Электрические величины и их единицы в СИ

Определения и обозначения

Электрический заряд — физическая величина, характеризующая способность тел участвовать в электрических взаимодействиях. Его обозначают q, а единицей СИ служит кулон (Кл). Заряд позволяет описывать, насколько сильно заряженные тела взаимодействуют друг с другом. Его значение понадобится, например, чтобы определить, сколько электричества прошло через проводник.

Сила электрического тока — величина, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Её обозначают I и измеряют в амперах (А). Эта величина показывает, насколько интенсивно движутся заряженные частицы в проводнике. По ней можно сравнивать токи в разных участках цепи.

Электрическое напряжение — работа электрического поля при перемещении заряда, делённая на этот заряд. Обозначение напряжения — U, единица СИ — вольт (В). Напряжение показывает, сколько работы приходится на каждый кулон заряда. Поэтому оно помогает оценить действие электрического поля на заряды в участке цепи.

Электрическое сопротивление характеризует противодействие проводника электрическому току. Его обозначают R и измеряют в омах (Ом). При большем сопротивлении ток при том же напряжении меньше. Сопротивление нужно учитывать, чтобы предсказывать ток в цепи и подбирать подходящие проводники и элементы.

Как это устроено

Электрический ток связан с направленным движением заряженных частиц: когда их перемещения беспорядочны, суммарного переноса заряда в одном направлении нет. Если частицы движутся согласованно, через сечение проводника за время проходит некоторый заряд q. Чтобы сравнивать токи независимо от длительности наблюдения, находят заряд, проходящий за одну секунду. Отсюда следует формула I = q/t, где t — время прохождения заряда.

Поле может совершать работу, перемещая заряд между точками цепи. Но сама работа зависит от того, сколько заряда перемещено: при большем заряде работа может быть больше даже при одинаковых условиях. Поэтому для сравнения действия поля работу A относят к величине заряда q. Так получают напряжение U = A/q: оно показывает работу, приходящуюся на единицу заряда.

В проводнике движению зарядов мешают свойства его материала и строения, которые в целом характеризуются сопротивлением. При неизменном напряжении увеличение сопротивления затрудняет ток, а при одинаковом сопротивлении большему напряжению соответствует больший ток. Для участка цепи эти отношения выражает закон Ома: R = U/I. Формулу можно преобразовать: I = U/R или U = IR, если требуется найти другую величину.

Единицы можно записывать через единицы связанных с ними величин, и это помогает проверять формулы. Из I = q/t следует, что 1 А = 1 Кл/с: кулон делят на секунду. Из U = A/q получаем 1 В = 1 Дж/Кл, а из R = U/I — 1 Ом = 1 В/А. Если единицы в вычислении не согласуются с искомой величиной, стоит проверить формулу и подстановку.

Для измерения тока используют амперметр, напряжения — вольтметр, сопротивления — омметр или мультиметр. Амперметр включают последовательно: тогда через прибор проходит тот же ток, что и через изучаемый участок. Вольтметр подключают параллельно участку, чтобы сравнить электрические состояния его концов и измерить напряжение между ними. Способ подключения важен для правильного измерения и безопасной работы цепи.

Электрические величины и единицы СИ

В таблице сначала найди обозначение нужной величины, а затем посмотри её единицу и определение или формулу. При выборе прибора помни: амперметр измеряет ток, а вольтметр — напряжение. Сопротивление можно измерять омметром при отключённом от цепи участке.

Разбор задач

Задача 1. Через поперечное сечение проводника за 10 с проходит заряд 20 Кл. Найдите силу тока. Известны заряд и время, поэтому используем определение тока: оно связывает именно эти величины. Подставим значения в I = q/t.

1. Запишем данные: q = 20 Кл, t = 10 с.
2. Вычислим ток: I = 20 Кл / 10 с = 2 Кл/с.
3. Так как 1 Кл/с = 1 А, получаем 2 А.

Ответ: сила тока равна 2 А. Перед делением проверили, что время указано в секундах, а заряд — в кулонах. Полученная единица соответствует силе тока.

Задача 2. При перемещении заряда 5 Кл электрическое поле совершило работу 30 Дж. Определите напряжение. Напряжение показывает работу, приходящуюся на единицу заряда, поэтому делим известную работу на заряд. Данные уже выражены в согласованных единицах СИ.

1. Запишем данные: A = 30 Дж, q = 5 Кл.
2. Применим формулу U = A/q: U = 30 Дж / 5 Кл = 6 Дж/Кл.
3. Поскольку 1 Дж/Кл = 1 В, выразим результат в вольтах.

Ответ: напряжение равно 6 В. Деление на заряд принципиально: работа сама по себе не является напряжением. Единица результата подтверждает, что найдено именно напряжение.

Задача 3. К концам проводника сопротивлением 12 Ом приложено напряжение 6 В. Найдите силу тока и заряд, прошедший за 2 мин. Сначала определим ток по закону Ома, а затем воспользуемся связью заряда с током и временем. Перед вычислением заряда нужно перевести минуты в секунды.

1. Дано: R = 12 Ом, U = 6 В, t = 2 мин = 120 с.
2. По закону Ома I = U/R = 6 В / 12 Ом = 0,5 А.
3. Найдём заряд: q = It = 0,5 А · 120 с = 60 Кл, так как 1 А = 1 Кл/с.

Ответ: сила тока равна 0,5 А, прошедший заряд — 60 Кл. Сначала нашли ток, потому что он не был дан напрямую. Перевод времени в секунды обеспечивает правильный результат в кулонах.

Типичные ошибки

• Не смешивай обозначение силы тока I с единицей ампер А: I — символ величины, А — единица измерения. Их путают из-за похожих сокращённых записей. Проверка простая: величину можно записать как I = 2 А, где символ и единица стоят на своих местах.
• Напряжение — не сама работа, а работа, приходящаяся на единицу заряда. Ошибка возникает, когда запоминают только участие работы в определении. Проверь себя по формуле U = A/q и единице 1 В = 1 Дж/Кл.
• Если в задаче время дано в минутах, нельзя подставлять его в секунды без перевода при вычислении q = It. Минуты часто оставляют по невнимательности. Переведи время в секунды и проверь единицы: А · с = Кл.
• Амперметр подключают последовательно, а вольтметр — параллельно участку цепи. Их легко перепутать, потому что оба прибора подключают проводами к цепи. Перед измерением спроси себя, нужно ли пропустить через прибор весь ток участка или сравнить напряжение на его концах.

Связь с другими темами

Для изучения электрических величин понадобятся понятия электрического заряда и электрического поля, а также представление о работе и единицах физических величин. Эти знания помогают понять, откуда берутся формулы тока и напряжения и как проверять расчёты. Далее они используются при изучении электрических цепей и закона Ома. На их основе также рассчитывают работу и мощность электрического тока.

Что запомнить

• Заряд обозначают q и измеряют в кулонах.
• Силу тока обозначают I и измеряют в амперах.
• Напряжение обозначают U и измеряют в вольтах.
• Сопротивление обозначают R и измеряют в омах.
• Сила тока равна заряду, проходящему за единицу времени: I = q/t.
• Напряжение равно работе, приходящейся на единицу заряда: U = A/q.
• Для участка цепи сопротивление связано с напряжением и током формулой R = U/I.