§ 50. Сила тока. Амперметр

Определения и обозначения

Сила тока I — физическая величина, равная отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения. Формула: I = q/t, где q — заряд, а t — время. Она помогает сравнить, насколько быстро переносится заряд в разных проводниках или цепях. Чем больше заряд проходит за одинаковое время, тем больше сила тока.

Ампер — единица измерения силы тока в системе СИ. Сила тока равна 1 А, если за 1 с через сечение проводника проходит заряд 1 Кл; это можно записать как 1 А = 1 Кл/с. Ампер позволяет выражать ток одним числом и сравнивать результаты измерений. Кулон при этом является единицей заряда, а не силы тока.

Амперметр — прибор для измерения силы тока в электрической цепи. На его шкале или дисплее указаны значения тока, а клеммы служат для соединения с проводами. С помощью амперметра можно проверить силу тока в цепи или на отдельном её участке. Перед измерением нужно выяснить, какой предел прибора подходит для ожидаемого значения.

Последовательное включение — способ подключения амперметра, при котором через прибор проходит тот же ток, что и через исследуемый участок цепи. Для этого цепь размыкают и вставляют амперметр в получившийся промежуток. Тогда показание прибора относится к току на этом участке. Такое соединение отличает способ подключения амперметра от подключения вольтметра.

Как это устроено

Электрический ток связан с движением заряженных частиц, поэтому его можно описать количеством переносимого заряда. Если через сечение за короткое время проходит много заряда, перенос идёт интенсивнее; если тот же заряд проходит медленнее, интенсивность меньше. Именно поэтому сила тока определяется отношением заряда ко времени: I = q/t. Формула позволяет сравнивать разные случаи, даже если отличаются и заряд, и время.

Если время прохождения не меняется, увеличение заряда приводит к увеличению силы тока: через сечение за каждую секунду переносится больше заряда. Если заряд остаётся тем же, но время увеличивается, сила тока уменьшается, поскольку этот заряд распределяется на более долгий промежуток. Например, один и тот же заряд, прошедший за 2 с, соответствует большему току, чем прошедший за 4 с. Это следует из деления q на t, а не из отдельного правила.

В неразветвлённой цепи нет мест, где ток мог бы разделиться на несколько потоков. Поэтому за один и тот же промежуток времени через любое поперечное сечение последовательных участков проходит одинаковый заряд. По формуле I = q/t это означает одинаковую силу тока на всех участках такой цепи. Если цепь разветвляется, заряды могут распределяться по ветвям, и это простое рассуждение для отдельных участков уже не применяется.

В амперметре есть измерительный механизм, который реагирует на проходящий через прибор ток, и шкала, по которой определяют результат. Клеммы соединяют прибор с электрической цепью, а обозначенные пределы показывают наибольший ток, который можно измерить в выбранном режиме. У цифрового прибора значение отображается на экране, но клеммы и предел измерения также нужно учитывать. Чем меньше выбранный предел при допустимом токе, тем точнее обычно можно отсчитать небольшое значение.

Амперметр включают последовательно, чтобы через его механизм проходил ток исследуемого участка; параллельное подключение может создать короткое замыкание из-за малого сопротивления прибора. Полярность соблюдают, соединяя клемму «+» со стороной цепи, обращённой к положительному полюсу источника. Если ток неизвестен, сначала выбирают больший предел, чтобы не перегрузить прибор. Перед изменением соединений или предела цепь отключают, а затем подключают прибор заново.

Сила тока и её измерение

Сначала определите, какую величину нужно найти, и выберите подходящую формулу из таблицы. Проверьте единицы: заряд — в кулонах, время — в секундах, сила тока — в амперах. Для измерения сверяйтесь с правилом подключения и пределом амперметра.

Разбор задач

Задача 1

Через поперечное сечение проводника за 20 с прошёл заряд 60 Кл. Определите силу тока. Нужно узнать, какой заряд проходит за одну секунду, поэтому используем формулу силы тока. Данные уже выражены в кулонах и секундах, перевод единиц не требуется.

1. Записываем данные: q = 60 Кл, t = 20 с.
2. Подставляем их в формулу: I = q/t = 60 Кл/20 с.
3. Выполняем деление: I = 3 Кл/с = 3 А.

Ответ: сила тока равна 3 А. Проверка смысла результата: если за 20 секунд проходит 60 Кл, то за одну секунду проходит 3 Кл. Это соответствует определению ампера.

Задача 2

Сила тока в цепи равна 0,4 А. Какой заряд пройдёт через проводник за 3 мин? Здесь известны сила тока и время, а требуется заряд. Из формулы I = q/t выражаем q и получаем q = It; время сначала нужно представить в секундах.

1. Записываем данные: I = 0,4 А, t = 3 мин.
2. Переводим время: 3 мин = 3 · 60 с = 180 с.
3. Вычисляем заряд: q = It = 0,4 А · 180 с = 72 Кл.

Ответ: через проводник пройдёт заряд 72 Кл. Единицы согласуются: ампер равен кулону в секунду, поэтому при умножении ампер на секунды получаются кулоны. Если не перевести минуты, результат окажется меньше правильного в 60 раз.

Задача 3

Нужно измерить ток в цепи с источником, лампой и ключом. У амперметра есть пределы 0,3 А и 3 А, ожидаемая сила тока около 0,2 А. Меньший предел подходит по величине и позволит точнее измерить этот ток, но подключать прибор нужно с соблюдением порядка действий. Для работы с реальной цепью следуют правилам безопасности и указаниям учителя.

1. Отключаем цепь и выбираем предел 0,3 А: ожидаемые 0,2 А меньше этого предела.
2. Размыкаем цепь и вставляем амперметр последовательно, например между источником и лампой.
3. Соединяем клемму «+» амперметра со стороной, обращённой к положительному полюсу источника, а клемму «−» — к другой стороне.
4. Проверяем соединения и только затем замыкаем ключ, чтобы снять показания.

Ответ: амперметр включают последовательно с лампой, соблюдая полярность; выбирают предел 0,3 А. Если примерная сила тока неизвестна, начинают с наибольшего предела, а переходят на меньший только после отключения цепи. Так прибор защищают от перегрузки и получают подходящую точность.

Типичные ошибки

Амперметр иногда подключают параллельно лампе, путая его с вольтметром. При параллельном соединении ток может пойти через прибор с очень малым сопротивлением, что создаёт риск короткого замыкания. Проверь себя: амперметр должен находиться в разрыве цепи, чтобы ток проходил через него по пути к исследуемому участку. Если прибор соединён с обоими выводами лампы, схема выбрана неверно.

Другая ошибка — измерять силу тока в кулонах. Кулон показывает электрический заряд, а силу тока измеряют в амперах, потому что она характеризует заряд за единицу времени. Проверь обозначение в ответе и сопоставь его с вопросом задачи. Если требуется I, единица результата должна быть А.

Можно перепутать формулу и записать I = t/q вместо I = q/t. Тогда результат не будет показывать заряд, проходящий за единицу времени. Ещё одна причина неверного ответа — оставить время в минутах, хотя расчёт ведётся в СИ. Перед вычислением проверь формулу и переведи время в секунды, если оно дано в минутах или часах.

Опасно сразу выбирать малый предел при неизвестном токе или менять соединения, пока цепь замкнута. Малый предел может быть превышен, а изменение схемы под током небезопасно. Проверь себя: при неизвестном токе начни с большего предела, отключи цепь перед переключением и только потом снова замкни её для измерения. Полярность тоже проверь до включения.

Связь с другими темами

Чтобы разобраться с силой тока, нужно знать, что такое электрический заряд, электрический ток и замкнутая электрическая цепь. Для расчётов также пригодится перевод единиц времени в секунды и понимание отношений величин. Позже сила тока будет использоваться вместе с напряжением и сопротивлением при изучении закона Ома. Измерение амперметром нужно в лабораторных работах и при расчёте параметров электрических цепей.

Что запомнить

• Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.
• Формула силы тока: I = q/t.
• Единица силы тока в СИ — ампер (А).
• Амперметр измеряет силу тока.
• Амперметр включают последовательно с участком цепи.
• При подключении амперметра соблюдают полярность и выбирают подходящий предел измерения.