§2. Сила тока

Определения и обозначения

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах ток создают свободные электроны, в электролитах — положительные и отрицательные ионы, а в газах — ионы и электроны. Это определение помогает отличить ток от любого движения частиц: необходим именно направленный перенос заряда.

Сила тока I — физическая величина, характеризующая скорость переноса заряда через поперечное сечение проводника. Поперечное сечение — воображаемая площадка, мысленно проведённая поперёк проводника. Сила тока позволяет сравнивать, сколько заряда переносится в разных цепях за одинаковое время.

Для постоянного тока используют формулу I = Δq/Δt. Здесь Δq — заряд, прошедший через поперечное сечение за промежуток времени Δt; символ Δ означает изменение или конечный промежуток. Формула применима, когда сила тока остаётся постоянной на всём этом промежутке, и позволяет найти ток по заряду и времени.

Единица силы тока в СИ — ампер, обозначение А: 1 А = 1 Кл/с. Кулон (Кл) — единица электрического заряда. Если ток равен 1 А, то за одну секунду через поперечное сечение проходит заряд 1 Кл; это равенство удобно для проверки единиц в расчётах.

Как это устроено

Для возникновения тока нужны свободные носители заряда и электрическое поле. Свободные частицы могут перемещаться внутри вещества, а поле действует на них электрической силой и задаёт преимущественное направление движения. Если носителей нет или поле не создаёт их направленного перемещения, устойчивого переноса заряда через проводник не возникает.

Носители вещества постоянно совершают хаотическое тепловое движение, но оно само по себе не образует электрический ток. В беспорядочном движении частицы пересекают сечение в разных направлениях, и их переносы в среднем компенсируют друг друга. Электрическое поле добавляет к этому движению направленную составляющую, поэтому через сечение появляется ненулевой суммарный перенос заряда.

Сила тока определяется тем, сколько заряда проходит через выбранное поперечное сечение за единицу времени. Если за одинаковый промежуток через одно сечение проходит больший заряд, перенос идёт интенсивнее и ток сильнее. Поэтому при постоянном токе отношение заряда к времени задаёт его величину: I = Δq/Δt.

При постоянном токе за равные промежутки времени через сечение проходят равные заряды, и формула I = Δq/Δt даёт одно и то же значение. При переменном токе перенос меняется со временем, поэтому сила тока тоже может изменяться. Мгновенное значение — это сила тока в конкретный момент; чтобы описать переменный ток полностью, нужно учитывать, как его значение меняется со временем.

Направление тока условно принимают совпадающим с направлением движения положительных зарядов. Такое соглашение сохраняется и тогда, когда реальные носители имеют отрицательный заряд. В металлическом проводнике электроны отрицательны, поэтому движутся против условного направления тока; в электролитах направления движения положительных и отрицательных ионов учитываются вместе при определении тока.

Основные характеристики силы тока

Таблица помогает быстро выбрать обозначение, формулу и единицы для задачи. Перед вычислением проверьте, что заряд выражен в кулонах, а время — в секундах. Направление условного тока определяют по положительным зарядам, даже если в проводнике движутся электроны.

Разбор задач

Задача 1. За 2 мин через поперечное сечение проводника прошёл заряд 240 Кл. Найти силу постоянного тока. Сначала приводим время к секундам, потому что ампер связан с кулоном в секунду. Затем используем формулу I = Δq/Δt.

1. Переведём время: Δt = 2 · 60 = 120 с. Это позволяет подставить величины в согласованных единицах СИ.

2. Подставим данные: I = 240 Кл/120 с = 2 А. Полученное значение показывает, что за каждую секунду проходит 2 Кл заряда.

Ответ: сила тока равна 2 А.

Задача 2. Сила тока в проводнике равна 0,5 А. Какой заряд пройдёт через его поперечное сечение за 3 мин? Здесь известны ток и время, поэтому из определения выразим заряд: Δq = IΔt. Минуты сначала нужно перевести в секунды.

1. Переведём время: Δt = 3 · 60 = 180 с. Теперь его можно сочетать с амперами, поскольку 1 А = 1 Кл/с.

2. Найдём заряд: Δq = 0,5 А · 180 с = 90 Кл. Секунды сокращаются, и результат получается в кулонах.

Ответ: через сечение пройдёт заряд 90 Кл.

Задача 3. Через сечение проводника за одинаковые промежутки времени проходят заряды 6 Кл, 12 Кл и 18 Кл. Сравнить силы тока и определить, где перенос заряда происходил быстрее. Время во всех случаях одинаково, значит, сравнить значения Δq/Δt можно по одним только зарядам. Чем больше заряд за тот же промежуток, тем больше ток.

1. Сопоставим заряды: 6 Кл < 12 Кл < 18 Кл. При одинаковом Δt отношение заряда ко времени возрастает в той же последовательности.

2. Следовательно, I₁ < I₂ < I₃. Наибольшая сила тока соответствует переносу 18 Кл: через сечение за то же время проходит больше заряда.

Ответ: сила тока наибольшая для 18 Кл, наименьшая — для 6 Кл; быстрее всего заряд переносился в первом по величине тока случае, то есть при 18 Кл.

Типичные ошибки

• Считать током любое движение заряженных частиц. Так путают ток с тепловым движением, потому что и то и другое связано с движением частиц. Проверьте себя: должно быть указано упорядоченное движение и направленный перенос заряда.

• Подставлять минуты в формулу, когда заряд дан в кулонах. Ошибка возникает из-за привычки сразу использовать числа из условия, хотя единица ампера — кулон в секунду. Переведите время в секунды и проверьте, что единицы дают Кл/с.

• Считать направление электронов направлением тока в металле. Электроны несут отрицательный заряд, а условное направление определено по движению положительных зарядов. Для проверки нарисуйте стрелку движения электронов и направьте стрелку тока в противоположную сторону.

• Принимать силу тока за скорость отдельного носителя. Это происходит из-за слов «скорость переноса», но сила тока относится к суммарному заряду, пересекающему сечение за время. Проверьте смысл: величина I показывает отношение Δq к Δt, а не скорость одной частицы.

Связь с другими темами

Для понимания тока нужны представления об электрическом заряде, знаках положительных и отрицательных зарядов и свободных носителях. Также важно знать, что электрическое поле действует на заряженные частицы и может вызывать их направленное движение. Дальше понятие силы тока используется при изучении закона Ома для участка цепи, работы с амперметром и расчёта электрической мощности. Эти темы позволяют связывать ток с другими характеристиками цепи и измерять его на практике.

Что запомнить

• Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц.
• Сила тока обозначается I.
• Для постоянного тока I = Δq/Δt.
• 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 противоположно условному направлению тока.