Что такое электрический заряд и электрический ток?
Всё вещество состоит из мельчайших заряженных частиц. В металлическом проводе часть электронов свободно перемещается. Когда они движутся в одну сторону, течёт заряд. Сила электрического тока показывает, какой заряд проходит через сечение провода за одну секунду:
I = Q / t
Заряд Q измеряют в кулонах (C), время t в секундах, а силу тока I в амперах (A). Значит, 1 ампер — это когда за каждую секунду проходит 1 кулон заряда. Один кулон — это заряд примерно 6.25 × 1018 электронов, а заряд одного электрона равен 1.6 × 10−19 C. Маленькие токи записывают в миллиамперах (1 mA = 10−3 A) или микроамперах (1 µA = 10−6 A).
Направление электрического тока
Учёные договорились о направлении тока ещё до открытия электронов. Они выбрали то направление, в котором двигался бы положительный заряд: от положительного полюса к отрицательному вне элемента питания. Это условное направление тока. Электроны заряжены отрицательно, поэтому на самом деле они движутся в обратную сторону, от − к +. На всех схемах мы показываем условное направление тока.
Электрическая цепь и амперметр
Электрическая цепь — это замкнутый, непрерывный путь для заряда. Если ключ разомкнут или провод оборван, цепь разомкнута, и ток не идёт нигде в ней.
Силу тока измеряют амперметром. Его всегда включают последовательно, чтобы через него шёл тот же ток. У амперметра очень маленькое сопротивление, поэтому он почти не меняет измеряемый ток. Клемма «+» амперметра соединяется со стороной «+» элемента питания.
Что такое напряжение (разность потенциалов)?
Заряд сам по себе не течёт. Ему нужен «толчок», так же как воде нужна разница высот, чтобы течь по трубе. Элемент питания совершает химическую работу и держит один полюс при более высоком электрическом потенциале, чем другой. Напряжение (разность потенциалов) между двумя точками — это работа по перемещению единичного заряда из одной точки в другую:
V = W / Q
Его единица в СИ — вольт (V): 1 вольт = 1 джоуль на кулон. Если работа в 1 J переносит заряд 1 C между двумя точками, напряжение равно 1 V. Напряжение измеряют вольтметром, который включают параллельно участку (поперёк него). У вольтметра очень большое сопротивление, поэтому он почти не потребляет ток.
Условные обозначения на схемах
Рисовать настоящие батарейки и лампочки долго, поэтому используют стандартные знаки:
- Элемент питания: длинная тонкая линия (+) и короткая толстая линия (−).
- Батарея: два или несколько элементов, соединённых вместе.
- Ключ или выключатель: разомкнут (выключен) или замкнут (включён).
- Соединение проводов: точка там, где провода соединены; если провода пересекаются без соединения, точки нет.
- Лампочка: круг с крестом или петлёй внутри.
- Резистор: маленький прямоугольник или зигзаг.
- Переменный резистор (реостат): резистор со стрелкой поперёк.
- Амперметр: круг с буквой A, вольтметр: круг с буквой V.
На экзамене часто просят начертить цепь из элемента, ключа, резистора, амперметра (последовательно) и вольтметра (параллельно резистору). Потренируйся рисовать её аккуратно, прямыми линиями.
Главные формулы и определения
- I = Q / t (сила тока = заряд ÷ время)
- Q = n × e, где e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C
- V = W / Q (напряжение = работа ÷ заряд)
- 1 A = 1 C/s; 1 V = 1 J/C; 1 mA = 10⁻³ A; 1 µA = 10⁻⁶ A
Разобранные примеры
1. Через лампочку за 1 минуту проходит заряд 30 C. Найди силу тока.
t = 60 s. I = Q / t = 30 / 60 = 0.5 A.
2. Ток 2 A течёт 5 минут. Какой заряд прошёл?
t = 5 × 60 = 300 s. Q = I × t = 2 × 300 = 600 C.
3. Какая работа совершается при перемещении заряда 4 C при напряжении 12 V?
W = V × Q = 12 × 4 = 48 J.
4. Сколько электронов создают заряд 1 C?
n = Q / e = 1 / (1.6 × 10⁻¹⁹) = 6.25 × 10¹⁸ электронов.
5. В проводе течёт ток 0.4 A. Сколько электронов проходит через сечение за 2 секунды?
Q = I × t = 0.4 × 2 = 0.8 C. n = Q / e = 0.8 / (1.6 × 10⁻¹⁹) = 5 × 10¹⁸ электронов.
6. Батарея совершает работу 360 J, проталкивая заряд за 2 минуты через цепь при напряжении 3 V. Найди заряд и силу тока.
Q = W / V = 360 / 3 = 120 C. t = 120 s, поэтому I = Q / t = 120 / 120 = 1 A.
Частые ошибки
- Забывают перевести минуты в секунды перед тем, как считать по формуле I = Q / t.
- Включают вольтметр последовательно, а амперметр параллельно. Амперметр — последовательно, вольтметр — параллельно.
- Говорят, что на схемах ток идёт от − к +. Условное направление тока показывают от + к −; только электроны движутся от − к +.
- Думают, что ток «расходуется» в лампочке. Какой ток входит в лампочку, такой и выходит; лампочка расходует энергию.