§ 5. Постоянный электрический ток

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах заряд переносят свободные электроны, а в электролитах — положительные и отрицательные ионы. Это определение помогает отличать ток от беспорядочного движения частиц и понимать, что именно переносит заряд в разных веществах.

Постоянный электрический ток — ток, сила и направление которого не изменяются со временем. Значит, ток остаётся одинаковым по величине и продолжает идти в одну сторону. Это понятие нужно, чтобы отличать постоянный ток от переменного, у которого со временем меняются сила или направление.

Сила тока — физическая величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения. Её обозначают I, а формула имеет вид I = q/t, где q — заряд, t — время. Сила тока показывает, сколько заряда проходит через сечение за единицу времени, поэтому по ней можно сравнивать токи.

Ампер — единица силы тока; её обозначают А. Силу тока измеряют амперметром, который включают в цепь последовательно. Единица позволяет записывать результат измерения, а способ подключения помогает измерить именно ток, проходящий через нужный участок.

Как это устроено

В обычном проводнике заряженные частицы могут двигаться беспорядочно, но одного их наличия недостаточно для электрического тока. Нужны свободные частицы, способные перемещаться, и электрическое поле, которое действует на них. Под действием поля движение приобретает общее направление, то есть становится упорядоченным. Поэтому наличие проводника без поля ещё не означает, что в нём течёт ток.

Источник тока разделяет заряды и создаёт условия, при которых между участками цепи сохраняется электрическое поле. Когда цепь замкнута, поле действует на свободные заряды во всём проводнике, и они начинают направленно перемещаться. Источник не «производит» заряды: он поддерживает их разделение и тем самым работу поля. Если цепь разомкнуть, движение зарядов по замкнутому пути прекращается.

В металлическом проводнике подвижны свободные электроны, имеющие отрицательный заряд. Электрическое поле заставляет их смещаться, но направление тока условились считать направлением движения положительных зарядов. Поэтому в металле условное направление тока противоположно движению электронов. Это правило не меняет результатов измерений, но помогает одинаково обозначать направление тока в цепях.

При постоянном токе через поперечное сечение за равные промежутки времени проходят равные заряды. Формула I = q/t связывает количество прошедшего заряда со временем: чем больше заряд за тот же срок, тем сильнее ток; при том же заряде увеличение времени уменьшает силу тока. Например, значение 2 А означает, что за каждую секунду через сечение проходит 2 Кл заряда. Формулу можно преобразовать и находить заряд: q = It.

В неразветвлённой цепи нет мест, где ток разделяется на несколько путей, поэтому через каждый участок за одно и то же время проходит одинаковый заряд. Из-за этого сила тока на таких участках одинакова. Чтобы измерить её, размыкают цепь и вставляют амперметр в разрыв последовательно с остальными элементами. Тогда через прибор и участок проходит один и тот же ток; параллельное подключение для такого измерения не подходит.

Основные сведения о постоянном электрическом токе

Сначала определите, какую величину требуется найти, а затем выберите подходящую строку и формулу. Для расчётов используйте заряд в кулонах и время в секундах. Строка об амперметре напоминает, как подключить прибор при измерении.

Разбор задач

Задача 1. За 4 с через поперечное сечение проводника прошёл заряд 12 Кл. Найдите силу тока. Известны заряд и время, значит, можно сразу воспользоваться определением силы тока. Единицы уже подходят для вычисления в амперах.

1. Запишем формулу: I = q/t.
2. Подставим значения: I = 12 Кл / 4 с = 3 А.
3. Проверим смысл результата: за каждую секунду проходит 3 Кл, а за 4 с — 12 Кл.

Ответ: сила тока равна 3 А.

Задача 2. Сила постоянного тока равна 0,5 А. Какой заряд пройдёт через сечение проводника за 2 мин? Нужно найти заряд, поэтому выразим его из формулы I = q/t. Перед подстановкой переведём время в секунды, чтобы согласовать единицы.

1. Переведём время: 2 мин = 120 с.
2. Выразим заряд: q = It.
3. Подставим данные: q = 0,5 А · 120 с = 60 Кл.
4. Проверим: ток 0,5 А означает прохождение 0,5 Кл за секунду, поэтому за 120 с проходит вдвое меньше численное значение заряда — 60 Кл.

Ответ: через сечение пройдёт заряд 60 Кл.

Задача 3. Амперметр в неразветвлённой цепи показывает 0,3 А. Сколько электронов проходит через сечение проводника за 10 с? Сначала найдём полный заряд, перенесённый за это время. Затем разделим его на модуль заряда одного электрона, поскольку каждый электрон переносит заряд величиной 1,6 · 10⁻¹⁹ Кл.

1. Найдём полный заряд: q = It = 0,3 А · 10 с = 3 Кл.
2. Разделим его на заряд одного электрона: N = q / (1,6 · 10⁻¹⁹ Кл).
3. Получим N = 3 / (1,6 · 10⁻¹⁹) ≈ 1,875 · 10¹⁹.
4. Округлим результат до двух значащих цифр: примерно 1,9 · 10¹⁹ электронов.

Ответ: через сечение проходит примерно 1,9 · 10¹⁹ электронов.

Типичные ошибки

Считать током любое движение частиц. Частицы в веществе движутся и без тока, но часто беспорядочно. Ошибка возникает из-за того, что слово «движение» принимают за достаточный признак. Проверьте себя: движение должно быть упорядоченным, то есть иметь общее направление.

Путать направление движения электронов с направлением тока. В металле электроны движутся против условного направления тока. Путаница появляется потому, что именно электроны переносят заряд в металлах. Чтобы проверить направление, вспомните, что ток условились направлять так, как двигались бы положительные заряды.

Подставлять минуты в формулу I = q/t без перевода. Если время задано в минутах, а заряд — в кулонах, ответ при прямой подстановке получится неверным в 60 раз. Такая ошибка часто связана с привычкой считать время в удобных бытовых единицах. Перед расчётом переведите минуты в секунды и проверьте, что единицы согласованы.

Включать амперметр параллельно участку цепи. При таком подключении прибор не окажется на пути всего измеряемого тока, а цепь может работать неправильно. Ошибку допускают, путая амперметр с приборами, которые подключают параллельно. Самопроверка проста: амперметр должен быть включён в разрыв цепи, последовательно с участком.

Связь с другими темами

Чтобы разбираться в токе, нужно знать, что электрический заряд бывает положительным и отрицательным и измеряется в кулонах. Эти знания помогают понимать, какие частицы переносят заряд и почему их движение создаёт ток. Далее понятие тока понадобится при изучении электрических цепей, напряжения, сопротивления и закона Ома. Так формула I = q/t станет основой для понимания более сложных расчётов в цепях.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Для возникновения тока нужны свободные заряженные частицы и электрическое поле.
• Постоянный ток не меняет со временем ни силы, ни направления.
• Сила тока I = q/t показывает, какой заряд проходит за единицу времени.
• Единица силы тока — ампер.
• Амперметр включают в цепь последовательно.
• В металлическом проводнике электроны движутся против условного направления тока.