§ 18. Постоянный электрический ток

Определения и обозначения

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах носителями заряда являются свободные электроны, а в электролитах — положительные и отрицательные ионы. Понятие тока нужно, чтобы описывать перенос заряда в проводниках.

Сила тока — физическая величина, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Её обозначают I, а единицей в СИ служит ампер (А). По силе тока можно судить, насколько интенсивно переносится заряд.

Постоянный электрический ток — это ток, сила и направление которого не изменяются со временем. Поэтому для него в выбранном участке цепи значение I остаётся одним и тем же. Такое описание удобно при расчётах простых электрических цепей.

Электрическая цепь — совокупность источника тока, потребителей и соединительных проводов, образующих путь для движения зарядов. Источник создаёт условия для тока, а потребитель преобразует электрическую энергию в другие виды. Цепь позволяет рассматривать работу всех элементов как единую систему.

Как это устроено

Одних заряженных частиц недостаточно для появления тока: они должны быть свободными и способными перемещаться по проводнику. В металле такие частицы есть, потому что часть электронов слабо связана с атомами. Электрическое поле действует на электроны и добавляет к их хаотическому движению направленную составляющую, поэтому возникает ток.

Источник тока разделяет заряды и поддерживает разность электрических состояний своих полюсов. Благодаря этому в замкнутой цепи сохраняется электрическое поле, которое действует на свободные заряды. Без работы источника заряды быстро перераспределились бы, поле ослабло, и длительное движение прекратилось бы.

Чтобы измерить силу тока, мысленно выбирают поперечное сечение проводника и считают заряд q, прошедший через него за время t. Отношение этого заряда ко времени показывает, сколько заряда переносится за одну секунду. Поэтому сила тока вычисляется по формуле I = q/t, где q измеряют в кулонах, а t — в секундах.

Направление тока условно определяют как направление движения положительных зарядов. Такое соглашение появилось до установления природы тока и сохранилось в физике. В металлах движутся электроны, имеющие отрицательный заряд, поэтому их движение направлено противоположно условному направлению тока.

На схеме цепь изображают условными обозначениями источника, потребителя, ключа и проводов, соединённых линиями. Замкнутый контур показывает, что заряды могут пройти через все элементы и вернуться к источнику. При разомкнутом ключе путь прерывается, поэтому ток может существовать лишь кратковременно во время изменения зарядов, но не длительно.

Основные величины и характеристики электрического тока

Таблица помогает быстро выбрать нужную величину и её единицу измерения. В задачах сначала проверьте, в каких единицах даны заряд и время, затем выберите формулу.

Если известны I и t, используйте q = It. Если требуется время, формулу преобразуют к виду t = q/I.

Разбор задач

Задача 1

Условие: через поперечное сечение проводника за 5 с прошёл заряд 10 Кл. Найти силу тока. Известны заряд и время, значит, подходит определение силы тока.

1. Записываем формулу: I = q/t.
2. Подставляем данные: I = 10 Кл / 5 с.
3. Выполняем деление и указываем единицу: I = 2 А.

Ответ: сила тока равна 2 А.

Задача 2

Условие: сила тока равна 0,4 А. Какой заряд пройдёт через сечение проводника за 2 мин? Сначала переводим время в секунды, поскольку ампер означает кулон в секунду.

1. Переводим время: t = 2 · 60 = 120 с.
2. Выражаем заряд из формулы I = q/t: q = It.
3. Подставляем значения: q = 0,4 А · 120 с = 48 Кл.

Ответ: через сечение пройдёт заряд 48 Кл.

Задача 3

Условие: через сечение проводника за 30 с прошёл заряд 9 Кл. Носители заряда — электроны. Требуется найти силу тока и указать его условное направление.

1. Используем формулу I = q/t.
2. Подставляем данные: I = 9 Кл / 30 с = 0,3 А.
3. Учитываем знак носителей: электроны движутся противоположно условному направлению тока.

Ответ: сила тока равна 0,3 А; условный ток направлен противоположно движению электронов.

Типичные ошибки

Направление тока иногда считают совпадающим с движением электронов. Ошибка возникает из-за смешения реального движения носителей и принятого соглашения. Проверьте знак заряда: для электронов направления противоположны.

Время в минутах сразу подставляют в формулу I = q/t. Из-за этого величина тока получается в 60 раз неверной. Перед расчётом переведите минуты в секунды.

Силу тока путают с зарядом, потому что обе величины связаны с движением частиц. Заряд показывает количество электричества, а ток — скорость его прохождения через сечение. Проверьте единицу: у q — кулон, у I — ампер.

Иногда считают, что для длительного тока достаточно свободных зарядов. Но нужен ещё источник, электрическое поле и замкнутый путь для движения. Проверьте, есть ли в условии все эти условия.

Связь с другими темами

До изучения постоянного тока нужно понимать, что такое электрический заряд, проводник и электрическое поле. Эти понятия объясняют, какие частицы движутся и почему их движение становится направленным.

Сила тока и замкнутая цепь понадобятся при изучении напряжения, сопротивления и закона Ома. С их помощью описывают работу элементов электрических цепей и выполняют расчёты.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Для длительного тока нужны свободные заряды, электрическое поле и замкнутая цепь.
• Сила тока равна заряду, проходящему через сечение проводника за единицу времени: I = q/t.
• Единица силы тока в СИ — ампер.
• Направление тока условно совпадает с направлением движения положительных зарядов.
• В металлическом проводнике электроны движутся противоположно условному направлению тока.