If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Если вы используете веб-фильтр, пожалуйста, убедитесь, что домены *.kastatic.org и *.kasandbox.org разблокированы.

Основное содержание

Основные электрические величины: сила тока, напряжение, мощность

Составьте интуитивное представление о силе тока, напряжении и мощности. Автор — Уилли МакАллистер.
Напряжение и сила тока являются основными понятиями в электричестве. Мы постараемся понять их интуитивно и построить первые мысленные модели для этих основных электрических величин. Также расскажем вам о другом важном понятии - мощность,, которая равна произведению мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи.

Заряд

Понятие электричества возникло из наблюдений человеком за природой. Мы наблюдаем взаимодействие между объектами, которое, подобно гравитации, действует на расстоянии. Источник этого взаимодействия получил название заряд . Электрическая сила примечательна тем, что она гораздо больше, чем та же сила гравитации. Однако, в отличие от гравитации, существует два вида электрических зарядов, причём разные заряды притягиваются, а одинаковые — отталкиваются. Сила гравитации бывает только одна, она всегда притягивает предметы друг к другу и никогда не отталкивает.

Проводники и диэлектрики

Проводники состоят из атомов, внешние, то есть валентные, электроны которых слабо связаны с ядром, как показано на этой иллюстрации, где изображён атом меди. Когда атомы металла оказываются рядом, они охотно делятся друг с другом своими электронами, образуя «стаю» электронов, каждый из которых теряет связь со своим ядром. Достаточно даже небольшой электрической силы, чтобы эта «стая» электронов пришла в движение. Примеры хороших проводников: медь, золото, серебро, алюминий, а также солёная вода.
Кроме них, существуют ещё и слабые проводники. Вольфрам (металл, используемый в спиралях ламп накаливания) и углерод (в форме алмаза) являются относительно слабыми проводниками, потому что их электроны менее подвержены движению.
Диэлектрики — это материалы, внешние электроны которых тесно связаны с ядром. Небольшой электрической силы недостаточно, чтобы оторвать эти электроны от ядра. При воздействии на атом диэлектрика электрической силой его электронные облака вокруг атома растягиваются и деформируются, но электроны остаются привязанными к атому. В качестве примеров диэлектриков можно привести стекло, пластик, камень и воздух. Однако если к диэлектрику приложить достаточно большую электрическую силу, тогда электроны могут оторваться от ядер, такое явление называется «электрический пробой». Именно это явление вы наблюдаете, если видите в воздухе искру.
Полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. Они, как правило, способны проводить электрический ток, но лишь в определённых условиях. Самым известным полупроводником является кремний (атомный номер 14). Благодаря тому, что мы научились контролировать проводящие и диэлектрические свойства кремния, появились такие чудеса современного мира как компьютеры и сотовые телефоны. Теория квантовой механики объясняет принципы работы полупроводниковых приборов на атомном уровне.

Электрический ток

Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.
Заряженные частицы движутся, образуя электрический ток. .
Сила тока определяется как количество заряда, проходящего сквозь воображаемую преграду за единицу времени. Представьте, что вы мысленно рассекли провод в определённой точке, встали рядом и считаете, сколько зарядов проходит через это сечение за секунду. Положительным направлением тока считается направление, в котором двигались бы положительно заряженные частицы.
Поскольку сила тока — это количество заряда, проходящего сквозь воображаемую преграду за единицу времени, поэтому его можно выразить математически при помощи следующей формулы:
i=dqdt
Вот краткое объяснение, что такое ток.

Несколько замечаний относительно электрического тока

Чем создаётся ток в металлах? Поскольку электроны во многих металлах могут свободно перемещаться, ток в них образуется благодаря движению электронов. Положительно заряженные ядра в атомах металлов стоят на месте и в электрическом токе не участвуют. Несмотря на то, что электроны заряжены отрицательно, а почти во всех цепях электрический ток обусловливается именно движением электронов, однако положительным направлением электрического тока считается направление, в котором двигались бы положительно заряженные частицы. Это очень давняя, исторически сложившаяся договорённость.
Может ли ток создаваться движением положительных зарядов? Да, тому есть множество примеров. В частности, в солёной воде ток создаётся движением как отрицательно, так и положительно заряженных частиц. Если в обычной воде растворить столовую соль, она становится хорошим проводником. Столовая соль — это хлорид натрия, NaCl. В воде происходит его диссоциация на свободно плавающие ионы Na+ и Cl. Оба иона реагируют на электрическую силу и могут двигаться по раствору в различных направлениях. В этом случае ток создаётся движущимися атомами, заряженными как отрицательно, так и положительно. В нашем организме электрический ток также вызван движениями положительных и отрицательных ионов. Определение силы тока при этом остаётся прежним: мы точно так же считаем количество заряда, проходящего за определённый промежуток времени.
Как появляется электрический ток? Заряженные объекты движутся в ответ на приложенные электрические и магнитные силы. Эти силы могут быть вызваны электрическими или магнитными полями, которые, в свою очередь, зависят от положения и движения других зарядов.
С какой скоростью движется электрический ток? Мы редко говорим о скорости электрического тока. Чтобы ответить на вопрос о скорости тока, мы должны погрузиться в изучение сложных физических явлений, но чаще всего это не требуется. В электрическом токе нас, как правило, волнуют не метры в секунду, а заряды в секунду. Гораздо чаще нам приходится отвечать на вопрос: «Чему равна сила электрического тока?»
Как нужно говорить об электрическом токе? Когда мы обсуждаем электрический ток, мы чаще используем предлоги через, в и по. Например: ток течёт через резистор, ток течёт по проводнику или в проводнике. Если вы услышите о ток сквозь..., это должно показаться вам странным.

Напряжение

Чтобы было проще понять, что такое напряжение, давайте проведём аналогию:

Напряжение похоже на силу притяжения

Для тела массой m изменение высоты h связано с изменением потенциальной энергии: ΔU=mgΔh.
Для заряженной частицы q напряжение V связано с изменением потенциальной энергии: ΔU=qV.
Напряжение в электрической цепи аналогично произведению gΔh, где g — ускорение свободного падения, а Δh — изменение высоты.
Мяч скатывается с вершины холма. Когда он находится на полпути (на середине склона) он растратил половину своей потенциальной энергии.
Электрон находится на вершине «холма» напряжения и «скатывается» по проводникам и элементам цепи. Он тратит свою потенциальную энергию на совершение работы. Когда электрон «скатился до середины холма», он растратил половину своей потенциальной энергии.
И мяч, и электрон «скатываются с холма» самопроизвольно. Они сами перемещаются в сторону уменьшения своего энергетического состояния. Спускаясь с холма, мяч может столкнуться на пути с различными предметами, например, с деревьями. При помощи проводов, мы можем направлять электроны и заставлять проходить их через электронные компоненты цепи.
Напряжение между двумя точками можно выразить математически как изменение энергии заряда:
V=ΔUq
Вот краткое объяснение, что такое напряжение.

Мощность

Мощность определяет скорость, с которой энергия (U) преобразуется или переносится за единицу времени. Мощность измеряется в джоулях в секунду, также известных как ватты.
(1ватт=1джоуль/секунда)
мощность=dUdt
Электрическая цепь способна переносить энергию. Сила тока — это скорость потока заряда, а напряжение измеряет энергию, переносимую единичным зарядом. Можно подставить эти определения в формулу мощности:
мощность=dUdt=dUdqdqdt=vi
Электрическая мощность равна произведению силы тока на напряжение. Её единица измерения — ватт.

Итоги

Эти воображаемые модели для тока и напряжения помогут нам начать разбираться в самых разных электрических схемах.
Если вы хотите узнать больше о напряжении, то можете изучить вопрос глубже и прочитать более формальное математическое описание электрического потенциала и напряжения.

Хотите присоединиться к обсуждению?

Пока нет ни одной записи.
Знаете английский? Нажмите здесь, чтобы увидеть обсуждение, которое происходит на английской версии сайта.