Заряд и электрический ток

Урок объясняет, что такое электрический заряд и как из него рождается понятие силы тока.

Электрический ток — упорядоченное движение носителей заряда; его сила равна заряду, прошедшему через сечение проводника за единицу времени.

Вся электротехника начинается с заряда. Заряд $q$ измеряется в кулонах (Кл) и является сохраняющейся величиной: он не возникает и не исчезает, а лишь перемещается. Носителями заряда в металлах служат свободные электроны, в электролитах — ионы, в полупроводниках — электроны и дырки. Когда заряды движутся согласованно, возникает ток.

Сила тока

Если за время $t$ через поперечное сечение проводника проходит заряд $q$, то сила тока определяется как

$$ I = \frac{q}{t}. $$

Единица силы тока — ампер (А): один ампер означает перенос одного кулона за одну секунду, $1\,\text{А} = 1\,\text{Кл}/\text{с}$. Для переменного во времени тока определение уточняют через производную $I = \frac{dq}{dt}$, но для постоянного тока хватает простого отношения.

Зачем это знать

Сила тока — это «расход» зарядов. Понимая её, вы можете оценить, сколько электронов проходит через лампочку, какой ток выдержит провод и за сколько зарядится аккумулятор. Все дальнейшие законы (Ома, Джоуля, Кирхгофа) опираются на ток как на базовую переменную.

Сколько электронов в одном ампере

Элементарный заряд $e = 1{,}602 \cdot 10^{-19}\,\text{Кл}$. Значит, ток в один ампер — это поток примерно $6{,}24 \cdot 10^{18}$ электронов в секунду. Посчитаем заряд и число электронов для конкретного тока.

e = 1.602e-19  # элементарный заряд, Кл
I = 2.0        # сила тока, А
t = 5.0        # время, с

q = I * t                 # заряд, Кл
n = q / e                 # число электронов
print(f"Заряд q = {q} Кл")
print(f"Число электронов n = {n:.3e}")

Вывод:

Заряд q = 10.0 Кл
Число электронов n = 6.242e+19

Как работает под капотом

В медном проводе электроны дрейфуют удивительно медленно — порядка долей миллиметра в секунду. Может показаться странным: лампа загорается мгновенно, а электроны едва ползут. Дело в том, что электрическое поле, «приказывающее» зарядам двигаться, распространяется по проводу почти со скоростью света. Сами электроны лишь чуть смещаются, но делают это все сразу по всей длине проводника — как вода в наполненной трубе начинает течь с дальнего конца сразу, стоит открыть кран. Поэтому ток устанавливается практически мгновенно, хотя дрейфовая скорость крошечная.

Частые ошибки

Путают направление тока и направление движения электронов. Исторически принято техническое направление тока — от плюса к минусу, тогда как электроны движутся в противоположную сторону.
Считают, что ток «тратится» в нагрузке. На самом деле через последовательную цепь проходит один и тот же ток; «тратится» энергия, а не заряд.
Забывают, что ампер — это Кл/с, и путают заряд с током.

Итог

Заряд $q$ измеряется в кулонах и сохраняется.
Сила тока $I = q/t$ измеряется в амперах.
Один ампер — это $6{,}24 \cdot 10^{18}$ электронов в секунду.
Техническое направление тока — от плюса к минусу.