, используют выражение t = q/I; перед вычислениями проверяют, что единицы величин согласованы, например кулоны, секунды и амперы.

Направление тока выбрано условно: его считают направленным так, как двигались бы положительные заряды. В металлическом проводнике свободными носителями являются электроны, а они отрицательно заряжены. Поэтому электроны движутся от отрицательного полюса к положительному, а условное направление тока — наоборот, от положительного полюса к отрицательному.

Амперметр подключают последовательно с тем участком, ток которого измеряют. При таком соединении через прибор проходит тот же зарядовый поток, что и через участок цепи. Амперметр нельзя подключать параллельно источнику или потребителю: его малое сопротивление может вызвать слишком большой ток. В цепи постоянного тока положительный зажим прибора соединяют с плюсом источника, а отрицательный — с минусом.

Сила тока и её измерение

В таблице собраны основные определения, обозначения и правила. Используйте её как краткую проверку перед решением задач: сначала определите известные величины, затем выберите формулу и единицы. Последняя строка помогает не перепутать физическое вычисление с правильным подключением измерительного прибора.

Разбор задач

Задача 1

Через поперечное сечение проводника за 4 с проходит заряд 12 Кл. Нужно найти силу тока. Из условия известны q = 12 Кл и t = 4 с, поэтому подходит определение силы тока.

1. Записываем формулу: I = q/t.
2. Подставляем данные: I = 12 Кл / 4 с.
3. Выполняем деление: I = 3 Кл/с = 3 А.

Ответ: сила тока равна 3 А. Единицы сразу получились амперами, потому что 1 А = 1 Кл/с.

Задача 2

Сила тока равна 0,5 А, а время прохождения заряда составляет 2 мин. Требуется определить заряд. Сначала переводим время в секунды, поскольку ампер выражается через кулон в секунду.

1. Переводим время: t = 2 · 60 с = 120 с.
2. Выражаем заряд из формулы I = q/t: q = It.
3. Подставляем значения: q = 0,5 А · 120 с = 60 Кл.

Ответ: за 2 мин через сечение пройдёт заряд 60 Кл. Если не перевести минуты в секунды, результат будет отличаться в 60 раз.

Задача 3

За 30 с через участок цепи прошёл заряд 45 Кл. Сначала находим силу тока, а затем определяем способ её измерения. Данные уже выражены в кулонах и секундах, поэтому дополнительный перевод единиц не нужен.

1. Используем формулу I = q/t.
2. Подставляем значения: I = 45 Кл / 30 с = 1,5 А.
3. Для проверки измерения размыкаем цепь в нужном месте и включаем амперметр последовательно с участком.
4. При постоянном токе соединяем положительный зажим амперметра с плюсом источника, а отрицательный — с минусом.

Ответ: сила тока равна 1,5 А; амперметр подключают последовательно, соблюдая полярность.

Типичные ошибки

Ошибка — путать силу тока с зарядом. Заряд показывает количество перенесённого электричества и измеряется в кулонах, а сила тока показывает скорость его прохождения и измеряется в амперах. Проверка: посмотрите на единицу ответа и спросите себя, делили ли вы заряд на время.

Нельзя подставлять время в минутах или часах, если заряд задан в кулонах, а ток требуется получить в амперах. Такая ошибка возникает из-за привычки считать время в удобных бытовых единицах. Перед решением переведите минуты в секунды и проверьте, что Кл/с дают амперы.

Некоторые считают, что направление тока совпадает с движением электронов в металле. Электроны отрицательны, поэтому их движение противоположно условному направлению тока, принятому для положительных зарядов. Для проверки мысленно представьте движение положительного заряда.

Амперметр иногда подключают параллельно участку цепи, как вольтметр. Это опасно: из-за малого сопротивления прибора может возникнуть очень большой ток. Проверьте схему: амперметр должен стоять в разрыве цепи, то есть последовательно с потребителем.

Связь с другими темами

До изучения силы тока нужны понятия электрического заряда, заряженных частиц и электрической цепи. Они помогают понять, что переносится, кто переносит заряд и по какому пути движутся носители.

Сила тока используется дальше при изучении закона Ома и электрического сопротивления. Вместе с напряжением и сопротивлением она позволяет рассчитывать мощность и работу электрического тока в цепи.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Сила тока равна заряду, проходящему через сечение проводника за единицу времени.
• Формула силы тока: I = q/t.
• Единица силы тока — ампер: 1 А = 1 Кл/с.
• Условное направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов.
• Амперметр включают последовательно с участком цепи.