§ 2. Сила тока

Определения и обозначения

Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах заряд переносят свободные электроны, а в электролитах — положительные и отрицательные ионы. Это различие помогает понять, какие частицы создают ток в разных веществах.

Сила тока — физическая величина, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени; её обозначают I. Поперечное сечение — воображаемая площадка, мысленно проведённая поперёк проводника. Сила тока нужна, чтобы сравнивать, сколько заряда переносится в разных цепях за одинаковое время.

Единица силы тока в Международной системе единиц — ампер, обозначение А. Один ампер равен одному кулону заряда, проходящему за одну секунду: 1 А = 1 Кл/с. Поэтому ампер измеряет не сам заряд, а скорость его переноса.

Постоянный ток — ток, сила и направление которого не изменяются со временем. Это означает, что за равные промежутки времени через сечение проходит одинаковый заряд и он движется в одну сторону. Такое определение позволяет использовать простые формулы для связи тока, заряда и времени.

Как это устроено

Одного наличия заряженных частиц недостаточно, чтобы возник электрический ток: в обычном состоянии их движение может быть беспорядочным. Нужны свободные носители заряда, способные перемещаться по веществу, и электрическое поле, которое направляет их движение. Поле возникает, например, при подключении проводника к источнику тока, и тогда беспорядочное движение частиц дополняется упорядоченным.

Силу тока находят, разделив заряд, прошедший через сечение, на время: I = q/t. Здесь I — сила тока в амперах, q — заряд в кулонах, t — время в секундах. Формула следует из определения: она показывает, сколько кулонов проходит за одну секунду, если ток постоянный.

Представим два проводника, через сечения которых за одинаковое время проходят разные заряды. Там, где за этот промежуток переносится больше заряда, сила тока больше, потому что каждый кулон вносит вклад в общий перенос. Поэтому для сравнения токов недостаточно знать только заряд: нужно учитывать и время, за которое он прошёл.

Направление тока условно принимают за направление движения положительных зарядов. В металлах под действием поля движутся электроны, несущие отрицательный заряд, поэтому их движение направлено противоположно условному направлению тока. Такое соглашение едино для описания электрических цепей, даже если реальные носители заряда в веществе отрицательны.

Из формулы I = q/t можно выразить заряд: q = It. При постоянном токе сила не меняется, поэтому за время t переносится заряд, равный произведению силы тока на это время. Если I задана в амперах, а t — в секундах, заряд q получится в кулонах, так как 1 А·с = 1 Кл.

Величины, связанные с силой тока

Сначала определите, какую величину требуется найти, а затем выберите подходящую запись связи: I = q/t или q = It. Перед подстановкой приведите заряд к кулонам, а время — к секундам. Проверка единиц помогает заметить ошибку: сила тока должна выражаться в амперах, заряд — в кулонах.

Разбор задач

Задача 1. Через поперечное сечение проводника за 4 с прошёл заряд 12 Кл. Найдите силу тока. Известны заряд и время, поэтому применяем определение силы тока, а единицы уже приведены к СИ. Так мы сразу получим ответ в амперах.

1. Записываем данные: q = 12 Кл, t = 4 с. Искомая величина — I.
2. Подставляем значения в формулу I = q/t: I = 12 Кл / 4 с = 3 Кл/с. Поскольку 1 Кл/с = 1 А, результат равен 3 А.
3. Проверяем смысл: за каждую секунду проходит по 3 Кл, а всего за 4 с — 12 Кл. Ответ: I = 3 А.

Задача 2. Сила постоянного тока равна 0,5 А. Какой заряд пройдёт через сечение проводника за 2 мин? Здесь требуется заряд, поэтому используем формулу q = It. Сначала переводим минуты в секунды: без этого время не будет выражено в единицах СИ.

1. Записываем данные: I = 0,5 А, t = 2 мин = 120 с. Искомый заряд обозначим q.
2. Вычисляем заряд: q = It = 0,5 А · 120 с = 60 А·с. Так как 1 А·с = 1 Кл, получаем 60 Кл.
3. Проверяем: за одну секунду проходит 0,5 Кл, значит за 120 с должно пройти в 120 раз больше. Ответ: q = 60 Кл.

Задача 3. Через сечение проводника за 30 с прошёл заряд 90 Кл. Сколько электронов перенесли этот заряд? Заряд одного электрона по модулю равен 1,6·10⁻¹⁹ Кл. Сначала найдём силу тока по заряду и времени, как требует условие плана; затем по полному заряду определим число электронов.

1. Находим силу тока: I = q/t = 90 Кл / 30 с = 3 А. Это соответствует переносу 90 Кл за всё указанное время.
2. Чтобы узнать число электронов, делим модуль перенесённого заряда на модуль заряда одного электрона: N = |q|/(1,6·10⁻¹⁹ Кл) = 90/(1,6·10⁻¹⁹) = 5,625·10²⁰.
3. Число частиц округляем до трёх значащих цифр, поскольку заряд электрона задан с двумя значащими цифрами. Ответ: приблизительно 5,6·10²⁰ электронов.

Типичные ошибки

Путать силу тока с зарядом — значит считать, что обе величины показывают одно и то же. Обычно это происходит потому, что в формулах они встречаются рядом, хотя q измеряет количество заряда, а I — заряд за единицу времени. Проверьте, есть ли в ответе временной интервал: если его нет, ответ о силе тока не описан полностью.

Подстановка минут или часов без перевода в секунды приводит к неверному результату в СИ. Эту ошибку допускают, когда спешат записать числа из условия прямо в формулу. Перед вычислением проверяйте единицы времени: минуты умножайте на 60, часы — на 3600.

Считать направление тока совпадающим с движением электронов в металле неверно. Причина ошибки — привычка связывать движение частиц с направлением потока, не учитывая знак их заряда. Проверьте себя: условное направление тока задано для положительных зарядов, а электроны отрицательны, поэтому движутся в обратную сторону.

Ампер нельзя записывать как единицу заряда: это единица силы тока, тогда как заряд измеряют в кулонах. Путаница возникает из равенства 1 А = 1 Кл/с, где одновременно присутствуют обе единицы. Для самопроверки сверяйте величину с формулой: q измеряется в Кл, I — в А, а время — в с.

Связь с другими темами

Для изучения силы тока нужны понятия электрического заряда, закона его сохранения и свободных носителей заряда. Закон сохранения помогает понимать, почему заряд не исчезает при движении по цепи, а носители объясняют, какие частицы переносят его в веществе. Эти знания позволяют осмысленно применять формулу силы тока.

Сила тока понадобится при изучении закона Ома и электрических цепей: она описывает перенос заряда в их элементах. Вместе с напряжением и сопротивлением она участвует в расчётах работы и мощности электрического тока. Поэтому умение находить ток и переводить единицы пригодится в дальнейших задачах.

Связь силы тока с движением зарядов подготавливает к изучению тока в различных средах. Носители заряда в металлах, электролитах и других веществах могут отличаться, но ток в каждом случае связан с их упорядоченным движением. Сравнение сред помогает увидеть, как одно общее определение применяется к разным веществам.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение за единицу времени.
• Для постоянного тока I = q/t.
• Заряд при постоянном токе вычисляют по формуле q = It.
• Единица силы тока — ампер: 1 А = 1 Кл/с.
• Условное направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов.