1. Сила тока

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах такими частицами являются свободные электроны, а в электролитах — положительные и отрицательные ионы. Это понятие помогает описывать перенос заряда в электрической цепи и различать его носителей в разных веществах.

Сила тока — физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени прохождения: I = q/t. Здесь I — сила тока, q — заряд, t — время. По этой величине можно понять, насколько интенсивно заряд переносится через проводник.

Ампер — единица силы тока в Международной системе единиц, обозначается А. Ток равен 1 А, если за 1 с через поперечное сечение проводника проходит заряд 1 Кл. Такое определение позволяет связать измерение тока с количеством заряда и временем.

Амперметр — прибор для измерения силы тока; на электрических схемах его обозначают кружком с буквой A внутри. Прибор включают последовательно с тем участком цепи, где измеряют ток. Тогда через амперметр проходит тот же ток, что и через участок, поэтому показание относится именно к нему.

Как это устроено

Для возникновения тока в проводнике нужны свободные носители заряда и электрическое поле. Носители уже могут находиться внутри вещества, но без поля их движение не становится направленным в одну сторону. Поле действует на заряженные частицы и задаёт их упорядоченное движение, которое и называют током.

Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Сечение можно представить как воображаемую плоскость, проведённую поперёк проводника: мы считаем заряд, пересекающий её. Если за меньшее время проходит тот же заряд, ток больше, потому что перенос происходит интенсивнее.

Для постоянного тока силу тока вычисляют по формуле I = q/t. Постоянным называют ток, сила и направление которого не меняются со временем. Из этой же формулы получают q = It: чтобы узнать перенесённый заряд, нужно умножить ток на время его прохождения. В расчётах время подставляют в секундах, а заряд — в кулонах.

В металлических проводниках носителями заряда являются электроны, имеющие отрицательный заряд. Они движутся под действием электрического поля, но направление тока исторически условились считать направлением движения положительных зарядов. Поэтому в металле условное направление тока противоположно движению электронов. Это соглашение используют при изображении и анализе электрических цепей.

Амперметр включают последовательно, то есть в разрыв цепи, чтобы ток проходил через прибор и измеряемый участок один за другим. При таком подключении амперметр показывает ток участка. Если соединить его параллельно, сопротивление прибора может создать почти беспрепятственный путь для тока. Из-за этого возможно короткое замыкание, поэтому подключение должно быть последовательным.

Величины, связанные с силой тока

В таблице собраны три величины, связанные формулой силы тока, и их обозначения. Если известны заряд и время, выбирай I = q/t; если нужно найти заряд, используй q = It. Проверь, что единицы измерения согласованы: секунды, кулоны и амперы.

Разбор задач

Через поперечное сечение проводника за 4 с прошёл заряд 12 Кл. Нужно найти силу тока. Из условия известны заряд и время, поэтому подходит формула I = q/t. Подстановка покажет, сколько кулонов проходит через сечение за каждую секунду.

1. Запишем данные: q = 12 Кл, t = 4 с.
2. Используем формулу силы тока: I = q/t.
3. Подставим значения: I = 12 Кл / 4 с = 3 А.

Ответ: сила тока равна 3 А. Единица получилась в амперах, потому что 1 А = 1 Кл/с. Результат означает, что через сечение за каждую секунду проходит заряд 3 Кл.

Сила тока в проводнике равна 0,5 А. Найдём заряд, прошедший через сечение за 2 мин. Здесь время дано в минутах, а для расчёта с амперами его сначала нужно перевести в секунды. Затем применим формулу q = It.

1. Переведём время: t = 2 мин = 2 · 60 с = 120 с.
2. Запишем формулу для заряда: q = It.
3. Подставим данные: q = 0,5 А · 120 с = 60 Кл.

Ответ: через проводник пройдёт заряд 60 Кл. Проверка единиц даёт А · с = Кл. Без перевода минут в секунды численное значение заряда оказалось бы меньше правильного в 60 раз.

За 10 с через проводник прошёл заряд, равный заряду 3,1 × 10¹⁹ электронов. Заряд одного электрона по модулю равен 1,6 × 10⁻¹⁹ Кл. Сначала найдём общий заряд: число электронов умножим на заряд одного электрона, а затем разделим полученное значение на время.

1. Запишем число электронов N = 3,1 × 10¹⁹ и время t = 10 с.
2. Вычислим модуль общего заряда: q = N · |e| = (3,1 × 10¹⁹) · (1,6 × 10⁻¹⁹ Кл) = 4,96 Кл.
3. Найдём ток: I = q/t = 4,96 Кл / 10 с = 0,496 А.

Ответ: сила тока равна 0,496 А, или примерно 0,50 А. В задаче используют модуль заряда электронов, поэтому знак их заряда не влияет на найденную величину тока. Сначала важно получить общий заряд всех частиц, а не подставлять заряд одного электрона в формулу тока.

Типичные ошибки

Силу тока иногда путают с электрическим зарядом. Заряд показывает, сколько электричества перенесено, а ток дополнительно учитывает время переноса. Ошибка возникает, когда внимание обращают только на число кулонов; проверь себя: в формуле I = q/t должны присутствовать и заряд, и время.

При расчётах могут забыть перевести минуты в секунды. Это часто происходит, если число из условия сразу подставляют в формулу, не проверив единицы. Перед вычислением запиши время в секундах: например, 2 мин = 120 с, а затем проверь, что результат выражен в единицах СИ.

Направление тока в металле иногда считают совпадающим с движением электронов. Это неверно: электроны отрицательно заряжены, а условное направление тока принято за направление движения положительных зарядов. Чтобы проверить себя, вспомни, что эти направления противоположны именно в металлическом проводнике.

Ещё одна ошибка — включать амперметр параллельно измеряемому участку. Так можно создать короткий путь для тока и вызвать короткое замыкание. Перед включением проверь схему: амперметр должен находиться в разрыве цепи, последовательно с участком.

Связь с другими темами

Для изучения силы тока нужны понятия электрического заряда, времени и единиц СИ, а также представление об электрической цепи. Позже сила тока понадобится при разборе закона Ома и электрического сопротивления. Её используют и при изучении последовательного и параллельного соединения проводников. Измерение амперметром связывает теорию с работой электроприборов и безопасным исследованием цепей.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Сила тока показывает заряд, проходящий через сечение проводника за единицу времени.
• Для постоянного тока I = q/t, а q = It.
• Единица силы тока в СИ — ампер; 1 А = 1 Кл/с.
• В металлах носителями тока являются электроны.
• Условное направление тока противоположно направлению движения электронов.
• Амперметр включают последовательно с участком цепи.