Уже более ста лет человек использует электрический ток для своих нужд. Заряженные частицы, из которых он состоит, невидимы, их нельзя потрогать, понюхать, сложить в мешок и перенести в другое место. Возможно из-за этого его сложно понять. Но, несмотря на это, электрический ток можно измерить.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №2(18). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.

Как следует из определения, электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике. Для наглядности электрическую цепь можно сравнить с водопроводом, где текущая в нём жидкость играет роль электрического тока. Какой параметр водопровода был бы важен для нас? Наверное, сколько воды за определённое время может через него протекать. Зная этот параметр, можно, например, рассчитать время наполнения резервуара для воды. Точно также и с электричеством в цепи, только на языке физики этот параметр принято называть силой тока.

Как измерить этот параметр? Нужно посчитать, сколько электронов (отрицательно заряженных частиц) пройдёт через проводник за единицу времени. На практике выяснилось, что через проводник проходит астрономически большое число электронов. Поэтому идею приняли, но решили пользоваться более крупной единицей — кулоном (Кл), который равен 6,24 квинтиллионам зарядам электрона (квинтиллион — это миллиард миллиардов).

Сила тока обозначается буквой I и определяется по формуле:

Вам интересно, каким образом малюсенькие заряженные частицы, из которых состоит электрический ток, могут зажигать лампы, нагревать электроплиты, поднимать лифты, вращать колёса электровозов и лопасти подводных лодок? Попробуем понять это на примере фонарика.

Итак, чтобы загорелась лампочка, нужно щёлкнуть выключатель фонарика. Тем самым мы замыкаем электрическую цепь. Электрический ток, то есть заряженные частицы, начинают двигаться от отрицательного полюса батарейки к лампочке, затем от лампочки к положительному полюсу батарейки.

Но сами по себе заряженные частицы (в данном случае электроны) не могут двигаться по проводам. Нужно, чтобы их «кто-то» двигал. Этим занимается источник тока — гальваническая батарейка. Она создаёт электрическое поле, при котором отрицательный электрод батарейки «выталкивает» электроны, а положительный электрод «притягивает» их. Эта способность источника тока «выталкивать» и «притягивать» электроны, перемещая их по цепи, называется электродвижущей силой (ЭДС) и характеризуется величиной, которая называется напряжением или разностью потенциалов между началом и концом цепи.

Попробуем разобраться с этим на примере водопровода. Для того, чтобы вода побежала по трубе, необходимо создать разность уровней источника воды и потребителя. Тогда вода побежит к другому концу трубы. В электрическом проводнике этим занимается гальваническая батарейка.

Электрическое напряжение обозначается буквой U, измеряется в вольтах (В) и определяется по формуле:

Итак, электрический ток начинает движение по цепи под действием напряжения. Но, оказывается, электроны не могут двигаться по электрической цепи беспрепятственно: они сталкиваются между собой и с атомами, то есть, встречают на своём пути сопротивление. Из-за этих ударов и столкновений часть энергии движущихся электронов превращается в тепло (так же, как превращается в тепло часть энергии молота, ударившего по наковальне).

Напряжение и сопротивление — это важные характеристики электрической цепи, с которыми необходимо считаться. Напряжение цепи, создаваемое источником тока, даёт толчок (скорость) электронам, заставляя двигаться их в определённом направлении, а сопротивление цепи забирает у движущихся электронов энергию и превращает её в другие виды энергии. Таким образом, человеку важен не электрический ток как таковой, а энергия его движущихся заряженных частиц.

Стоит отметить, что сопротивление провода (проводника) зависит не только от вещества, из которого он сделан. Экспериментально установлено, что сопротивление провода растёт при увеличении длины и уменьшении его диаметра — чем длиннее и тоньше проводник, тем труднее электронам двигаться по нему. Именно поэтому нить накаливания в лампочке делают не только тонкой, но и длинной за счёт того, что ей придают спиралевидную форму.

Сопротивление обозначается буквой R и рассчитывается по формуле:

Закон Ома для участка цепи — один из основополагающих законов физики. Данный закон раскрывает связь между тремя важнейшими величинами: силой тока, напряжением и сопротивлением. В 1827 году Георг Симон Ом разгадал закон силы электрического тока. Его именем назвали закон и единицу измерения сопротивления. Ни одна электрическая цепь, даже самая элементарная, не может быть построена без использования закона Ома. Закон Ома для участка цепи гласит: Сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи: