Сила тока

У этого термина существуют и другие значения, см. Сила (значения).

Сила тока, или просто ток — скалярная физическая величина, равная отношению электрического заряда ${\displaystyle dQ}$, прошедшего через определённую поверхность за бесконечно малый промежуток времени ${\displaystyle dt}$, к длительности этого промежутка^[1][2][3]:

${\displaystyle I={\frac {dQ}{dt}}}$

Сила тока
${\displaystyle \ I}$, ${\displaystyle \ J}$
Размерность	I
Единицы измерения
СИ	А
Примечания
скалярная величина

В качестве поверхности обычно рассматривается сечение проводника.

Выбор буквенного обозначения соответствует французскому названию величины (фр. intensité du courant); реже используется символ ${\displaystyle J}$.

Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (обозначение: А), ампер является одной из семи основных единиц СИ. 1 А = 1 Кл/с.

Понятие силы тока широко используется в задачах электротехники и схемотехники. Величина ${\displaystyle I}$ входит в закон Ома для участка цепи.

Несмотря на наличие слова «сила» в наименовании понятия, сила тока не является силой ни по смыслу, ни по размерности.

Сила тока и плотность тока

Сила тока связана с плотностью тока через соотношение

${\displaystyle I=\int {\vec {j}}\cdot d{\vec {S}}}$.

Точка означает скалярное произведение, ${\displaystyle d{\vec {S}}}$ — векторный элемент площадки (элемент площади поверхности ${\displaystyle dS}$, домноженный на единичный вектор нормали к ней ${\displaystyle {\vec {e}}_{n}}$) а интегрирование выполняется по всей площади сечения. В простейшем случае, когда ток течёт равноплотно, а сечение перпендикулярно плотности тока (то есть ${\displaystyle {\vec {j}}\parallel {\vec {e}}_{n}}$) будет ${\displaystyle I=j\,S}$.

Силой тока чаще оперируют в технических приложениях, а плотностью тока — в физических задачах, посвящённых анализу поведения носителей заряда.

Происхождение тока

За протекание тока ответственно упорядоченное движение заряженных частиц, в роли которых обычно выступают электроны, ионы или дырки. Плотность тока представляет собой плотность потока этих частиц. Она зависит от их заряда ${\displaystyle q}$, концентрации ${\displaystyle n}$ и средней скорости упорядоченного движения ${\displaystyle {\vec {v}}_{av}}$. Если наличествует только один сорт частиц, то^[4] ${\displaystyle {\vec {j}}=qn{\vec {v}}_{av}}$. Сила тока является потоком вектора ${\displaystyle {\vec {j}}}$.

Постоянный и переменный ток

Если ${\displaystyle I}$ не меняется со временем, ток называется постоянным, а при наличии зависимости ${\displaystyle I(t)}$ — переменным.

В случае переменного тока различают мгновенную силу тока ${\displaystyle I=dQ/dt}$, среднюю (за некоторый конечный промежуток времени ${\displaystyle \Delta t}$) силу тока ${\displaystyle I_{av}=\Delta Q/\Delta t}$, амплитудную (пиковую) силу тока ${\displaystyle I_{m}}$ и эффективную силу тока (равную силе постоянного тока, который выделяет такую же мощность) ${\displaystyle I_{eff}=(T^{-1}\int I^{2}(t)dt)^{1/2}}$, где ${\displaystyle T}$ — достаточно большое время интегрирования.

Закон Ома

По закону Ома сила тока ${\displaystyle I}$ для участка цепи пропорциональна приложенному к участку цепи напряжению ${\displaystyle U}$ и обратно пропорциональна сопротивлению ${\displaystyle R}$ проводника этого участка цепи:

${\displaystyle I={\frac {U}{R}}}$.

По закону Ома для полной цепи,

${\displaystyle I={\frac {\varepsilon }{R+r}}}$,

где ${\displaystyle r}$ — внутреннее сопротивление источника электродвижущей силы ${\displaystyle \varepsilon }$.

Мощность, выделяемая на омической нагрузке, рассчитывается как

${\displaystyle P=UI}$.

Пользуясь законом Ома, её можно выразить через другие величины. На представленной здесь круговой диаграмме представлена взаимосвязь величин ${\displaystyle U}$, ${\displaystyle I}$, ${\displaystyle R}$ и ${\displaystyle P}$.

Измерение силы тока

Для измерения силы тока используют специальный прибор — амперметр (для приборов, предназначенных для измерения малых токов, также используются названия миллиамперметр, микроамперметр, гальванометр). Его включают в разрыв цепи^[5] в том месте, где нужно измерить силу тока. Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении).

Примечания

1. ФЭ, 1994, с. 496.
2. БЭСФ, 1998, с. 677.
3. Мякишев Г. Я.,. Физика. 10 класс : учеб. для общеобразовательны. учреждений: базовый и просил. уровня. — 19-е изд.. — М.: Просвещение, 2010. — С. 290. — 366 с. — ISBN 978-5-09-022776-6.
4. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 173—174. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3.
5. Силу переменного тока можно измерять без разрыва цепи с помощью измерительного прибора под названием токоизмерительные клещи. Современные приборы такого типа могут измерять и силу постоянного тока.

Литература

• Сивухин Д. В. Общий курс физики. — М.: Физматлит, 2004. — Т. III. Электричество. — С. 173—174. — 656 с. — ISBN 5-9221-0227-3.
• Физическая энциклопедия. — Москва: Советская энциклопедия, 1994. — Т. 4. — ISBN 978-5-85270-087-2.
• Физика: большой энциклопедический словарь / А. М. Прохоров (ред.). — 4-е (репр.) изд.. — Москва: Большая российская энциклопедия, 1998. — (Большие энциклопедические словари). — ISBN 978-5-85270-306-4.