Электрический ток. Сила тока, напряжение, сопротивление

Зачем это нужно

Электрический ток зажигает лампы, вращает двигатели, нагревает чайник, заряжает телефон, передаёт информацию в компьютере. Чтобы безопасно пользоваться электроприборами, собирать простые схемы и понимать надписи на зарядках и батарейках («5 В, 2 А»), нужно знать три главные величины: силу тока, напряжение и сопротивление. Эта тема — фундамент всей электротехники и электроники.

Электрический ток и его источники

Электрический ток — упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. В металлах это свободные электроны, в растворах солей и кислот — ионы.

Чтобы ток существовал длительно, нужны:

1. свободные заряженные частицы (проводник);
2. электрическое поле, которое их движет;
3. замкнутая цепь.

Поле внутри проводника создаёт источник тока: гальванический элемент (батарейка), аккумулятор, генератор, солнечная батарея. Внутри источника совершается работа по разделению зарядов — какая-то энергия (химическая, механическая, световая) превращается в электрическую.

Действия тока: тепловое (нагревание проводника — чайник, утюг), химическое (электролиз, зарядка аккумулятора), магнитное (отклонение стрелки компаса, электромагнит). Магнитное действие проявляется всегда.

Направление тока условно принято от «+» к «−» источника (от положительного полюса во внешней цепи). Электроны в металле движутся в противоположную сторону.

Электрическая цепь и схемы

Электрическая цепь состоит из источника тока, потребителей (лампы, двигатели), соединительных проводов, замыкающих устройств (ключ, выключатель) и измерительных приборов. На схемах их изображают условными знаками.

Сила тока

Сила тока $I$ — заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени:

$I = \frac{q}{t}.$

Единица — ампер (А), названа в честь Андре-Мари Ампера. Ток 1 А означает, что через сечение проходит заряд 1 Кл в секунду. Кратные: $1 \text{ мА} = 0{,}001$ А, $1 \text{ кА} = 1000$ А.

Силу тока измеряют амперметром, который включают в цепь последовательно с тем прибором, ток в котором измеряют, соблюдая полярность.

Ток силой 0,1 А, прошедший через тело человека, смертельно опасен.

Напряжение

Напряжение $U$ показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного заряда на участке цепи:

$U = \frac{A}{q}.$

Единица — вольт (В), в честь Алессандро Вольты. Напряжение измеряют вольтметром, который подключают параллельно участку цепи.

Типичные значения: пальчиковая батарейка — 1,5 В, USB — 5 В, автомобильный аккумулятор — 12 В, бытовая сеть — 220 В, линии электропередачи — сотни киловольт. Напряжение выше 36 В опасно для жизни.

Сопротивление

Опыты показывают: при одном и том же напряжении сила тока в разных проводниках разная. Проводник противодействует току — обладает электрическим сопротивлением $R$. Его причина — столкновения движущихся электронов с ионами кристаллической решётки металла.

Единица сопротивления — ом (Ом), в честь Георга Ома. Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при напряжении 1 В сила тока в нём 1 А.

Разобранный пример 1

Через лампу за 2 мин прошёл заряд 60 Кл. Найдите силу тока.

$I = 60 : 120 = 0{,}5$ А.

Разобранный пример 2

При перемещении заряда 4 Кл поле совершило работу 48 Дж. Найдите напряжение.

$U = 48 : 4 = 12$ В.

Аналогия с водопроводом

Электрическую цепь удобно сравнивать с системой труб, по которым насос гоняет воду. Источник тока — насос, напряжение — разность давлений, которую создаёт насос, сила тока — сколько воды проходит через сечение трубы за секунду, сопротивление — узость трубы: чем она уже, тем меньше воды пройдёт при том же давлении. Как вода не исчезает в трубах, так и ток одинаков во всех последовательно соединённых участках цепи. Аналогия неполная, но помогает почувствовать смысл величин.

Электробезопасность

• Не прикасайтесь к оголённым проводам и не разбирайте включённые в сеть приборы.
• Не пользуйтесь электроприборами мокрыми руками и в ванной: вода и влажная кожа хорошо проводят ток.
• Не вставляйте посторонние предметы в розетки.
• Увидев оборванный провод на улице, не подходите к нему ближе 8 м и сообщите взрослым.

Типичные ошибки

• Включать амперметр параллельно: он имеет очень малое сопротивление, и через него пойдёт огромный ток.
• Включать вольтметр последовательно.
• Путать направление тока и направление движения электронов.
• Подставлять время в минутах вместо секунд.
• Считать, что ток «расходуется» в лампе: сила тока до и после лампы одинакова.

Что дальше

• Закон Ома для участка цепи — закон Ома связывает силу тока, напряжение и сопротивление.
• Магнитное поле. Электромагниты. Электродвигатель — магнитное действие тока.