1. Сила тока

Определения и обозначения

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Заряд могут переносить электроны в металлах, ионы в растворах и газах, а также электроны и дырки в полупроводниках. Это понятие нужно, чтобы отличать ток от беспорядочного теплового движения частиц.

Сила тока — физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени прохождения: I = q/t. Буквой I обозначают, насколько интенсивно переносится заряд. Сила тока позволяет сравнивать разные токи не по общему заряду, а по заряду за одинаковый промежуток времени.

Ампер — единица силы тока в СИ. Один ампер означает, что через сечение проводника за одну секунду проходит заряд один кулон: 1 А = 1 Кл/с. Поэтому амперы удобно связывать с темпом переноса электрического заряда.

Направление тока — условное направление движения положительно заряженных частиц. В металлическом проводнике свободными носителями являются электроны, имеющие отрицательный заряд, поэтому их направленное движение противоположно принятому направлению тока. Такое соглашение сохраняет единый способ описания тока в любых средах.

Как это устроено

Вещество проводника содержит частицы, способные перемещаться, то есть свободные носители заряда. Например, в металле часть электронов не связана с отдельными атомами и может переходить от одного участка к другому. Без внешнего воздействия эти электроны движутся хаотично, поэтому их перемещения в среднем не создают тока.

Электрическое поле действует на заряженные частицы силой, направление которой зависит от знака заряда. Под его воздействием хаотическое движение дополняется небольшим направленным дрейфом: положительные носители смещаются по полю, а отрицательные — против поля. Именно общий перенос заряда в одну сторону называют электрическим током.

Одного поля недостаточно для длительного движения по проводнику: носители быстро перераспределились бы и поле внутри цепи изменилось. Источник тока поддерживает электрическое поле и разделяет заряды, расходуя энергию другого вида. Замкнутая цепь нужна, чтобы заряды могли непрерывно проходить по всему пути и возвращаться к источнику.

Сила тока не равна скорости отдельного электрона. Она зависит от общего заряда, который пересёк сечение за выбранное время: много медленно движущихся носителей тоже могут дать большой ток. Поэтому в формуле учитывается именно отношение q к t, а не путь одной частицы.

Если за равные промежутки времени через сечение проходит одинаковый заряд, сила тока постоянна. Для такого тока можно применять I = q/t, где q — заряд за любой выбранный промежуток времени t. Если перенос заряда меняется со временем, говорят о непостоянном токе и рассматривают его значение для конкретного интервала.

Сила тока и связанные с ней величины

Таблица помогает выбрать неизвестную величину и нужное преобразование основной формулы. Перед подстановкой проверьте, что заряд выражен в кулонах, а время — в секундах. Тогда результат для силы тока получится в амперах.

Если известны I и t, находят заряд по формуле q = It. Если известны q и I, время вычисляют так: t = q/I.

Разбор задач

Задача 1

За 5 с через поперечное сечение проводника прошёл заряд 10 Кл. Требуется найти силу тока. Все данные уже выражены в единицах СИ, поэтому дополнительный перевод не нужен.

1. Записываем формулу: I = q/t.
2. Подставляем значения: I = 10 Кл / 5 с.
3. Вычисляем: I = 2 Кл/с = 2 А.

Ответ: сила тока равна 2 А.

Задача 2

Сила тока в проводнике равна 0,4 А, а время прохождения заряда — 3 мин. Нужно определить заряд. Сначала переводим минуты в секунды, потому что ампер означает кулон в секунду.

1. Переводим время: t = 3 · 60 = 180 с.
2. Выражаем заряд: q = It.
3. Подставляем значения: q = 0,4 А · 180 с = 72 Кл.

Ответ: через сечение пройдёт заряд 72 Кл.

Задача 3

За 2 с через проводник прошёл заряд, соответствующий 5 · 10¹⁸ электронам. Сначала нужно найти общий заряд всех электронов, а затем разделить его на время. Модуль заряда одного электрона равен 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл.

1. Находим модуль общего заряда: q = N · e = 5 · 10¹⁸ · 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл = 0,8 Кл.
2. Используем формулу силы тока: I = q/t.
3. Подставляем: I = 0,8 Кл / 2 с = 0,4 А.

Ответ: сила тока равна 0,4 А. Знак заряда электронов не меняет модуль силы тока; он влияет на направление движения носителей.

Типичные ошибки

Путать силу тока с зарядом. Заряд — это количество электричества, а сила тока показывает скорость его переноса. Ошибка появляется, когда вместо амперов записывают кулоны; проверьте единицы и наличие деления на время.

Не переводить минуты в секунды. При использовании амперов время должно быть выражено в секундах, иначе нарушается единая система единиц. Перед расчётом умножьте минуты на 60 и только затем применяйте q = It.

Считать движение электронов направлением тока. Электроны отрицательны, поэтому в металле они дрейфуют противоположно условному направлению тока. Проверьте себя: направление тока совпадает с движением положительных зарядов.

Считать током любое движение частиц. Тепловое движение носителей хаотично и не даёт общего переноса заряда. Током является направленная составляющая движения, возникающая под действием электрического поля.

Связь с другими темами

Для изучения силы тока нужны понятия электрического заряда, заряженных частиц и кулона. Без них нельзя понять, что именно переносится в цепи и как измеряется переносимый заряд.

Сила тока понадобится при изучении электрических цепей и измерительных приборов: амперметр показывает ток в цепи. Позже эта величина войдёт в закон Ома, связывающий ток, напряжение и сопротивление.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Для длительного существования тока нужны свободные носители заряда, электрическое поле и замкнутая цепь.
• Сила тока обозначается I и определяется формулой I = q/t.
• Заряд q измеряют в кулонах, время t — в секундах, силу тока I — в амперах.
• Один ампер равен одному кулону в секунду: 1 А = 1 Кл/с.
• В металлах электроны движутся противоположно условному направлению тока.