1. Сила тока

Определения и обозначения

Электрический ток — направленное движение заряженных частиц в проводнике. Чтобы ток существовал, в веществе должны быть свободные носители заряда, например электроны, а электрическое поле должно заставлять их двигаться упорядоченно. Кроме того, цепь должна быть замкнутой.

Сила тока — физическая величина, равная отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения. Её обозначают буквой I и находят по формуле I = q/t. Эта величина нужна, чтобы сравнивать не только количество прошедшего заряда, но и скорость его прохождения.

Ампер — единица силы тока в СИ. Запись 1 А означает, что через поперечное сечение проводника за 1 с проходит заряд 1 Кл. Ампер позволяет одинаково измерять ток в разных цепях и сравнивать результаты.

Амперметр — прибор для измерения силы тока. На схемах его обозначают кругом с буквой A и включают последовательно с элементами цепи. Прибор показывает ток именно в том участке, через который проходит весь измеряемый заряд.

Как это устроено

Одного количества заряда недостаточно, чтобы оценить ток. Например, 10 Кл могут пройти за 1 с или за 10 с, но во втором случае движение происходит медленнее. Поэтому сила тока учитывает и заряд, и время его прохождения.

Если за время t через сечение прошёл заряд q, то для нахождения заряда, проходящего за одну секунду, нужно разделить q на t. Так получается формула I = q/t. В ней I измеряется в амперах, q — в кулонах, а t — в секундах.

При последовательном соединении цепь не имеет разветвлений, поэтому один и тот же заряд не может пройти по одному участку и исчезнуть перед другим. За одинаковое время через каждое сечение проходит одинаковое количество заряда. Значит, сила тока на всех участках неразветвлённой цепи одинакова.

При неизменном времени увеличение заряда приводит к увеличению силы тока, потому что I прямо пропорциональна q. Если заряд остаётся тем же, а время увеличивается, сила тока уменьшается: тот же заряд проходит медленнее. Например, увеличение времени в два раза уменьшает ток в два раза.

Амперметр включают последовательно, чтобы через его приборную часть проходил тот же ток, что и через измеряемый элемент. Провод от положительного вывода источника соединяют с клеммой «+» амперметра, а предел выбирают не меньше предполагаемого тока. Если значение неизвестно, начинают с наибольшего предела, чтобы не перегрузить прибор.

Сила тока, заряд, время и измерение тока

В таблице собраны обозначения, единицы и основные действия с величинами. При решении задачи сначала найдите известные данные, приведите их к согласованным единицам, а затем выберите нужную формулу. Правило включения относится только к амперметру: его нельзя подключать к цепи как отдельный параллельный участок.

Разбор задач

Задача 1

Через поперечное сечение проводника за 5 с проходит заряд 10 Кл. Требуется найти силу тока. Все данные уже выражены в единицах СИ, поэтому дополнительный перевод не нужен.

1. Запишем формулу: I = q/t.
2. Подставим значения: I = 10 Кл / 5 с.
3. Выполним деление: I = 2 Кл/с = 2 А.

Ответ: сила тока равна 2 А. Это означает, что за каждую секунду через сечение проходит заряд 2 Кл.

Задача 2

Сила тока в цепи равна 0,3 А, а время прохождения заряда составляет 2 минуты. Нужно определить заряд. Перед использованием формулы минуты переводим в секунды: 2 мин = 120 с.

1. Выразим заряд из формулы I = q/t: q = It.
2. Подставим данные: q = 0,3 А · 120 с.
3. Получим: q = 36 Кл, поскольку 1 А = 1 Кл/с.

Ответ: через проводник пройдёт заряд 36 Кл. Перевод времени был необходим, чтобы единицы соответствовали амперам.

Задача 3

За 4 с через участок цепи проходит заряд 24 Кл. Нужно сравнить найденную силу тока с током 2 А и определить, во сколько раз они отличаются. Сначала вычислим ток на участке, а затем разделим большее значение на меньшее.

1. Найдём силу тока: I = q/t = 24 Кл / 4 с = 6 А.
2. Сравним значения: 6 А больше 2 А.
3. Определим отношение: 6 / 2 = 3.

Ответ: сила тока на участке равна 6 А и в 3 раза больше тока 2 А. Сравнение выполнено для величин, выраженных в одной единице.

Типичные ошибки

Силу тока путают с электрическим зарядом. Заряд — это количество электричества, а ток показывает скорость его прохождения. Проверьте себя: в формуле I = q/t у силы тока обязательно есть деление на время.

Минуты и часы иногда подставляют в формулу без перевода в секунды. Так нарушаются единицы СИ, и ответ получается неверным. Умножьте минуты на 60, а часы — на 3600.

При нахождении заряда или времени формулу преобразуют неправильно. Из I = q/t следуют q = It и t = q/I. Полезно подставить найденную величину обратно в исходную формулу и проверить равенство.

Амперметр подключают параллельно или не учитывают полярность и предел измерения. Параллельное включение может вызвать слишком большой ток, а неверная полярность отклонит стрелку в неправильную сторону. Подключайте прибор последовательно, «+» к «+» и выбирайте безопасный предел.

Связь с другими темами

До изучения силы тока нужно знать, что такое электрический заряд и как устроена электрическая цепь. Источник тока создаёт условия для направленного движения заряженных частиц, а замкнутая цепь обеспечивает их непрерывное движение.

Сила тока связана с законом Ома: для участка цепи она зависит от напряжения и сопротивления. При дальнейшем изучении цепей эта связь поможет объяснять, почему ток изменяется при замене источника или проводника.

Знание силы тока нужно для расчёта работы и мощности электрического тока. Оно также пригодится при изучении последовательного и параллельного соединений, где сравнивают токи на разных участках.

Что запомнить

• Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.
• Основная формула: I = q/t.
• Единица силы тока в СИ — ампер (А).
• 1 А означает прохождение заряда 1 Кл за 1 с.
• Амперметр включают в цепь последовательно.
• В неразветвлённой цепи сила тока одинакова на всех участках.
• При расчётах время и заряд нужно выражать в согласованных единицах.