Сила тока. Измерение силы тока

На прошлом уроке мы с вами говорили о действиях, которые способен оказывать электрический ток, протекая в различных средах. Познакомившись с тремя действиями тока, уместно задать себе вопрос: от чего зависит эффективность каждого из действий, то есть от чего зависит количество теплоты, выделяемой в нити накала электролампы, масса выделенной в опыте меди, подъёмная сила изготовленного электромагнита?

Эффективность этих действий будет зависеть от нескольких причин. Электрический ток, как вы знаете, — это направленное движение заряженных частиц. Поэтому чем больше электрический заряд, перенесённый частицами через поперечное сечение проводника за какое-то определённое время, тем интенсивнее будет действие тока.

Здесь можно провести аналогию: эффективность действия воды на водяной мельнице или гидроэлектростанции, конечно же, определяется массой ежесекундно протекающей в таком устройстве воды. Поэтому важнейшей характеристикой электрического тока является величина, называемая силой тока.

Сила тока — это физическая величина, численно равная электрическому заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Обозначают силу тока буквой I.

Пусть q — заряд, протекающий через сечение проводника за некоторый отрезок времени t. Тогда очевидно, что для нахождения ежесекундно протекающего заряда мы должны разделить весь заряд на значение промежутка времени, что и приводит нас к формуле силы тока:

Единицу силы тока не вводят через какие-либо формулы, а просто выбирают по договорённости, как это было уже сделано с единицами массы, времени и длины.

Здесь вы можете сказать, что подобная договорённость лишена логики: брать в качестве основной величины не единицу заряда, которая рассматривается значительно раньше, а единицу силы тока, то есть величину, которая получается путём логической операции с электрическим зарядом.

Вы абсолютно правы! Но все дело в том, что для всех основных единиц нужно создать эталоны, то есть устройства, позволяющие собрать и сохранить без потерь сведения о выбранной единице. Так вот, для единицы силы тока можно с гораздо большей точностью выбрать и сохранить эталон, чем для единицы электрического заряда, чем и объясняется такая «нелогичность» в выборе основной единицы.

В 1948 г. на Генеральной конференции по мерам и весам решили, что в основе определения единицы силы тока должно лежать явление взаимодействия двух проводников с током. Это явление можно пронаблюдать на опыте. Если по двум параллельным проводникам пропустить ток, то, в зависимости от направления тока, проводники либо притянутся, либо оттолкнутся.

При этом сила притяжения или отталкивания между проводниками прямо пропорциональна силе тока в них, то есть чем больше сила тока, тем сильнее взаимодействуют проводники.

Но чтобы ввести точный эталон, необходимо соблюдать очень жёсткие условия опыта. Проводники должны быть тонкими и бесконечно длинными, при этом они должны находиться в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга.

Поэтому, за единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой бесконечно длинные параллельные проводники, находящиеся на расстоянии одного метра друг от друга в вакууме, на каждом метре своей длины взаимодействуют с силой 2 ∙ 10⁻⁷ Н.

Эту единицу силы тока называют ампером. Названа она так в честь французского физика А. Ампера, и является основной единицей силы тока в СИ.

1 А — это очень большое значение силы тока. Поэтому в науке, технике и на практике часто используют кратные и дольные единицы силы тока:

Познакомившись с единицей силы тока, мы можем дать и строгое определение единицы электрического заряда (количества электричества). Зная формулу для расчёта силы тока, можно записать: q = It. Учитывая, что единицей силы тока является ампер, а единицей времени — секунда, получим, что 1 Кл — это заряд, протекающий за 1 с через поперечное сечение проводника с током силой 1 А.

Ещё одна очень важная особенность силы тока заключается в следующем: сила тока во всех участках проводника, по которому протекает электрический ток, одинакова. Всё дело в том, что, когда в проводнике протекает ток, заряд нигде ни в какой его части не скапливается. Так, если в начале проводника, например, металлической проволочки, сила тока равна 1 А, то и в любом поперечном сечении проводника, и в конце его она тоже обязательно 1 А.

 Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называют амперметром.

Амперметр и по своему принципу действия, и по устройству похож на гальванометр. Его работа основана на магнитном действии тока.

Чем больше сила тока, проходящего по катушке, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки прибора. Поскольку с помощью амперметра измеряют силу тока, то он устроен так, чтобы включение его в цепь практически не влияло на силу тока в цепи.

Чтобы отличить амперметр от гальванометра, на его шкале ставят букву «А». На схемах амперметр изображают кружком с буквой «А» в центре:

Будьте внимательны при работе с амперметрами, так как каждый из них рассчитан на некоторую максимальную силу тока. Иначе прибор может попросту сгореть.

Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить. Иными словами, чтобы контролировать значение силы тока, протекающего в интересующей нас части цепи, мы должны обязательно сделать разрыв цепи и включить в разрыв амперметр, чтобы весь заряд, протекающий в этой части цепи, проходил через прибор.

Обратите внимание и на то, что у каждой клеммы прибора стоит свой знак: или «плюс», или «минус». Это значит, что клемму со знаком «плюс» надо обязательно соединить с проводом, идущим от положительного полюса источника тока, а клемму со знаком «минус» — с отрицательным.

Если цепь состоит из нескольких последовательно соединённых проводников или приборов (это такое соединение, при котором начало одного проводника соединяется с концом другого), то амперметр будет показывать во всех точках цепи одно и то же значение силы тока.

Пример решения задачи.

Задача. По графику зависимости перенесённого заряда от времени найдите силу тока в проводнике. Какое количество электронов проходит через сечение проводника за 5 с?