61. Электрический ток

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Носителями заряда в разных средах могут быть электроны, положительные и отрицательные ионы, а также другие заряженные частицы. Определение помогает отличить ток от обычного теплового движения частиц, которое само по себе не создаёт направленного переноса заряда.

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. Эта величина позволяет сравнивать, насколько интенсивно переносится заряд в разных проводниках или за разные промежутки времени.

Ампер — единица силы тока в Международной системе единиц, сокращённо СИ. Один ампер соответствует току, при котором за каждую секунду через сечение проходит заряд один кулон: 1 А = 1 Кл/с. Такая связь единиц сразу показывает, какие величины нужно подставлять в формулу силы тока.

Направление электрического тока — условно выбранное направление движения положительно заряженных частиц. В металлическом проводнике электроны движутся противоположно этому направлению, потому что несут отрицательный заряд. Условность нужна, чтобы описывать ток единым способом, даже если в конкретной среде носители заряда имеют разные знаки.

Как это устроено

Вещество может содержать заряженные частицы, но одного их присутствия для тока недостаточно. При тепловом движении частицы перемещаются беспорядочно, и их движения в разные стороны в среднем компенсируются. Чтобы возник перенос заряда в определённом направлении, движение должно стать упорядоченным — именно это и отличает электрический ток.

Направленное движение возникает под действием электрического поля: оно действует на заряженные частицы и заставляет их перемещаться. Само поле в цепи создаёт источник тока, например батарея, и поддерживает разность электрических состояний на своих полюсах. Без такого воздействия частицы быстро перестали бы двигаться согласованно, поэтому источник необходим для поддержания тока.

Для длительного тока нужны сразу три условия: в среде должны быть свободные носители заряда, на них должно действовать электрическое поле, а путь их движения должен быть замкнутым. Свободные носители могут перемещаться, поле задаёт направленное движение, а замкнутая цепь позволяет зарядам непрерывно проходить по контуру. Если цепь разомкнуть, непрерывное движение прекращается, даже если источник остаётся подключённым к части проводника.

Направление тока приняли обозначать так, как двигались бы положительные заряды. Это правило установили условно и сохраняют при описании электрических цепей. В металле подвижны преимущественно электроны, которые заряжены отрицательно: поле перемещает их в сторону, противоположную условному направлению тока. Поэтому при изображении или анализе цепи нельзя отождествлять направление тока с направлением движения электронов.

Сила тока показывает, сколько заряда проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Если за время t проходит заряд q, то I = q/t; чем больше заряд за тот же промежуток, тем больше сила тока. Величины можно находить и в обратном порядке: при известной силе тока заряд равен q = It, а время — t = q/I. Для расчётов в СИ заряд берут в кулонах, время — в секундах, тогда сила тока получается в амперах.

Основные понятия об электрическом токе

Таблица помогает быстро определить обозначения и единицы величин, которые входят в формулу I = q/t. Перед вычислениями проверь, что заряд выражен в кулонах, а время — в секундах. Для направления тока помни условное правило: оно соответствует движению положительных зарядов.

Разбор задач

Задача 1. За 4 с через поперечное сечение проводника прошёл заряд 12 Кл. Найдите силу тока. Здесь известны заряд и время, поэтому используем определение силы тока; единицы уже приведены к СИ.

1. Записываем формулу: I = q/t.
2. Подставляем значения: I = 12 Кл / 4 с = 3 Кл/с.
3. Используем равенство 1 Кл/с = 1 А и записываем результат.

Ответ: сила тока равна 3 А.

Задача 2. Сила тока в проводнике равна 0,5 А. Какой заряд пройдёт через его поперечное сечение за 2 мин? Сначала переводим время в секунды, потому что ампер выражается через кулоны в секунду. Затем используем формулу, выраженную относительно заряда.

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

Ответ: через сечение пройдёт заряд 60 Кл.

Задача 3. За 30 с через проводник прошёл заряд 24 Кл. Сравните силу тока с током 0,6 А и определите, в каком случае за то же время переносится больший заряд. Сначала находим силу тока в первом проводнике, а потом сравниваем её со второй. Для одинакового времени больший ток означает больший переносимый заряд.

1. Вычисляем силу тока в первом случае: I₁ = q/t = 24 Кл / 30 с = 0,8 А.
2. Сравниваем: 0,8 А больше 0,6 А, значит, первый ток сильнее.
3. За одинаковое время заряд пропорционален силе тока, поэтому больший заряд переносится при токе 0,8 А.

Ответ: первый ток равен 0,8 А и больше 0,6 А; за то же время больший заряд пройдёт при токе 0,8 А.

Типичные ошибки

Ошибка — считать током любое движение заряженных частиц, в том числе беспорядочное тепловое. Так происходит, если забыть о слове «упорядоченное» в определении: хаотические перемещения не дают общего направленного переноса заряда. Проверяй себя вопросом: есть ли у движения частиц преимущественное направление? Если нет, электрического тока в этом смысле нет.

Иногда предполагают, что ток будет долго течь и в разомкнутой цепи или без источника. Причина ошибки — внимание только к проводнику, хотя нужен полный путь и поле, которое направляет движение носителей. Проверка простая: перечисли три условия — свободные носители, электрическое поле и замкнутая цепь — и убедись, что каждое выполнено.

Направление тока в металле нередко принимают за направление движения электронов. Электроны действительно являются носителями заряда в металле, но они отрицательны, а направление тока условно задано для положительных зарядов. Чтобы проверить себя, вспомни знаки зарядов: для электронов направление движения противоположно принятому направлению тока.

Подстановка минут в формулу I = q/t без перевода в секунды приводит к неверным единицам и численному результату. Ошибку допускают, когда торопятся и не проверяют, в каких единицах выражен ампер. Перед вычислением приведи время к секундам, а после вычисления проверь, что результат можно записать в амперах, то есть в кулонах в секунду.

Связь с другими темами

Для понимания тока понадобятся знания об электрическом заряде, заряженных частицах и электрическом поле. Сила тока и её единица ампер используются при изучении электрических цепей и закона Ома, а также при расчёте работы и мощности тока. Представление о направленном движении частиц помогает объяснять, как ток возникает в металлах, жидкостях и газах. В этих средах носители различаются, но общий смысл тока остаётся тем же.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Для длительного существования тока нужны свободные носители заряда, электрическое поле и замкнутая цепь.
• Сила тока определяется отношением заряда ко времени: I = q/t.
• Единица силы тока в СИ — ампер; 1 А = 1 Кл/с.
• Условное направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов.
• В металлическом проводнике электроны движутся противоположно условному направлению тока.