Сила тока¶

Сила тока — физическая величина, характеризующая интенсивность движения электрических зарядов в проводнике и равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения. Сила тока обозначается латинской буквой I и измеряется в амперах (А) в Международной системе единиц (СИ). Название величины связано с именем французского физика Андре-Мари Ампера, заложившего основы математической теории электричества.

¶Определение и единицы измерения

Сила тока определяется формулой:

I = Δq / Δt

где Δq — электрический заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время Δt.

В СИ единицей силы тока является ампер (А). Один ампер — это сила тока, при которой через поперечное сечение проводника за одну секунду проходит заряд в один кулон (Кл):

1 А = 1 Кл/с

В системе СГС единицей силы тока является биоампер (Bi), причём 1 Bi = 10 А. В технике также используются производные единицы: миллиампер (мА = 10⁻³ А), микроампер (мкА = 10⁻⁶ А), килоампер (кА = 10³ А).

В Международной системе единиц ампер определён как вторая основная единица. Его современное определение (с 2019 года) основано на фиксированном значении элементарного заряда e = 1,602176634 × 10⁻¹⁹ Кл.

¶Виды тока

По характеру изменения во времени различают:

Постоянный ток — сила тока не меняется со временем (I = const). Пример — ток в гальваническом элементе.
Переменный ток — сила тока периодически меняется по величине и направлению. В промышленной сети переменного тока частота составляет 50 Гц (в России и большинстве стран Евразии) или 60 Гц (в Северной Америке).
Пульсирующий ток — меняется по величине, но не меняет направления.

Для переменного тока вводят понятие действующего (эффективного) значения силы тока, равного значению постоянного тока, выделяющего в проводнике такое же количество теплоты за одинаковое время. Для синусоидального тока действующее значение I = I_m / √2, где I_m — амплитудное значение.

¶Измерение силы тока

Силу тока измеряют амперметром, который включают в цепь последовательно с нагрузкой. Амперметр имеет малое внутреннее сопротивление, чтобы минимально влиять на измеряемую цепь.

Существуют различные типы амперметров:

Электромагнитные — основаны на действии магнитного поля тока на подвижную катушку или ферромагнитный сердечник.
Электродинамические — используют взаимодействие двух катушек (подвижной и неподвижной).
Тепловые (термоэлектрические) — основаны на нагреве проводника током и измерении температуры.
Электронные и цифровые — преобразуют сигнал в цифровую форму и показывают значение на дисплее.

Для измерения малых токов применяют микроамперметры и гальванометры. Для измерения больших токов используют шунты — резисторы малого сопротивления, включаемые параллельно измерительному прибору.

¶Законы, связывающие силу тока

¶Закон Ома

Для участка цепи:

I = U / R

где U — напряжение на концах участка, R — его сопротивление.

Для полной цепи:

I = E / (R + r)

где E — электродвижущая сила (ЭДС) источника, r — его внутреннее сопротивление.

¶Закон Джоуля — Ленца

Количество теплоты, выделяемое проводником с током:

Q = I²Rt

Этот закон показывает, что тепловое действие тока пропорционально квадрату силы тока.

¶Сохранение заряда

На любом участке замкнутой цепи сила тока одинакова (в классическом изложении). В узлах цепи действует первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле, равна нулю.