Теория:
Наличие свободных зарядов и электрического поля — это условие для возникновения тока. Количественная характеристика, которая позволяет оценить, насколько интенсивно протекает этот процесс, — сила тока.
Представим себе проводник, по которому движутся заряженные частицы.
Рис. \(1\). Электрический ток
Через поперечное сечение проводника за некоторое время переносится определённый электрический заряд. Чем больший заряд проходит через сечение за единицу времени, тем сильнее действие тока.
Рис. \(2\). Заряженные частицы в проводнике
Сила тока — это скалярная физическая величина, равная отношению электрического заряда \(q\), прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени \(t\), к этому промежутку времени.
\(\boxed{I=\frac{\Delta q}{\Delta t}}\).
Единица измерения силы тока в системе СИ — \([I]=1\) A (ампер).
За единицу силы тока \(1~\)А принимают силу тока, при которой два параллельных проводника длиной \(1 \) м, расположенные на расстоянии \(1 \) м друг от друга в вакууме, взаимодействуют с силой \(0,0000002~ \)Н (рис. \(3\)).
Рис. \(3\). Определение единицы силы тока
Рис. \(4\). Ампер Андре-Мари
(\(1775\)–\(1836\))
А.-М. Ампер ввёл термины: электростатика, электродинамика, соленоид, ЭДС, напряжение, гальванометр, электрический ток.
Ампер — довольно большая сила тока. Например, в электрической сети квартиры через включённую лампочку накаливания мощностью \(100\) Вт проходит ток с силой, приблизительно равной \(0,5~\)А. Ток в электрическом обогревателе может достигать \(10~\)А, а для работы карманного микрокалькулятора достаточно \(0,001~\)А.
Помимо ампера на практике часто применяются и другие (кратные и дольные) единицы силы тока, например миллиампер (мА) и микроампер (мкА):
\(1 \) мA \(= \) \(0,001 \) A, \(1 \) мкA \(= \) \(0,000001 \) A, \(1 \) кA \(= \) \(1000 \) A.
То есть \(1 \) A \(= \) \(1000 \) мA, \(1 \) A \(= \) \(1~000~000 \) мкA, \(1 \) A \(= \) \(0,001 \) кA.
\(1 \) мA \(= \) \(0,001 \) A, \(1 \) мкA \(= \) \(0,000001 \) A, \(1 \) кA \(= \) \(1000 \) A.
То есть \(1 \) A \(= \) \(1000 \) мA, \(1 \) A \(= \) \(1~000~000 \) мкA, \(1 \) A \(= \) \(0,001 \) кA.
Если сила тока не меняется с течением времени, такой ток называют постоянным.
Для измерения силы тока используется прибор, называемый амперметром. Принцип его действия основан на магнитном взаимодействии токов.
В электрической цепи он обозначается так:
Рис. \(5\). Схематичное
изображение
единицы силы тока
Амперметр включают в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить.
Обрати внимание!
Амперметр нельзя подсоединять к источнику тока, если в цепь не подключён потребитель!
Измеряемая сила тока не должна превышать максимально допустимую силу тока для измерения амперметром. Поэтому существуют различные амперметры (рис. \(6\)), где измерительная шкала представлена с использованием кратных и дольных единиц \(1 \) А (миллиампер — мА, микроампер — мкА, килоампер — кА).
Рис. \(6\). Изображение миллиамперметра
За направление электрического тока условно принимают направление движения положительно заряженных частиц. В металлическом проводнике, где носителями заряда являются отрицательно заряженные электроны, направление тока противоположно направлению движения электронов.
О наличии электрического тока в цепи можно судить по его действиям, которые сопровождают его протекание.
О наличии электрического тока в цепи можно судить по его действиям, которые сопровождают его протекание.
1. Тепловое действие: проводник, по которому идёт ток, нагревается. Бытовые электронагревательные приборы работают именно благодаря тепловому действию электрического тока: электрическая плита, чайник, фен, утюг, обогреватель и др.
Рис. \(7\). Электронагревательные приборы
Некоторые электроосветительные приборы также работают на тепловом действии тока:
— лампы накаливания: ток проходит через тонкую вольфрамовую спираль, которая имеет высокое сопротивление. Спираль нагревается до \(2500–3000\) \(°C\) и начинает светиться. Около \(95~\%\) энергии уходит в тепло, и только \(5~\%\) — в видимый свет;
— лампы накаливания: ток проходит через тонкую вольфрамовую спираль, которая имеет высокое сопротивление. Спираль нагревается до \(2500–3000\) \(°C\) и начинает светиться. Около \(95~\%\) энергии уходит в тепло, и только \(5~\%\) — в видимый свет;
— галогенные лампы: внутри колбы находятся пары галогенов — йод, бром, что позволяет повысить температуру спирали и продлить срок службы, но принцип остаётся тепловым.
Рис. \(8\). Электроосветительные приборы
2. Химическое действие: электрический ток может изменять химический состав проводника, например выделять из растворов электролитов составляющие их вещества (это явление называется электролизом). Распространённое применение данного действия тока: батарейки и аккумуляторы.
Рис. \(9\). Устройства, основанные на химическом действии тока
3. Магнитное действие: электрический ток оказывает силовое воздействие на другие токи и на намагниченные тела. Это действие является основным, так как оно проявляется у всех проводников без исключения. Именно на нём основана работа амперметров и электродвигателей.
Рис. \(10\). Устройства, основанные на магнитном действии тока
Чтобы понять, от чего зависит сила тока, рассмотрим цилиндрический проводник площадью поперечного сечения \(S\). Пусть концентрация носителей тока (число частиц в единице объёма) равна \(n\), заряд каждой частицы равен \(q_{0}\), а средняя скорость их упорядоченного движения равна \(\vec{v}\). За время \(Δt\) все частицы, находящиеся на расстоянии, не превышающем \(vΔt\) от сечения, успеют через него пройти.
Рис. \(11\). Движение заряженных частиц
в проводнике
Объём, из которого они придут, равен \(SvΔt\). Общий заряд, перенесённый через сечение за это время:
Подставив это выражение в формулу силы тока, получим:
Из этой формулы следует, что сила тока прямо пропорциональна скорости упорядоченного движения заряженных частиц, их заряду и концентрации. Именно благодаря этой связи, увеличивая скорость движения частиц за счёт усиления электрического поля (увеличения напряжения), мы увеличиваем и силу тока в проводнике.
Скорость упорядоченного движения электронов в металлах очень мала (доли миллиметра в секунду), однако электрическое поле распространяется вдоль проводника со скоростью, близкой к скорости света (м/с). Поэтому, как только замыкаем цепь, ток возникает практически мгновенно во всех её участках.