"Физика", Кривченко И.В.
Постоянный электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц, которое возникает в проводнике под действием электрического поля. Чтобы ток не прекращался, нужны свободные заряды и источник, поддерживающий разность потенциалов. Ток характеризуют силой тока, напряжением и сопротивлением. Эти величины связаны законом Ома и помогают описывать работу электрической цепи, рассчитывать её параметры и правильно подключать измерительные приборы.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах заряд переносят электроны, в растворах и расплавах — положительные и отрицательные ионы, а в газах ток могут создавать ионы и электроны. Это понятие помогает определить, когда движение частиц становится именно током, а не случайным беспорядочным движением.
Сила тока I — физическая величина, равная заряду q, проходящему через поперечное сечение проводника за время t: I = q/t. Её единица — ампер (А). Сила тока показывает, сколько заряда проходит через проводник за определённое время, и позволяет сравнивать токи в разных цепях.
Напряжение U показывает работу A, которую электрическое поле совершает при перемещении единичного заряда: U = A/q. Единица напряжения — вольт (В). Эта величина помогает оценить, сколько энергии поле передаёт каждому кулону заряда на участке цепи.
Электрическое сопротивление R — характеристика проводника, описывающая его противодействие электрическому току. Сопротивление измеряют в омах (Ом). Оно нужно, чтобы учитывать, насколько трудно зарядам проходить через проводник и как при данном напряжении изменится сила тока.
В веществе могут находиться заряженные частицы, но этого недостаточно для появления тока: без общего направления их движения они перемещаются беспорядочно. Ток возникает, когда свободные заряженные частицы начинают двигаться упорядоченно. Электрическое поле действует на заряды и направляет их движение, поэтому наличие свободных зарядов и поля — два необходимых условия.
Источник тока разделяет заряды и поддерживает между своими полюсами разность потенциалов, то есть создаёт напряжение. Разделённые заряды формируют электрическое поле в соединённой цепи, а поле действует на заряды проводника. Когда цепь замкнута, у зарядов появляется непрерывный путь, поэтому их направленное движение может поддерживаться, пока работает источник.
В металле часть электронов может перемещаться между атомами, поэтому именно эти свободные электроны переносят заряд. Если включить источник, электрическое поле начинает направлять их движение. Исторически направление тока определили как направление движения положительных зарядов; поэтому в металлическом проводнике условное направление тока противоположно движению электронов.
Сила тока зависит от количества заряда, прошедшего через сечение проводника, и от времени наблюдения: I = q/t. Чем больший заряд проходит за ту же секунду, тем больше сила тока. Амперметр измеряет эту величину, поэтому его включают последовательно: тогда через прибор проходит тот же ток, что и через рассматриваемый участок.
Напряжение показывает работу поля на единицу заряда, а измеряют его вольтметром. Чтобы сравнить электрические состояния концов участка и определить напряжение между ними, вольтметр подключают параллельно этому участку. Сопротивление проводника при неизменных условиях связывает напряжение и силу тока: закон Ома записывается как I = U/R. Значит, при одном и том же сопротивлении увеличение напряжения приводит к увеличению силы тока.
| Величина | Обозначение | Формула или связь | Единица СИ | Измерительный прибор и способ включения |
|---|---|---|---|---|
| Электрический заряд | q | q = It | Кулон (Кл) | Отдельно обычно не измеряют; находят по силе тока и времени |
| Сила тока | I | I = q/t | Ампер (А) | Амперметр, последовательно |
| Напряжение | U | U = A/q; U = IR | Вольт (В) | Вольтметр, параллельно участку |
| Сопротивление | R | R = U/I | Ом (Ом) | Омметр подключают к обесточенному участку |
Сначала определите, какую величину требуется найти, а затем найдите для неё формулу и единицу измерения в таблице. Если задача относится к участку цепи, можно использовать связи из закона Ома, но перед расчётом проверьте единицы данных. Для измерений в собранной цепи соблюдайте способ подключения амперметра и вольтметра.
Через поперечное сечение проводника за 4 с прошёл заряд 12 Кл. Найдём силу тока. Здесь известны заряд и время, поэтому подходит определение силы тока: оно показывает, какой заряд проходит за каждую секунду.
Ответ: сила тока равна 3 А. Проверка единиц подтверждает результат: кулоны, разделённые на секунды, дают амперы.
На резисторе напряжение равно 6 В, а сопротивление — 3 Ом. Требуется определить силу тока. Известны напряжение и сопротивление, поэтому применим закон Ома для участка цепи: чем больше напряжение при данном сопротивлении, тем больше сила тока.
Ответ: сила тока в резисторе равна 2 А. Перед подстановкой полезно проверить, что напряжение дано в вольтах, а сопротивление — в омах.
По проводнику сопротивлением 8 Ом течёт ток 0,5 А. Нужно найти напряжение на его концах и заряд, проходящий за 2 минуты. Сначала используем закон Ома, чтобы найти напряжение, затем определение силы тока, выраженное через заряд: q = It. Для второй части особенно важно перевести минуты в секунды.
Ответ: напряжение на концах проводника равно 4 В, за 2 минуты проходит заряд 60 Кл. Заряд получился в кулонах, потому что ампер равен кулону в секунду.
Ошибка — считать, что ток постепенно расходуется, пока проходит по проводнику. Так думают, потому что в электрических приборах действительно передаётся и преобразуется энергия, но заряд в цепи не исчезает. Проверяйте рассуждение: через последовательные участки за одинаковое время проходит один и тот же заряд, а энергия передаётся элементам цепи.
Иногда направление тока принимают за направление движения электронов. Путаница возникает потому, что в металле именно электроны являются подвижными носителями заряда. Чтобы проверить направление, вспомните условность: ток направлен так, как двигались бы положительные заряды, поэтому в металле он противоположен движению электронов.
Нельзя подключать амперметр параллельно участку, а вольтметр — последовательно. Ошибка появляется, если не связать способ включения с измеряемой величиной: амперметру нужно пропускать через себя ток участка, а вольтметру — сравнивать напряжение на его концах. Перед замыканием цепи проверьте: амперметр стоит в разрыве цепи, вольтметр присоединён к двум концам участка.
При использовании закона Ома можно перепутать величины или подставить данные в разных единицах. Часто это происходит из-за попытки запомнить формулу без понимания связи между величинами. Сначала запишите I = U/R, определите, что нужно найти, приведите данные к единицам СИ и проверьте, что результат выражен в амперах.
Для понимания электрического тока нужны знания об электрическом заряде и взаимодействии заряженных тел. Представление о проводниках и диэлектриках помогает объяснить, где заряды могут перемещаться свободно, а где их движение ограничено. Эти понятия связывают изучение электрических явлений с тем, как устроено вещество.
Сила тока, напряжение и сопротивление станут основой для изучения последовательного и параллельного соединения проводников. С их помощью можно рассчитывать электрические цепи и находить неизвестные параметры по данным измерений. Закон Ома помогает выполнять такие расчёты для отдельных участков цепи.
Что именно движется в проводнике, когда по нему течёт ток?
В металлическом проводнике упорядоченно движутся свободные электроны. В других средах заряд могут переносить ионы: например, в растворах электролитов движутся положительные и отрицательные ионы.
Почему направление тока в металлическом проводнике противоположно движению электронов?
Направление тока условились считать таким, как двигались бы положительные заряды. В металле носителями заряда являются отрицательно заряженные электроны, поэтому они движутся в противоположную сторону.
Чем сила тока отличается от напряжения?
Сила тока показывает, какой заряд проходит через сечение проводника за единицу времени. Напряжение показывает работу электрического поля, приходящуюся на единицу заряда.
Как правильно подключить амперметр и вольтметр?
Амперметр включают последовательно с участком цепи, чтобы через него проходил тот же ток, что и через участок. Вольтметр подключают параллельно этому участку, чтобы сравнить электрические состояния его концов.
Что показывает закон Ома и когда его можно применять?
Для участка цепи закон Ома связывает силу тока, напряжение и сопротивление формулой I = U/R. Его применяют, когда известны две из этих величин и условия в проводнике не меняются.
Тема 9. Постоянный электрический ток
