33. Сила тока

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах такими частицами служат свободные электроны, а в растворах — положительные и отрицательные ионы. Это определение помогает понять, что ток связан не с любым движением, а с направленным перемещением зарядов.

Сила тока — физическая величина, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Её обозначают заглавной буквой I и вычисляют по формуле I = q/t, где q — заряд, а t — время. Эта величина позволяет сравнить токи по тому, сколько заряда проходит за одинаковый промежуток времени.

Ампер — единица силы тока в Международной системе единиц (СИ). Один ампер равен одному кулону в секунду: 1 А = 1 Кл/с. Такая запись связывает единицу тока с уже знакомыми единицами заряда и времени.

Амперметр — прибор для измерения силы тока. Его включают в электрическую цепь последовательно, то есть так, чтобы ток проходил сначала через один элемент, затем через другой. Такое подключение позволяет измерять ток именно в выбранном участке цепи.

Как это устроено

Чтобы в проводнике появился электрический ток, в нём должны быть свободные заряженные частицы и электрическое поле. Частицы могут перемещаться, но сами по себе они не обязательно движутся направленно. Источник тока создаёт и поддерживает электрическое поле, которое действует на заряды и заставляет их двигаться упорядоченно.

Сила тока зависит от того, сколько заряда пересекает выбранное поперечное сечение проводника за определённое время. Поэтому в формуле I = q/t заряд делят на время: отношение показывает, сколько кулонов проходит за одну секунду. Если за один и тот же промежуток через сечение проходит больше заряда, сила тока больше; если тот же заряд проходит дольше, ток меньше.

Единица силы тока следует из самой формулы: заряд измеряют в кулонах, а время — в секундах. Если за одну секунду проходит один кулон, отношение q/t равно одному кулону в секунду, то есть одному амперу. Поэтому запись 1 А = 1 Кл/с не просто задаёт перевод единиц, а поясняет, какой ток соответствует такому переносу заряда.

Амперметр измеряет ток в конкретном участке цепи. Чтобы через прибор проходил тот же ток, что и через этот участок, его включают в ту же цепь последовательно, без разветвления между прибором и измеряемой частью. При параллельном включении ток распределялся бы по ветвям, а подключение могло бы привести к короткому замыканию.

У амперметра есть клеммы, и при подключении нужно учитывать полярность. Условный ток во внешней цепи направлен от положительного полюса источника к отрицательному, поэтому он должен входить в положительную клемму прибора и выходить из отрицательной. Если поменять провода местами, стрелка аналогового амперметра может отклониться в обратную сторону, а показание будет трудно снять.

Сила тока и её измерение

По таблице можно быстро проверить обозначение, формулу и единицу силы тока. При решении задач выбирай формулу по известным величинам, а единицы проверяй до подстановки чисел. Для измерения в цепи ищи амперметр, включённый последовательно с нужным участком.

Разбор задач

Через поперечное сечение проводника за 4 с прошёл заряд 12 Кл. Найдём силу тока. Из условия известны заряд и время, поэтому используем формулу I = q/t.

1. Записываем данные: q = 12 Кл, t = 4 с.
2. Подставляем их в формулу: I = 12/4 = 3 А.
3. Проверяем единицу: Кл/с соответствует амперу, значит результат записан верно.

Ответ: сила тока равна 3 А.

Сила тока в проводнике равна 0,5 А. Найдём заряд, который пройдёт через его поперечное сечение за 2 мин. Здесь неизвестен заряд, поэтому формулу I = q/t преобразуем к виду q = It. Перед вычислением переведём минуты в секунды, чтобы время было выражено в единицах СИ.

1. Переводим время: t = 2 мин = 120 с.
2. Подставляем силу тока и время: q = It = 0,5 · 120 = 60 Кл.
3. Проверяем смысл: при токе 0,5 Кл/с за 120 с проходит 60 Кл.

Ответ: через сечение пройдёт заряд 60 Кл.

За 30 с через сечение первого проводника прошёл заряд 18 Кл, а второго — 0,9 Кл. Сравним силы токов и определим, во сколько раз они различаются. Время для обоих проводников одинаковое, но силу тока всё равно нужно вычислить отдельно по формуле I = q/t.

1. Для первого проводника: I₁ = 18/30 = 0,6 А.
2. Для второго проводника: I₂ = 0,9/30 = 0,03 А.
3. Делим больший ток на меньший: 0,6/0,03 = 20. Значит, в первом проводнике ток больше в 20 раз.

Ответ: силы токов равны 0,6 А и 0,03 А; они различаются в 20 раз.

Типичные ошибки

Путать силу тока с зарядом — значит забывать о времени. Заряд показывает, сколько электричества прошло, а сила тока учитывает, за какой промежуток это произошло; поэтому один и тот же заряд может соответствовать разным токам. Проверь себя: в ответе на вопрос о силе тока должна использоваться величина времени, а единица результата — ампер.

Если в формулу подставить время в минутах, когда заряд задан в кулонах, значение получится неверным. Так ошибаются, потому что в условии время часто дано в привычных минутах, хотя для ампер нужны кулоны и секунды. Перед вычислением переведи минуты в секунды и проверь, что единицы q/t дают Кл/с.

Амперметр нельзя подключать параллельно измеряемому участку: такое включение не соответствует способу измерения и может вызвать короткое замыкание. Ошибка возникает, если перепутать амперметр с прибором, который подключают параллельно. Проверь схему: через амперметр и нужный участок должен идти один и тот же ток, значит прибор стоит последовательно.

Формула силы тока — I = q/t, а не t/q. При перестановке числителя и знаменателя получится величина с неправильным смыслом и единицами: секунды на кулон, а не кулоны на секунду. Чтобы проверить себя, сравни ответ с вопросом: сила тока показывает заряд за единицу времени.

Связь с другими темами

Для изучения силы тока нужно знать, что такое электрический заряд, электрический ток и электрическая цепь. Эти понятия объясняют, какие частицы движутся и где происходит их движение. Позже силу тока используют при изучении закона Ома и расчёте характеристик электрических цепей.

Навык измерения тока нужен при работе с амперметром и сборке электрических цепей. Он помогает правильно выбрать место прибора и подключить его к источнику с учётом полярности. Формула I = q/t пригодится, когда требуется связать показания тока с зарядом и временем.

Что запомнить

• Сила тока характеризует электрический ток.
• Сила тока равна заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за единицу времени.
• Формула силы тока: I = q/t.
• Единица силы тока в СИ — ампер.
• Один ампер равен одному кулону в секунду.
• Силу тока измеряют амперметром, включённым последовательно.