§ 32. Сила тока

Определения и обозначения

Сила тока — физическая величина, которая характеризует заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени. Поперечное сечение — условная плоскость, мысленно проведённая поперёк проводника. Сила тока показывает, насколько интенсивно движутся заряженные частицы, и позволяет сравнивать токи в разных цепях.

Силу тока обозначают латинской буквой I. Если за время t через сечение прошёл заряд q, то I = q/t. По этой формуле находят силу тока, когда известны заряд и время; она также помогает определить неизвестный заряд или время, если формулу преобразовать.

Ампер — единица силы тока в Международной системе единиц (СИ). Один ампер соответствует прохождению заряда в один кулон за одну секунду: 1 А = 1 Кл/с. Такое соотношение помогает проверять, подходят ли единицы величин для расчёта.

Амперметр — прибор для измерения силы тока. На электрической схеме его обозначают кругом с буквой A внутри. Прибор показывает значение тока в амперах или долях ампера, поэтому перед измерением нужно выбрать подходящий предел и правильно прочитать шкалу.

Как это устроено

Сила тока зависит от того, сколько заряда проходит через сечение за выбранное время. Представь два потока зарядов: за одну секунду через первый проводник прошёл больший заряд, чем через второй. Значит, в первом случае заряд переносится интенсивнее и сила тока больше. Поэтому одной величины заряда недостаточно, чтобы описать ток: нужно знать и время.

Формула I = q/t получается из определения: заряд q делят на время t, за которое он прошёл через сечение. Чтобы найти заряд, обе части равенства умножают на время и получают q = It. Чтобы найти время, заряд делят на силу тока: t = q/I. Перед подстановкой проверь, что заряд выражен в кулонах, время — в секундах, а результат силы тока получается в амперах.

При сравнении токов нужно учитывать одинаковый промежуток времени, иначе сравнение может быть неверным. Например, большой заряд мог пройти за несколько минут, а меньший — всего за секунду. В таком случае за единицу времени через второе сечение может проходить больше заряда, и ток там окажется сильнее. Сравнение количества заряда за одинаковое время показывает, какой ток интенсивнее.

Амперметр включают последовательно с участком цепи: цепь размыкают и помещают прибор так, чтобы ток проходил сначала через один элемент, затем через другой. При таком соединении через амперметр и исследуемый участок проходит один и тот же ток. Если подключить прибор параллельно, ток распределится по ветвям, а прибор может быть повреждён. Поэтому последовательное включение — необходимое условие корректного измерения.

Предел измерения показывает наибольшую силу тока, которую можно измерить в выбранном режиме. Если ожидаемое значение неизвестно, сначала выбирают наибольший предел, а затем при необходимости переходят к меньшему: так легче избежать перегрузки прибора и точнее увидеть результат. Показание считывают по шкале, учитывая выбранный предел и цену деления — значение одного деления. Не касайся оголённых проводов и собирай цепь при отключённом источнике питания.

Сила тока и связанные с ней величины

Сначала найди в таблице известные величины и их обозначения, затем выбери формулу с нужной неизвестной. Проверь единицы: если время дано в минутах, переведи его в секунды. При измерении вместо вычисления используй амперметр, подключённый последовательно.

Разбор задач

Задача 1. За 4 с через поперечное сечение проводника прошёл заряд 12 Кл. Найдём силу тока. Заряд уже дан в кулонах, а время — в секундах, поэтому единицы подходят для формулы. Разделим заряд на время: I = q/t = 12/4 = 3 А.

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

Ответ: сила тока равна 3 А. Это означает, что за каждую секунду через сечение в среднем проходит заряд 3 Кл.

Задача 2. Сила тока равна 0,5 А. Найдём заряд, проходящий через сечение за 2 мин. В формуле q = It время должно быть в секундах, поэтому сначала переведём минуты. Иначе результат не будет согласован с единицей ампера — кулоном в секунду.

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

Ответ: за 2 мин через сечение пройдёт заряд 60 Кл. Проверка по смыслу: ток 0,5 А переносит 0,5 Кл за секунду, а за 120 секунд это 60 Кл.

Задача 3. Через проводник за 3 мин прошёл заряд 540 Кл. Определим силу тока и укажем, как измерить её амперметром. Из условия известны заряд и время, значит, применяем I = q/t. До расчёта переведём минуты в секунды, а затем включим амперметр в цепь последовательно с нужным участком.

1. Запишем данные: q = 540 Кл, t = 3 мин.
2. Переведём время: t = 3 · 60 = 180 с.
3. Найдём силу тока: I = 540/180 = 3 А.
4. Разомкнём цепь и включим амперметр последовательно с проводником; начнём с подходящего предела измерения.

Ответ: сила тока равна 3 А. Амперметр нужно подключить последовательно, чтобы через прибор проходил тот же ток, что и через проводник.

Типичные ошибки

Ошибка — делить время на заряд и использовать I = t/q. Так происходит, если неверно запомнить, что именно делится в формуле. Проверь себя по определению: сила тока — это заряд за единицу времени, поэтому нужно вычислять q/t; единица результата должна быть А, то есть Кл/с.

Ошибка — подставлять время в минутах в расчёт с зарядом в кулонах и силой тока в амперах. Её допускают, потому что в условии время выглядит как обычное число, хотя единица ампера уже содержит секунды. Перед вычислением переведи минуты в секунды и проверь, что единицы согласованы.

Ошибка — подключать амперметр параллельно участку цепи. Параллельное соединение кажется удобным, если прибор нужно присоединить к двум точкам, но оно не обеспечивает прохождение через него того же тока. Для измерения разомкни цепь и включи амперметр последовательно; сверяй подключение с правилом до включения питания.

Ошибка — считать силу тока количеством прошедшего заряда. Это разные величины: заряд измеряют в кулонах, а сила тока зависит ещё и от времени. Если заряды одинаковы, сравни время: чем быстрее заряд проходит через сечение, тем больше ток. Проверка: используй I = q/t, а не только значение q.

Связь с другими темами

Для изучения силы тока нужны знания об электрическом заряде и электрическом токе: заряд входит в формулу, а ток представляет собой упорядоченное движение заряженных частиц. Также пригодится перевод единиц времени, особенно минут в секунды. Сила тока понадобится при изучении напряжения и сопротивления. Эти величины связывает закон Ома, который позволяет рассчитывать ток в электрической цепи.

Что запомнить

• Сила тока показывает, какой заряд проходит через сечение проводника за единицу времени.
• Сила тока обозначается I.
• Формула силы тока: I = q/t.
• Единица силы тока в СИ — ампер: 1 А = 1 Кл/с.
• Силу тока измеряют амперметром.
• Амперметр включают в цепь последовательно.