§ 102. Электрический ток. Сила тока

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах заряд переносят свободные электроны, а в электролитах — положительные и отрицательные ионы. Это понятие помогает определить, когда движение частиц действительно приводит к переносу заряда в одном направлении.

Направление электрического тока — направление движения положительно заряженных частиц. В металлическом проводнике оно противоположно движению электронов, поскольку электроны заряжены отрицательно. Такое соглашение позволяет одинаково описывать ток независимо от того, какие частицы переносят заряд.

Сила тока, обозначаемая I, — физическая величина, равная отношению заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени t его прохождения: I = q/t для постоянного тока. Поперечное сечение — воображаемая площадка, проведённая поперёк проводника. Формула нужна, чтобы сравнивать токи и рассчитывать заряд или время.

Ампер — единица силы тока в СИ. Один ампер равен одному кулону в секунду: 1 А = 1 Кл/с. Это означает, что при токе 1 А через сечение проводника за каждую секунду проходит заряд 1 Кл.

Как это устроено

Вещество может содержать свободные заряженные частицы, но это ещё не означает, что в нём есть электрический ток. Без внешнего воздействия частицы движутся хаотически: их перемещения в разных направлениях в среднем компенсируются. Электрическое поле действует на заряженные частицы силами и создаёт направленную составляющую их движения. Поэтому током считают именно упорядоченный перенос заряда, а не любое перемещение частиц.

Для тока нужны носители, способные перемещаться, и электрическое поле, которое направляет их движение. Если путь для частиц разомкнут, устойчивое движение зарядов по цепи не поддерживается. Источник тока создаёт и поддерживает электрическое поле, благодаря которому заряды движутся в разных участках цепи. Поэтому для длительного тока требуется замкнутая цепь с источником.

В металлах часть электронов может перемещаться между атомами, поэтому они служат свободными носителями заряда. Когда в проводнике появляется электрическое поле, на электроны действует электрическая сила и возникает их направленный дрейф. При этом тепловое хаотическое движение не исчезает: электроны одновременно движутся беспорядочно и постепенно смещаются в одном направлении. Именно этот общий дрейф создаёт ток.

Для описания тока заранее выбирают условное направление — туда, куда двигались бы положительные заряды. Это соглашение появилось и закрепилось в физике независимо от того, какие частицы переносят заряд в конкретном веществе. Электрон отрицателен, поэтому в металлическом проводнике его дрейф направлен противоположно выбранному направлению тока. Зная это, можно не путать направление условного тока с реальным движением электронов.

Чтобы определить силу тока, рассматривают заряд, прошедший через выбранное поперечное сечение, и время, за которое он прошёл. Деление заряда на время показывает, сколько кулонов переносится за одну секунду. При одинаковом времени большему прошедшему заряду соответствует большая сила тока; при одинаковом заряде большему времени соответствует меньшая сила. Так величина I характеризует скорость переноса заряда через сечение, а не запас заряда во всём проводнике.

Электрический ток и сила тока

Сначала найдите в таблице определение или условие, которое относится к вопросу задачи. Затем проверьте, какие величины известны и какая формула связывает их с искомой величиной. Не забывайте переводить время в секунды, если используете силу тока в амперах.

Разбор задач

Задача 1

Через поперечное сечение проводника за 4 с прошёл заряд 12 Кл. Найдите силу тока. Известны заряд и время, поэтому можно напрямую применить определение силы тока. В ответе силу тока записывают в амперах.

1. Запишем формулу для постоянного тока: I = q/t.
2. Подставим значения: I = 12 Кл / 4 с = 3 Кл/с.
3. Используем равенство 1 Кл/с = 1 А.

Ответ: I = 3 А.

Задача 2

Сила тока в проводнике равна 0,5 А. Какой заряд пройдёт через его поперечное сечение за 2 мин? Нужно найти заряд, поэтому выразим его из формулы силы тока. Сначала переведём минуты в секунды: в формулу с амперами время подставляют в секундах.

1. Переведём время: 2 мин = 120 с.
2. Из I = q/t выразим заряд: q = It.
3. Подставим данные: q = 0,5 А · 120 с = 60 Кл.

Ответ: через сечение пройдёт заряд 60 Кл.

Задача 3

За 10 с через поперечное сечение металлического проводника прошёл заряд 3,2 Кл. Сколько электронов прошло через сечение и каково направление их движения относительно направления тока? Чтобы найти число частиц, разделим общий заряд на заряд одного электрона по модулю. Затем учтём, что электроны движутся против условного направления тока.

1. Возьмём модуль элементарного заряда: e ≈ 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл.
2. Найдём число электронов: N = q/e = 3,2 / (1,6 · 10⁻¹⁹) = 2 · 10¹⁹.
3. Сопоставим направления: движение электронов противоположно направлению тока.

Ответ: через сечение прошло 2 · 10¹⁹ электронов; они двигались против направления тока.

Типичные ошибки

Считать током любое движение зарядов. Так происходит потому, что частицы действительно постоянно перемещаются внутри вещества. Но хаотическое тепловое движение само по себе не создаёт направленного переноса заряда: перемещения в разные стороны компенсируются. Проверьте себя вопросом: есть ли у движения частиц упорядоченная составляющая?

Путать направление тока с движением электронов в металле. Электроны часто представляют как частицы, которые и определяют направление тока, но это направление условно выбрано по движению положительных зарядов. В металлах электронный дрейф направлен противоположно току. Для проверки укажите знак заряда носителя: отрицательные частицы движутся против условного направления.

Подставлять время в минутах в формулу силы тока. Ошибка возникает, когда единицы времени не проверяют перед вычислением. Поскольку 1 А = 1 Кл/с, время должно быть выражено в секундах, иначе результат может оказаться неверным и по числу, и по единицам. Перед подстановкой выпишите время в секундах.

Считать силу тока количеством зарядов в проводнике. Это неверно, потому что сила тока относится к заряду, проходящему через поперечное сечение за определённое время, а не к заряду, находящемуся внутри всего проводника. Путаница появляется из-за того, что обе величины связаны с зарядом. Проверьте смысл через формулу I = q/t: в ней обязательно учитывается время прохождения заряда.

Связь с другими темами

Для понимания тока пригодятся знания об электрическом заряде и элементарном заряде: они помогают описывать перенос заряда частицами. Представление об электрическом поле и замкнутой цепи объясняет, почему носители начинают двигаться направленно и как поддерживается устойчивый ток. Позже сила тока понадобится при изучении амперметра, закона Ома и расчётов электрических цепей. Идея упорядоченного движения связывает тему с переносом заряда электронами в металлах и ионами в других средах.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Для тока нужны свободные носители заряда и электрическое поле.
• Устойчивый ток в цепи поддерживает источник тока.
• Направление тока условно принимают по движению положительных зарядов.
• В металлах электроны движутся против направления тока.
• Для постоянного тока I = q/t; единица силы тока — ампер.