§11. Сила тока и напряжение

Определения и обозначения

Сила тока I — физическая величина, равная отношению электрического заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени t его прохождения: I = q/t. Она показывает, сколько заряда проходит за одну секунду, поэтому позволяет сравнивать токи не только по количеству заряда, но и по скорости его переноса.

Напряжение U — физическая величина, равная отношению работы A электрического поля по перемещению заряда к величине этого заряда: U = A/q. Напряжение показывает, какую работу поле совершает при перемещении единичного заряда, поэтому по нему судят о способности поля передавать энергию зарядам.

Ампер — единица силы тока. Ток равен 1 А, если за 1 с через поперечное сечение проводника проходит заряд 1 Кл. Это определение связывает единицу с формулой I = q/t и помогает проверять единицы в задачах.

Вольт — единица напряжения. Напряжение равно 1 В, если при перемещении заряда 1 Кл электрическое поле совершает работу 1 Дж. Поэтому из формулы U = A/q следует: 1 В = 1 Дж/Кл.

Как это устроено

Одного прошедшего заряда недостаточно, чтобы охарактеризовать ток: одинаковый заряд может пройти за разные промежутки времени. Чем меньше время переноса того же заряда, тем ток сильнее. Поэтому в определение вводят отношение I = q/t, то есть сравнивают заряд с длительностью его прохождения.

Направление тока условно связывают с движением положительных зарядов от более высокого потенциала к более низкому во внешней цепи. В металлическом проводнике подвижными носителями заряда являются электроны, имеющие отрицательный заряд. Поэтому электроны движутся противоположно принятому направлению тока, но расчёты и схемы используют именно условное направление.

Электрическое поле действует на заряды и перемещает их, совершая работу. Если одна и та же работа приходится на больший заряд, работа на единичный заряд меньше, поэтому напряжение ниже. Отсюда получается формула U = A/q: напряжение характеризует не всю работу, а её величину в расчёте на один кулон.

Амперметр измеряет силу тока, то есть заряд, проходящий через участок за время. Чтобы через прибор проходил тот же зарядный поток, что и через исследуемый участок, амперметр включают последовательно. Его внутреннее сопротивление очень мало, поэтому такое подключение почти не меняет ток.

Вольтметр определяет работу поля на единицу заряда между двумя точками цепи. Для сравнения потенциалов его соединяют с двумя концами нужного участка, то есть параллельно ему. Большое сопротивление вольтметра делает ток через прибор очень маленьким и почти не влияет на работу основной цепи.

Сила тока и напряжение

В таблице сначала найдите нужную физическую величину и её обозначение, затем выберите формулу и единицу измерения. Последние два столбца помогают правильно подключить прибор к электрической цепи. Нельзя менять местами способы подключения: каждый прибор предназначен для своей величины.

Разбор задач

Задача 1

Условие: через поперечное сечение проводника за 20 с прошёл заряд 60 Кл. Найдём силу тока.

1. Используем определение силы тока: I = q/t.
2. Подставим известные значения: I = 60 Кл/20 с = 3 Кл/с.
3. Так как 1 Кл/с = 1 А, получаем I = 3 А.

Ответ: сила тока равна 3 А.

Задача 2

Условие: при перемещении заряда 5 Кл электрическое поле совершило работу 100 Дж. Требуется найти напряжение.

1. Запишем формулу напряжения: U = A/q.
2. Подставим данные: U = 100 Дж/5 Кл = 20 Дж/Кл.
3. Единица Дж/Кл равна вольту, поэтому U = 20 В.

Ответ: напряжение равно 20 В.

Задача 3

Условие: амперметр показывает 0,4 А, вольтметр на лампе — 6 В. Нужно определить заряд, прошедший через лампу за 2 мин, и работу поля.

1. Переведём время в секунды: t = 2 мин = 120 с.
2. Из формулы I = q/t выразим заряд: q = It = 0,4 А · 120 с = 48 Кл.
3. Работу найдём из U = A/q: A = Uq = 6 В · 48 Кл = 288 Дж.

Ответ: через лампу прошёл заряд 48 Кл, работа электрического поля равна 288 Дж.

Типичные ошибки

Путают силу тока с зарядом. Заряд — это количество электричества, а сила тока показывает скорость его прохождения. Проверьте себя вопросом: указано ли, за какое время прошёл заряд?

Меняют местами величины в формулах. Из определений следует I = q/t и U = A/q, а не обратные отношения. Полезно проверить смысл: при увеличении времени при том же заряде сила тока должна уменьшаться.

Неправильно подключают приборы. Амперметр включают последовательно, потому что измеряют ток через участок, а вольтметр — параллельно, потому что сравнивают напряжение на его концах. Перед замыканием цепи проверьте обозначение прибора и схему подключения.

Не переводят единицы. Минуты нужно заменить секундами, миллиамперы — амперами, а миллисекунды — секундами, если расчёт ведётся в СИ. После вычисления проверьте, согласуются ли единицы с искомой величиной.

Связь с другими темами

Для изучения силы тока и напряжения нужны понятия электрического заряда, электрического тока, электрической цепи и работы электрического поля. Без них невозможно понять, что именно измеряют формулы и приборы.

Эти величины необходимы для закона Ома, который связывает силу тока с напряжением и сопротивлением. С его помощью рассчитывают параметры различных участков цепи.

Знания применяют при расчёте электрических цепей, выборе амперметра или вольтметра, а также при изучении последовательного и параллельного соединения проводников.

Что запомнить

• Сила тока показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени.
• Сила тока вычисляется по формуле I = q/t.
• Единица силы тока — ампер.
• Напряжение показывает работу электрического поля по перемещению единичного заряда.
• Напряжение вычисляется по формуле U = A/q.
• Амперметр включают последовательно, а вольтметр — параллельно.
• Единица напряжения — вольт.