Сила тока: что это и как её измерить

Что такое электрический ток

Представим обычный водопроводный кран. Открываем вентиль — бежит вода. Чем больше мы будем поворачивать ручку, тем сильнее станет напор, и тем больше воды будет выливаться из крана за определённое время.

Похожим образом обстоит дело и с электрическим током. Только вместо крана — проводник, молекулы воды — заряженные частицы, напор — напряжение, а расход воды — сила тока.

Чтобы заряженные частицы начали двигаться, нужен источник энергии — например, батарейка или розетка. Она «толкает» заряды, заставляя их двигаться по цепи, как насос гонит воду по трубам.

Электрический ток — это направленное движение частиц, обладающих электрическим зарядом.

Эти частицы могут быть электронами, ионами или другими заряженными элементами, в зависимости от типа вещества.

<<Сноска | Как подготовиться к аттестации по физике на отлично | https://externat.foxford.ru/polezno-znat/attestation-physics>>

Что такое сила тока 

Сила тока — это отношение электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения.

Сила тока в физике отражает интенсивность движения заряженных частиц в электрической цепи. Чем больше зарядов проходит за короткий промежуток времени, тем выше сила тока.

Измерение силы тока позволяет:

• оценить, сколько электроэнергии потребляет прибор и оптимизировать энергозатраты;
• защитить прибор от перегрузок, перегреву проводов, короткому замыканию и даже пожару — для этого устанавливаются предохранители или автоматические выключатели;
• контролировать, насколько правильно работает электрическое устройство.

<<Баннер | Летний клуб Фоксфорда. Онлайн-занятия и розыгрыш обучения в Домашней школе | https://holidays.foxford.ru/>>

Формула силы тока

Сила тока (I) вычисляется по формуле:

I = q/t

где:

q — заряд (в кулонах, Кл);

t — время прохождения (в секундах, с).

В Международной системе единиц (СИ) единица измерения силы тока — ампер (A). Она названа в честь Андре-Мари Ампера — французского физика, который совершил несколько важных открытий, связанных с электричеством.

Один ампер — это сила тока, при которой за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит заряд, равный одному кулону, то есть заряд чуть больше, чем шести квинтиллионов (миллиард миллиардов) электронов. Чтобы понять, ампер — много это или мало, обратимся к фактам.

Ток силой в 0,05 ампер вызывает неприятные ощущения, а ток в 0,1 ампер может убить человека за несколько секунд. В светодиодных лампочках течёт ток в 0,02 ампер, мобильный телефон при максимальной нагрузке потребляет до 0,5 ампер, автомобильный аккумулятор способен выдавать несколько сотен ампер, а ток в молнии достигает 200 тысяч ампер. 

Подписывайтесь на телеграм-канал Домашней школы Фоксфорда — здесь мы каждый день публикуем полезные посты о лайфхаках обучения, тайм-менеджменте, развитии и поддержке школьников, а ещё делимся бесплатными материалами и шпаргалками.

Из чего состоит электрическая цепь 

Электрическая цепь состоит из нескольких основных компонентов, каждый из которых выполняет свою роль в передаче и использовании электрической энергии.

Главное условие существования цепи — её замкнутость, то есть наличие непрерывного пути для движения электрических зарядов от источника по внешним элементам и обратно к источнику.

Источники тока

Обеспечивает движение электрических зарядов, создавая напряжение.

Примеры: батарейка, аккумулятор, генератор.

Проводники

Это материалы, по которым перемещаются заряды от одного элемента цепи к другому.

Потребитель

Устройство, которое использует электрическую энергию для работы — например, лампочка, мотор или телевизор.

Коммутационные элементы

Компоненты, которые управляют работой цепи — это выключатели, переключатели и кнопки. Они позволяют разрывать или замыкать цепь по необходимости.

Защитные устройства

Иногда в цепь включают предохранители, автоматические выключатели или стабилизаторы, чтобы защитить систему от перегрузок или короткого замыкания.

Измерительные приборы

В электрических цепях применяются разнообразные измерительные устройства для контроля различных характеристик:

• амперметры, измеряющие силу тока;
• вольтметры, предназначенные для определения напряжения;
• ваттметры, показывающие мощность;
• омметры, используемые для замера сопротивления;
• мультиметры — универсальные приборы, совмещающие функции нескольких измерителей.

<<Форма демодоступа>>

Сила тока и сопротивление

Как усилить поток воды из шланга? Можно добавить напор (увеличить давление), но не слишком сильно, иначе шланг разорвёт. А можно взять шланг большего диаметра. 

То же справедливо и для проводника: чем больше он в сечении, тем больший поток электронов может пропустить. Но если сила тока окажется слишком большой, проводник перегреется и сгорит.

Именно так работают плавкие предохранители в электронных приборах: при резком скачке силы тока тонкий проводок перегорает, и устройство отключается от сети.

Чем короче и шире шланг, тем большее количество воды он способен пропустить за единицу времени. Также и с электричеством: сила тока, проходящего через проводник за секунду, зависит от сопротивления проводника. Только кроме длины и площади сечения на сопротивление влияет материал, из которого проводник сделан. 

Сопротивление измеряется в омах. Проводник обладает сопротивлением в 1 ом, если на его концах возникает напряжение в 1 вольт при силе тока в 1 ампер.

<<Форма семейного образования>> 

Проводники и диэлектрики

Вещества с низким удельным сопротивлением называются проводниками, они проводят электричество наиболее эффективно. Вещества с высоким удельным сопротивлением называют диэлектриками — их можно использовать в качестве изоляторов. Среднее положение занимают полупроводники — они проводят электричество, но не так хорошо как проводники. 

Проводники

Это материалы, через которые электрический ток может проходить свободно. Это происходит потому, что в их структуре есть свободные электроны, способные перемещаться под действием электрического поля.

Наиболее распространённые проводники — это металлы: медь, алюминий, серебро, золото. Именно их используют в проводах и электрических цепях. Хорошая проводимость у этих веществ объясняется подвижностью электронов в кристаллической решётке металла.

Диэлектрики

Диэлектрики (изоляторы) — это вещества, которые не проводят электрический ток, так как в них нет свободных зарядов. Электроны в атомах диэлектриков прочно связаны с ядрами и не могут перемещаться.

Примеры диэлектриков: резина, стекло, фарфор, пластик, сухое дерево, воздух. Эти материалы используются для изоляции проводов и защиты от поражения током.

Направление тока

Исторически сложилось, что ток считают направленным от положительного полюса источника питания к отрицательному. Это соглашение возникло ещё до открытия электрона и его реальных свойств.

Фактически же в металлических проводниках ток создаётся движением отрицательно заряженных электронов, которые перемещаются от минуса к плюсу. Однако условное направление осталось, и именно его используют в схемах, расчетах и технической документации.

Важно понимать, что в разных средах ток может быть вызван перемещением разных зарядов. Например, в электролитах движение происходит как положительных, так и отрицательных ионов, а в вакууме или полупроводниках — за счёт электронов или дырок.

Таким образом, направление тока — это не физический вектор движения частиц, а согласованная система отсчёта, необходимая для единого понимания процессов в электрических цепях.

Как измерить силу постоянного тока 

Существует специальный прибор для измерения силы тока — амперметр. Он подключается последовательно к проводнику, в котором нужно измерить силу тока. Для этого один из концов нужного проводника отсоединяют от электрической цепи и в получившийся разрыв включают амперметр с помощью двух клемм — со знаками «+» и «−». Клемму со знаком «+» подключают к точке разрыва, которая сохранила связь с положительным полюсом источника тока. 

Поскольку сила тока на всех последовательных участках цепи одинакова (он нигде не «застаивается»), амперметр можно включать как до потребителя тока, так и после.

<<Сноска | Закон силы трения: объясняем сложную тему простыми словами | https://externat.foxford.ru/polezno-znat/wiki-fizika-sily-treniya>>

Существует много разных видов амперметров, различающихся по принципу действия: электромагнитные, магнитоэлектрические, электродинамические, тепловые и индукционные. Проще всего устроен тепловой амперметр. Между двумя зажимами натянута проволока, соединённая нитью с пружиной. Нить охватывает петлёй неподвижную ось со стрелкой. Когда к зажимам подаётся ток, он проходит через проволоку и нагревает её. Нагретая проволока становится немного длиннее, из-за этого нить сильнее оттягивается пружиной. При движении нить поворачивает ось, и стрелка на ней показывает, чему равна сила тока. Современные электрики пользуются мультиметрами — приборами, которые позволяют измерить и силу тока, и напряжение, и сопротивление.

<<Выводы>>

• в Международной системе единиц (СИ) сила тока обозначается буквой I и измеряется в амперах (А);
• формула силы тока равна I = q/t, где q — заряд (Кл), а t — время прохождения (с);
• сила тока показывает количество электрического заряда, проходящего через проводник за единицу времени;
• измерение силы тока осуществляется с помощью прибора, называемого амперметром.