§ 38. Сила тока. Измерение силы тока

ЧТО ТАКОЕ СИЛА ТОКА: ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ И ФОРМУЛА

Интенсивность проявления действий электрического тока может быть совершенно разной. Например, крошечная лампочка карманного фонарика светит мягко, а мощная дуговая электросварка слепит глаза и плавит металл; спираль электроплитки лишь слегка теплеет при слабом токе и раскаляется докрасна при сильном.

С физической точки зрения действие тока тем сильнее, чем больший суммарный электрический заряд переносится через поперечное сечение проводника за каждую секунду.

Для количественной характеристики интенсивности электрического тока в физику введена специальная величина:

• Сила тока ($I$) — это физическая величина, равная отношению электрического заряда ($q$), прошедшего через поперечное сечение проводника за промежуток времени ($t$), к этому промежутку времени:

где:

• $I$ — сила электрического тока (в амперах, А);
• $q$ — электрический заряд, прошедший через проводник (в кулонах, Кл);
• $t$ — время прохождения заряда (в секундах, с).

Если сила тока и его направление в проводнике остаются строго неизменными в течение времени, такой ток называют постоянным электрическим током.

ЕДИНИЦА СИЛЫ ТОКА: АМПЕР (А)

В честь французского физика и математика Андре Мари Ампера (1775–1836), впервые исследовавшего взаимодействие токов и создавшего основы теории электродинамики, единица силы тока названа ампером (А). Ампер является одной из семи фундаментальных основных единиц Международной системы единиц (СИ).

• Определение ампера через магнитное взаимодействие (1948 г.):

Если по двум гибким параллельным проводникам пропустить электрический ток в одном направлении, проводники притягиваются друг к другу; если в противоположных направлениях — отталкиваются (рис. 91). Чем сильнее ток, тем больше сила их магнитного взаимодействия.

Исторически 1 ампер был определён как сила постоянного тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метра друг от друга, вызывает между ними силу взаимодействия $2 \cdot 10^{-7}$ Н на каждый метр длины.

• Современное определение ампера (реформа СИ 2019 г.):

С развитием квантовых технологий точность механического эталона оказалась недостаточной. В 2019 году ампер был переопределён через фундаментальную физическую константу — элементарный электрический заряд $e = 1{,}602176634 \cdot 10^{-19}$ Кл.

Сегодня 1 Ампер — это сила тока, при которой через поперечное сечение проводника за 1 секунду проходит ровно поток из $\approx 6{,}24 \cdot 10^{18}$ элементарных зарядов (электронов).

Кратные и дольные единицы силы тока:

• 1 мА (миллиампер) = $10^{-3}$ А = $0{,}001$ А (токи в микросхемах и датчиках);
• 1 мкА (микроампер) = $10^{-6}$ А = $0{,}000001$ А (слабые токи в электронике и нервных клетках);
• 1 кА (килоампер) = $10^3$ А = $1000$ А (токи в электроплавильных печах и разрядах молний).

СВЯЗЬ С ЗАРЯДОМ: ОПРЕДЕЛЕНИЕ КУЛОНА И ЭЛЕКТРОБЕЗОПАСНОСТЬ

Используя расчётную формулу силы тока, можно выразить величину перенесённого электрического заряда:

Отсюда формулируется строгое научное определение единицы электрического заряда:

• 1 Кулон (1 Кл) — это электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время 1 секунда при неизменной силе тока 1 Ампер:

Действие электрического тока на человека и электробезопасность:

• Ток до 1 мА (0,001 А) — безопасен для организма, ощущается человеком как лёгкое покалывание или щекотание.
• Ток 10–20 мА — вызывает судорожные непреодолимые сокращения мышц рук (так называемый «неотпускающий ток», когда пострадавший не в силах сам разжать пальцы и оторваться от оголённого провода).
• Ток более 100 мА (0,1 А) — смертельно опасен! Проходя через грудную клетку, он вызывает мгновенный паралич дыхания и хаотическое фибрилляционное сокращение сердечной мышцы.

Для ориентира: в карманном фонарике протекает ток около $0{,}3$ А, в бытовом чайнике и утюге — от $5$ до $10$ А, в стартере автомобиля при пуске двигателя — от $100$ до $300$ А, а в разряде грозовой молнии сила тока превышает $50$ кА!

ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ТОКА: ПРИБОР АМПЕРМЕТР

Для точного измерения силы электрического тока в цепях применяют специальный прибор — амперметр (на схемах обозначается кружком с буквой «А» внутри, рис. 92).

По принципу работы амперметр представляет собой разновидность гальванометра (рамка со стрелкой поворачивается в поле постоянного магнита), рассчитанную на измерение более сильных токов.

Правила безопасного включения амперметра в цепь:

1. Последовательное подключение: Амперметр включается в цепь строго последовательно с тем потребителем, силу тока в котором необходимо измерить (так, чтобы конец одного проводника соединялся с началом прибора, образуя неразрывную цепочку). Собственное внутреннее сопротивление амперметра ничтожно мало, поэтому прибор не вносит искажений в работу цепи.

⚠️ ВНИМАНИЕ! КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩЕНО: подключать амперметр параллельно потребителю или напрямую к зажимам источника питания без нагрузки! Из-за нулевого сопротивления прибора мгновенно возникнет режим короткого замыкания с разрушительным броском тока, что приведёт к немедленному сгоранию амперметра и порче источника!

1. Соблюдение полярности: Зажим амперметра, помеченный знаком «+», обязательно соединяют с проводом, ведущим к положительному полюсу источника тока, а зажим «–» — с проводом, ведущим к отрицательному полюсу. При неверной полярности стрелка прибора резко ударится об ограничитель влево от нуля и погнётся.
2. Одинаковость силы тока в цепи: Так как электрический заряд при постоянном токе нигде в проводниках не накапливается и не исчезает, сила тока во всех участках неразветвлённой последовательной цепи строго одинакова ($I_1 = I_2 = I$). Амперметр покажет абсолютно одинаковое значение, независимо от того, установлен он до лампочки или после неё (рис. 93).