§ 45. Направление электрического тока. Сила тока

Определения и обозначения

Направление электрического тока — направление движения положительно заряженных частиц. Во внешней цепи его условно считают направленным от положительного полюса источника к отрицательному. Это правило позволяет одинаково изображать и обсуждать ток в любых цепях.

Сила тока — величина, показывающая, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Её обозначают буквой I и находят по формуле I = q/t. По силе тока можно сравнить, насколько интенсивно движется заряд в разных цепях.

Ампер — единица силы тока в СИ. Сила тока равна 1 А, если за 1 с через поперечное сечение проводника проходит заряд 1 Кл. Обозначение ампера — А, а связь единиц записывают так: 1 А = 1 Кл/с.

Амперметр — прибор для измерения силы тока. Его включают последовательно с тем участком цепи, где нужно узнать ток. Тогда через амперметр проходит тот же заряд, что и через исследуемый участок.

Как это устроено

Направление тока договорились связывать с движением положительных зарядов ещё до того, как стало понятно, какие частицы перемещаются в металлах. Это правило оказалось удобным: оно подходит для разных проводников, где носителями могут быть не только электроны, но и положительные ионы. В металлической цепи электроны имеют отрицательный заряд и движутся противоположно принятому направлению тока, но расчёты от этого не меняются.

Сила тока характеризует не весь заряд, который когда-либо прошёл по проводнику, а заряд, пересекающий определённое поперечное сечение за выбранное время. Поперечное сечение — это мысленный срез проводника поперёк его длины. Если за одну секунду через такой срез проходит больше заряда, ток считают более сильным.

Из формулы I = q/t видно, как связаны величины. При одинаковом времени большему заряду соответствует большая сила тока: например, 10 Кл за 2 с дают больший ток, чем 4 Кл за 2 с. Если заряд одинаков, увеличение времени уменьшает силу тока, потому что тот же заряд распределяется на более длительный промежуток.

Единица ампер прямо следует из определения: 1 А = 1 Кл/с. Формулу можно преобразовать для поиска других величин: умножив обе части на время, получаем q = It, а разделив заряд на силу тока, — t = q/I. Поэтому сначала определяют, какая величина неизвестна, затем выбирают подходящую запись формулы и проверяют единицы.

Амперметр подключают последовательно, чтобы через его измерительный механизм проходил тот же заряд, который проходит через изучаемый участок. При последовательном соединении ток в цепи проходит через все элементы один за другим. Параллельное подключение для обычного амперметра опасно и может привести к слишком большому току, поэтому также соблюдают полярность его клемм.

Сила тока: обозначение, расчёт и измерение

Таблицу удобно использовать сначала для выбора обозначений, а затем — для поиска нужного преобразования формулы. Перед вычислениями проверьте, что заряд выражен в кулонах, а время — в секундах. По последней строке можно вспомнить правило подключения прибора.

Разбор задач

Задача 1

Через поперечное сечение проводника за 4 с прошёл заряд 12 Кл. Требуется найти силу тока. Известны заряд и время, поэтому подходит формула I = q/t.

1. Записываем данные: q = 12 Кл, t = 4 с.
2. Подставляем их в формулу: I = 12 Кл / 4 с.
3. Выполняем деление и учитываем единицу: I = 3 А.

Ответ: сила тока равна 3 А.

Задача 2

Сила тока в проводнике равна 0,5 А, а время прохождения заряда — 2 мин. Нужно определить заряд, поэтому используем q = It. Сначала переводим минуты в секунды, ведь ампер означает кулон в секунду.

1. Переводим время: t = 2 · 60 = 120 с.
2. Подставляем данные: q = 0,5 А · 120 с.
3. Заменяем А на Кл/с и вычисляем: q = 60 Кл.

Ответ: через сечение пройдёт заряд 60 Кл.

Задача 3

За 30 с через один проводник прошёл заряд 900 Кл, а ток в другом проводнике равен 20 А. Сначала найдём ток в первом проводнике, затем сравним две силы тока. После этого определим, какой заряд проходит за одинаковые 30 с.

1. Для первого проводника: I₁ = q/t = 900 Кл / 30 с = 30 А.
2. Сравниваем: 30 А больше 20 А, значит первый ток сильнее.
3. Для второго проводника: q₂ = I₂t = 20 А · 30 с = 600 Кл.

Ответ: сила тока 30 А; в первом случае за 30 с проходит больший заряд — 900 Кл против 600 Кл.

Типичные ошибки

Некоторые считают, что направление тока совпадает с движением электронов. Так происходит из-за того, что именно электроны движутся в металлическом проводнике. Проверьте себя: условное направление тока противоположно движению электронов.

Силу тока иногда путают с зарядом. Заряд q — это количество электричества, прошедшее через сечение, а I показывает, сколько заряда проходит за единицу времени. Для проверки посмотрите на формулу: сила тока равна отношению q к t.

Нельзя подставлять минуты в формулу I = q/t, если ответ требуется в амперах. Ампер связан с секундой, поэтому минуты сначала умножают на 60. Быстрая проверка — убедиться, что единица времени в вычислениях обозначена как с.

Амперметр ошибочно подключают параллельно или не соблюдают полярность. Прибор должен быть включён последовательно, а его положительная клемма — соединена с более положительным полюсом источника. Перед замыканием цепи проследите путь тока от источника через амперметр и остальные элементы.

Связь с другими темами

Для изучения направления и силы тока нужно понимать, что такое электрический ток и электрическая цепь. Ток связан с упорядоченным движением заряженных частиц, а цепь должна быть замкнутой, чтобы движение продолжалось.

Сила тока понадобится при изучении напряжения и сопротивления, а также закона Ома. С её помощью рассчитывают параметры электрических цепей и сравнивают работу разных участков цепи.

Что запомнить

• Направление тока условно совпадает с направлением движения положительных зарядов.
• В металлическом проводнике электроны движутся противоположно принятому направлению тока.
• Сила тока показывает заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени.
• I = q/t; заряд можно найти по формуле q = It.
• 1 А = 1 Кл/с.
• Силу тока измеряют амперметром, включённым последовательно.