§1. Электрический ток.

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. Оно отличается от хаотического движения тем, что частицы в среднем перемещаются преимущественно в одном направлении. При хаотическом тепловом движении их перемещения взаимно компенсируются, поэтому оно не создаёт направленного переноса заряда.

Сила тока — физическая величина, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Её обозначают I; для постоянного тока I = q/t, где q — заряд, а t — время его прохождения. Эта величина позволяет сравнивать, насколько интенсивно переносится заряд в разных проводниках или за разные промежутки времени.

Направлением электрического тока условно считают направление движения положительно заряженных частиц. В металлах подвижны главным образом электроны, имеющие отрицательный заряд, поэтому под действием поля они дрейфуют противоположно условному направлению тока. Это соглашение едино для всех проводников, даже если реальные носители заряда в них различаются.

Источник тока — устройство, которое разделяет заряды и поддерживает электрическое поле в цепи. Разделение зарядов не даёт полю исчезнуть сразу после начала их движения. Поэтому источник помогает поддерживать ток длительное время, пока цепь замкнута и сохраняются условия для движения носителей.

Как это устроено

Чтобы возник ток, нужны свободные заряженные частицы и электрическое поле. Свободные носители могут перемещаться внутри вещества, а поле действует на них электрической силой. Без носителей заряда нечему переносить заряд, а без поля их движение обычно остаётся хаотичным и не получает общего направления.

В замкнутой цепи проводники образуют непрерывный путь, а источник поддерживает электрическое поле на его участках. Под действием поля заряды перемещаются по цепи, поэтому перенос заряда не ограничивается отдельным участком. Если цепь разомкнуть, непрерывный путь исчезает: заряды не могут постоянно проходить по всей цепи, и ток прекращается.

В металле часть электронов может перемещаться между атомами и служит носителями тока. Даже без включённого источника эти электроны движутся хаотически из-за теплового движения, сталкиваясь с частицами вещества. При приложении поля к этому движению добавляется небольшой направленный дрейф, который и создаёт результирующий перенос заряда.

Знак заряда носителей объясняет разницу между движением электронов и направлением тока. Условное направление выбрали как направление, в котором двигались бы положительные заряды под действием поля. Электроны отрицательны, поэтому электрическая сила направляет их в противоположную сторону; соглашение о направлении тока при этом остаётся прежним.

Сила тока характеризует скорость переноса заряда: при одинаковом времени большему заряду соответствует больший ток. Например, если за одну секунду проходит один кулон, сила тока равна одному амперу. Следовательно, 1 А = 1 Кл/с, а значение силы тока показывает, сколько кулонов проходит через сечение проводника за секунду.

Основные величины и обозначения при описании электрического тока

Сначала определите, какая величина известна и какую нужно найти, затем выберите подходящую запись: I = q/t или q = It. Проверяйте единицы: заряд берут в кулонах, время — в секундах, а силу тока получают в амперах. Таблица помогает не путать обозначения величин при подстановке в формулу.

Разбор задач

Заряд 10 Кл проходит за 5 с

За 5 с через поперечное сечение проводника прошёл заряд 10 Кл. Нужно найти силу тока. Поскольку в условии известны заряд и время, используем определение силы тока для постоянного тока.

1. Запишем формулу: I = q/t.
2. Подставим значения: I = 10 Кл / 5 с = 2 Кл/с.
3. Заменим кулон в секунду единицей силы тока: 2 Кл/с = 2 А.

Ответ: сила тока равна 2 А. Проверка смысла результата: за каждую секунду через сечение проходит по 2 Кл, а за 5 с — 10 Кл. Это совпадает с условием.

Ток 0,4 А действует в течение 2 мин

Сила тока в проводнике равна 0,4 А; требуется найти заряд, прошедший за 2 мин. В формуле q = It время должно быть в секундах, поэтому сначала переведём минуты. Это особенно важно, потому что ампер равен кулону в секунду.

1. Переведём время: t = 2 мин = 2 · 60 с = 120 с.
2. Выразим заряд: q = It.
3. Подставим данные: q = 0,4 А · 120 с = 48 Кл.

Ответ: через сечение прошёл заряд 48 Кл. Единицы подтверждают вычисление: А · с = (Кл/с) · с = Кл. Если бы минуты подставили напрямую, результат оказался бы неверным.

Сравнение с током 0,5 А

За 30 с через сечение прошёл заряд 18 Кл. Нужно сравнить полученную силу тока с 0,5 А и определить разность зарядов, которые прошли бы за те же 30 с. Сначала найдём ток по известным заряду и времени, затем рассчитаем заряд для второго значения силы тока.

1. Найдём ток в первом случае: I₁ = q/t = 18 Кл / 30 с = 0,6 А.
2. Сравним токи: 0,6 А больше 0,5 А на 0,1 А.
3. Для тока 0,5 А найдём заряд за 30 с: q₂ = I₂t = 0,5 А · 30 с = 15 Кл.
4. Вычислим разность зарядов: 18 Кл − 15 Кл = 3 Кл.

Ответ: первый ток равен 0,6 А, он больше 0,5 А; за 30 с переносимые заряды различаются на 3 Кл. Проверка: разница сил тока составляет 0,1 А, поэтому за 30 с разница зарядов равна 0,1 А · 30 с = 3 Кл.

Типичные ошибки

Ошибка — считать током любое движение частиц. Её допускают, смешивая движение носителей с направленным переносом заряда; при тепловом движении электроны действительно перемещаются, но хаотически. Проверьте себя: если среднее движение не имеет общего направления, то само по себе оно не образует электрический ток.

Ошибка — путать направление тока с движением электронов в металле. Причина в том, что ток часто связывают с реальным перемещением носителей, хотя его направление принято для положительных зарядов. Для проверки укажите знак заряда: отрицательные электроны дрейфуют против условного направления тока.

Ошибка — подставлять время в минутах, когда заряд задан в кулонах. Формулу I = q/t применяют в согласованных единицах, а единица СИ времени — секунда. Перед расчётом переведите минуты в секунды и проверьте, что деление кулонов на секунды даёт амперы.

Ошибка — считать, что источник создаёт заряды. Заряды уже имеются в проводниках, а источник разделяет их и поддерживает электрическое поле, которое приводит носители в направленное движение. Чтобы проверить ответ, сформулируйте роль источника как поддержание условий для тока, а не производство новых частиц.

Связь с другими темами

Для понимания электрического тока нужны понятия электрического заряда и электрического поля. Заряд является свойством частиц и переносится при их движении, а поле действует на заряженные частицы и задаёт направленность их перемещения. Поэтому эти понятия помогают объяснить и возникновение тока, и роль источника в цепи.

Сила тока понадобится при изучении закона Ома и расчёте электрических цепей: она связывает перенос заряда с работой элементов цепи. Также её используют при рассмотрении действий электрического тока. Умение применять I = q/t и q = It служит основой для решения таких задач.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Для возникновения тока нужны свободные заряженные частицы и электрическое поле.
• В замкнутой цепи источник поддерживает условия для длительного существования тока.
• Сила тока равна отношению заряда к времени: I = q/t.
• Единица силы тока в СИ — ампер; 1 А = 1 Кл/с.
• Условное направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов.
• В металлическом проводнике электроны движутся против условного направления тока.