Чем отличается ток от напряжения? Сила тока и напряжение - в чем разница между ними

Как только мы начинаем изучать по школьной программе физику, практически сразу же нам учителя начинают говорить о том, что между током и напряжением очень большая разница, и ее знание крайне нам понадобиться в дальнейшей жизни. И все же, сейчас об отличиях между двумя понятиями зачастую не может рассказать даже взрослый человек. А ведь знать эту разницу нужно каждому, потому как с током и напряжением мы имеем дело в повседневной жизни, например, включая телевизор или зарядное устройство телефона в розетку.

Определение

Током называется процесс, когда под воздействием электрического поля начинается упорядоченное движение заряженных частиц. Частицами могут выступать самые разные элементы, все зависит от конкретного случая. Если мы говорим о проводниках, то частицами в данной ситуации являются электроны. Изучая электричество, люди стали понимать, что возможности тока позволяют использовать его в самых разных областях, включая медицину. Ведь электрические заряды помогают реанимировать больных, восстанавливать работу сердца. Кроме того, ток применяют в лечении таких сложных заболеваний, как эпилепсия или болезнь Паркинсона. В быту же просто незаменим, ведь с его помощью в наших квартирах и домах горит свет, работают электроприборы.

Напряжение – понятие куда более сложное, нежели ток. Единичные положительные заряды перемещаются из разных точек: из низкого потенциала в высокий. И напряжением называется энергия, затрачиваемая на это перемещение. Для простоты понимания часто приводят пример с течением воды между двумя банками: ток – это сам поток воды, а напряжение показывает разницу уровней в двух банках. Соответственно, течение будет до тех пор, пока уровни не сравнятся.

Отличие

Наверное, основную разницу между током и напряжением можно было заметить уже из определения. Но для удобства мы приведем два основных различия между рассматриваемыми понятиями с более подробным описанием:

1. Ток – это количество электричества, в то время как напряжением называют меру потенциальной энергии. Иными словами, оба этих понятия сильно зависят друг от друга, но при этом являются очень разными. I (сила тока) = U (напряжение) / R (сопротивление). Это главная формула, по которой можно вычислить зависимость силы тока от напряжения. На сопротивление влияет целый ряд факторов, включая материал, из которого сделан проводник, температура, внешние условия.
2. Разница в получении. Воздействие на электрические заряды в разных приборах (например, батареях или генераторах) создает напряжение. А ток получается путем прикладывания напряжения между точками схемы.

Неспособность воочию видеть электрический ток и поток зарядов всегда была проблемой для тех, кто пытается воспринимать основные электрические понятия. Два основных компонента исследований сила тока и напряжение, как правило, неверно истолкованы теми, кто пытается разобраться в теме. Эта статья поможет вам понять разницу между ними.

Основные понятия электричества вращаются вокруг одного атомного компонента ― электрона. Неустойчивые атомы, имеют либо дефицит, либо дополнительные электроны в своей валентной зоне. Лишние электроны с одного нестабильного атома стремятся в валентную зону атома имеющего дефицит электронов.

С помощью внешнего электрохимического источника, можно создать движение электронов. Любые две клеммы могут быть использованы для подключения этого источника заряда и создания двух контактов один с положительным потенциалом, а другой с отрицательным.

Разница потенциалов между двумя такими точками, одна из которых выступает в качестве источника, а другая приемника электронов, называется напряжением. Единицей измерения напряжения является вольт, и его символ «V» .

Поток электронов в проводнике, вызывает током. Направление тока идет от положительного полюса к отрицательному. Но электрические заряды, т. е. электроны, на самом деле путешествуют от отрицательного к положительному потенциалу источника. Количество электрического заряда, протекающего через единицу площади поперечного сечения проводника, называется силой тока. Сила тока измеряется в амперах, и имеет символ «I» .

Предохранители

Предохранитель используется в электрической цепи и электромонтажных работах, чтобы прервать поток чрезмерного тока через его компоненты. Производители электрических предохранителей указывают характеристики с помощью двух параметров - напряжения и силы тока. Критерии выбора предохранителя зависят от номинального напряжения цепи, в которой он будет работать.

Текущие характеристики предохранителя не зависят от вида, протекающего через него тока - переменного или постоянного. Это зависит только от величины тока в момент расплавления плавкой проволоки. Хотя толщина провода и тип используемой металлической проволоки является фактором, непосредственно связанным с текущей характеристикой оборудования. Это происходит потому, что теплота, выделяемая плавкой проволокой, является функцией квадрата тока, протекающего через проводник, умноженного на сопротивление и время протекания тока.

Влияние аккумуляторов на силу тока и напряжение

Аккумуляторы (батареи) как правило оцениваются по силе тока (амперам) который они могут поставлять непрерывно в течение одного часа. Поэтому характеристики аккумуляторов указаны в ампер-часах. Срок службы батареи зависит от подключенной через нее нагрузки. Тяжелые нагрузки, как правило, сокращают срок службы батареи, в то время как легкие нагрузки увеличивают ее срок службы.

Если аккумуляторы соединены в последовательном сочетании в электрической цепи, сети питания, напряжение в цепи будет увеличиваться, а сила тока в цепи останется на том же уровне.

Параллельное соединение источников напряжения используется для увеличения тока без увеличения напряжения.

Аналогия с потоком воды

Рассмотрим два резервуара соединенных прозрачной трубкой, вода в них держится на одинаковой высоте от земли. В трубке потока воды нет.

Теперь, если мы изменим положение одного из резервуаров, чтобы создать разность потенциалов, мы заметим, что вода поступает по трубке из контейнера с большим потенциалом в контейнер с более низким потенциалом. Вместо изменения уровня водоемов, мы можем также использовать водяные насосы для той же цели. Клапаны могут использоваться для регулирования количества протекающей в трубе воды из одного резервуара в другой.

Можно провести аналогию между этой ситуацией и простой электрической цепью. Водяной насос используется для создания давления воды в потоке, назовем это «напряжением». Вода ведет себя как заряженные электроны. Поток воды аналогичен движению электронов, и количество воды, протекающей через единицу площади поперечного сечения трубы аналогично «силе тока». Резервуар более высокого потенциала является "источником питания", и количество содержащейся в нем воды, является «емкостью аккумулятора». Любой кран устанавливаемый вдоль трубы можно рассматривать в качестве «нагрузки». электромонтажные работы

Дурацкий вопрос, скажете вы? Отнюдь. Опыт показал, что не так уж и много людей могут на него ответить правильно. Известную путаницу вносит и язык: в выражении «имеется в продаже источник 12 В» смысл искажен. На самом деле в данном случае имеется в виду, конечно, ис­точник напряжения, а не тока, так как ток в вольтах не измеряется, но так говорить не принято. Самое правильное будет сказать - «источник питания постоянного напряжения 12 вольт», а написать можно и «источник питания =12В» где символ «=» обозначает, что это именно постоянное напряжение , а не переменное. Впрочем, и в этой книге мы тоже иногда будем «ошибать­ся» - язык есть язык.

Чтобы разобраться во всем этом, для начала напомним строгие определения из учебника (зазубривать их- очень полезное занятие!). Итак, ток, точнее, его величина, есть количество электрического заряда, протекающее через сечение проводника за единицу времени: / = Qlt. Единица тока называется «ампер», и ее размерность в системе СИ- кулоны в секунду, знание сего факта пригодится нам позднее.

Куда более запутанно выглядит определение напряжения- величина на­пряжения есть разность электрических потенциалов между двумя точками пространства. Измеряется она в вольтах, и размерность этой единицы изме­рения - джоуль на кулон, то есть U – EIQ. Почему это так, легко понять, вникнув в смысл строгого определения величины напряжения: 1 вольт есть такая разность потенциалов, при которой перемещение заряда в 1 кулон тре­бует затраты энергии, равной 1 джоулю.

Все это наглядно можно представить себе, сравнив проводник с трубой, по которой течет вода. При таком сравнении величину тока можно себе пред­ставить, как количество (расход) протекающей воды за секунду (это доволь­но точная аналогия), а напряжение - как разность давлений на входе и вы­ходе трубы. Чаще всего труба заканчивается открытым краном, так что давление на выходе равно атмосферному давлению, и его можно принять за нулевой уровень. Точно так же в электрических схемах существует общий провод (или «общая шина» - в просторечии для краткости ее часто называ­ют «землей», хотя это и не точно - мы еще вернемся к этому вопросу позд­нее), потенциал которого принимается за ноль и относительно которого от-считываются все напряжения в схеме. Обычно (но не всегда!) за общий провод принимают минусовой вывод основного источника питания схемы.

Итак, вернемся к вопросу, сформулированному в заголовке: так чем же отли­чается ток от напряжения? Правильный ответ будет звучать так: ток - это количество электричества, а напряжение - мера его потенциальной энергии. Неискушенный в физике собеседник, разумеется, начнет трясти головой, пы­таясь вникнуть, и тогда можно дать такое пояснение. Представьте себе па­дающий камень. Если он маленький (количество электричества мало), но па­дает с большой высоты (велико напряжение), то он может наделать столько же несчастий, сколько и большой камень (много электричества), но падаю­щий с малой высоты (напряжение невелико).

Ток и напряжение являются количественными параметрами, применяемыми в электрических схемах. Чаще всего эти величины меняются с течением времени, иначе не было бы смысла в действии электрической схемы.

Напряжение

Условно напряжение обозначается буквой «U» . Работа, затраченная на перемещение единицы заряда из точки, имеющей малый потенциал в точку с большим потенциалом, является напряжением между этими двумя точками. Другими словами, это энергия, освобождаемая после перехода единицы заряда от высокого потенциала к малому.

Напряжение еще могут называть разностью потенциалов, а также электродвижущей силой. Этот параметр измеряется в вольтах. Чтобы переместить 1 кулон заряда между двумя точками, которые имеют напряжение 1 вольт, нужно выполнить работу в 1 джоуль. Кулонами измеряются электрические заряды. 1 кулон равен заряду 6х10 18 электронов.

Напряжение разделяется на несколько видов, в зависимости от видов тока.

• Постоянное напряжение . Оно присутствует в электростатических цепях и цепях постоянного тока.
• Переменное напряжение . Этот вид напряжения имеется в цепях с синусоидальными и переменными токами. В случае синусоидального тока рассматриваются такие характеристики напряжения, как:
  амплитуда колебаний напряжения – это максимальное его отклонение от оси абсцисс;
  мгновенное напряжение , которое выражается в определенный момент времени;
  действующее напряжение , определяется по выполняемой активной работе 1-го полупериода;
  средневыпрямленное напряжение , определяемое по модулю величины выпрямленного напряжения за один гармонический период.

При передаче электроэнергии по воздушным линиям устройство опор и их размеры зависят от величины применяемого напряжения. Величина напряжения между фазами называется линейным напряжением , а напряжение между землей и каждой из фаз – фазным напряжением . Такое правило применимо для всех типов воздушных линий. В России в электрических бытовых сетях, стандартным является трехфазное напряжение с линейным напряжением 380 вольт, и фазным значением напряжения 220 вольт.

Электрический ток

Ток в электрической цепи является скоростью движения электронов в определенной точке, измеряется в амперах, и обозначается на схемах буквой «I ». Также используются и производные единицы ампера с соответствующими приставками милли-, микро-, нано и т.д. Ток размером в 1 ампер образуется передвижением единицы заряда в 1 кулон за 1 секунду.

Условно считается, что ток в течет по направлению от положительного потенциала к отрицательному. Однако, из курса физики известно, что электрон движется в противоположном направлении.

Необходимо знать, что напряжение измеряется между 2-мя точками на схеме, а ток течет через одну конкретную точку схемы, либо через ее элемент. Поэтому, если кто-то употребляет выражение «напряжение в сопротивлении», то это неверно и неграмотно. Но часто идет речь о напряжении в определенной точке схемы. При этом имеется ввиду напряжение между землей и этой точкой.

Напряжение образуется от воздействия на электрические заряды в генераторах, и других устройствах. Ток возникает путем приложения напряжения к двум точкам на схеме.

Чтобы понять, что такое ток и напряжение, правильнее будет воспользоваться . На нем можно увидеть ток и напряжение, которые меняют свои значения во времени. На практике элементы электрической цепи соединены проводниками. В определенных точках элементы цепи имеют свое значение напряжения.

Ток и напряжение подчиняются правилам:

• Сумма токов, входящих в точку, равняется сумме токов, выходящих из точки (правило сохранения заряда). Такое правило является законом Кирхгофа для тока. Точка входа и выхода тока в этом случае называется узлом. Следствием из этого закона является следующее утверждение: в последовательной электрической цепи группы элементов величина тока для всех точек одинакова.
• В параллельной схеме элементов напряжение на всех элементах одинаково. Иначе говоря, сумма падений напряжений в замкнутом контуре равна нулю. Этот закон Кирхгофа применяется для напряжений.
• Работа, выполненная в единицу времени схемой (мощность), выражается следующим образом: Р = U*I . Мощность измеряется в ваттах. Работа величиной 1 джоуль, выполненная за 1 секунду, равна 1 ватту. Мощность распространяется в виде теплоты, расходуется на совершение механической работы (в электродвигателях), преобразуется в излучение различного вида, накапливается в емкостях или батареях. При проектировании сложных электрических систем, одной из проблем является тепловая нагрузка системы.

Характеристика электрического тока

Обязательным условием существования тока в электрической цепи является замкнутый контур. Если контур цепи разрывается, то ток прекращается.

По такому принципу действуют все в электротехнике. Они разрывают электрическую цепь подвижными механическими контактами, и этим прекращают течение тока, выключая устройство.

В энергетической промышленности электрический ток возникает внутри проводников тока, которые выполнены в виде шин, и других частей, проводящих ток.

Также существуют другие способы создания внутреннего тока в:

• Жидкостях и газах за счет передвижения заряженных ионов.
• Вакууме, газе и воздухе с помощью термоэлектронной эмиссии.
• , вследствие движения носителей заряда.

Условия возникновения электрического тока

• Нагревание проводников (не сверхпроводников).
• Приложение к носителям заряда разности потенциалов.
• Химическая реакция с выделением новых веществ.
• Воздействие магнитного поля на проводник.

Формы сигнала тока

• Прямая линия.
• Переменная синусоида гармоники.
• Меандром, похожий на синусоиду, но имеющий острые углы (иногда углы могут сглаживаться).
• Пульсирующая форма одного направления, с амплитудой, колеблющейся от нуля до наибольшей величины по определенному закону.

Виды работы электрического тока

• Световое излучение, создающееся приборами освещения.
• Создание тепла с помощью нагревательных элементов.
• Механическая работа (вращение электродвигателей, действие других электрических устройств).
• Создание электромагнитного излучения.

Отрицательные явления, вызываемые электрическим током

• Перегрев контактов и токоведущих частей.
• Возникновение вихревых токов в сердечниках электрических устройств.
• Электромагнитные излучения во внешнюю среду.

Создатели электрических устройств и различных схем при проектировании должны учитывать вышеперечисленные свойства электрического тока в своих разработках. Например, вредное влияние вихревых токов в электродвигателях, трансформаторах и генераторах снижается путем шихтовки сердечников, применяемых для пропускания магнитных потоков. Шихтовка сердечника – это его изготовление не из цельного куска металла, а из набора отдельных тонких пластин специальной электротехнической стали.

Но, с другой стороны, вихревые токи используют для работы микроволновых печей, духовок, действующих по принципу магнитной индукции. Поэтому, можно сказать, что вихревые токи оказывают не только вред, но и пользу.

Переменный ток с сигналом в форме синусоиды может различаться частотой колебаний за единицу времени. В нашей стране промышленная частота тока электрических устройств стандартная, и равна 50 герцам. В некоторых странах используется частота тока 60 герц.

Для различных целей в электротехнике и радиотехнике используют другие значения частоты:

• Низкочастотные сигналы с меньшей величиной частоты тока.
• Высокочастотные сигналы, которые намного выше частоты тока промышленного использования.

Считается, что электрический ток возникает при движении электронов внутри проводника, поэтому он называется током проводимости. Но существует и другой вид электрического тока, который получил название конвекционного. Он возникает при движении заряженных макротел, например, капель дождя.

Электрический ток в металлах

Движение электронов при воздействии на них постоянной силы сравнивают с парашютистом, который снижается на землю. В этих двух случаях происходит равномерное движение. На парашютиста действует сила тяжести, а противостоит ей сила сопротивления воздуха. На движение электронов действует сила электрического поля, а сопротивляются этому движению ионы решеток кристаллов. Средняя скорость электронов достигает постоянного значения, так же как и скорость парашютиста.

В металлическом проводнике скорость движения одного электрона равна 0,1 мм в секунду, а скорость электрического тока около 300 тысяч км в секунду. Это объясняется тем, что электрический ток течет только там, где к заряженным частицам приложено напряжение. Поэтому достигается большая скорость протекания тока.

При перемещении электронов в кристаллической решетке существует следующая закономерность. Электроны сталкиваются не со всеми встречными ионами, а только с каждым десятым из них. Это объясняется законами квантовой механики, которые можно упрощенно объяснить следующим образом.

Движению электронов мешают большие ионы, которые оказывают сопротивление. Это особенно заметно при нагревании металлов, когда тяжелые ионы «качаются», увеличиваются в размерах и уменьшают электропроводность решеток кристаллов проводника. Поэтому при нагревании металлов всегда увеличивается их сопротивление. При снижении температуры повышается электрическая проводимость. При снижении температуры металла до абсолютного нуля можно добиться эффекта сверхпроводимости.

Многие из нас, еще со школьной скамьи не могут понять того, какие аспекты, отличают силу тока от напряжения. Конечно, учителя постоянно утверждали то, что разница между двумя этими понятиями, является просто огромной. Тем не менее, только некоторые взрослые имеют возможность похвастаться наличием соответствующих знаний и если вы к числу таковых не принадлежите, то вам самое время обратить внимание на наш, сегодняшний обзор.

Что такое сила тока и напряжение?

Для того, чтобы говорить о том, что собой представляет сила тока и какие нюансы с ней могут быть связаны, считаем необходимым обратить ваше внимание на то, чем она является сам по себе. Ток — это процесс, во время которого, под непосредственным воздействие электрического поля, начинает происходить движение неких, заряженных частиц. В качестве последних, может выступать целый перечень всевозможных элементов, в этом плане, все зависит от конкретной ситуации. Так, к примеру, если речь идет об проводниках, то в этом случае, в качестве вышеупомянутых частиц, будут выступать электроны.


Возможно некоторые из вас этого и не знали, но ток активно используется в современной медицине и в частности для того, что избавить человека от целого перечня всевозможных болезней, та же эпилепсия, например. Незаменим ток также и в быту, ведь с его помощью, у вас дома горит свет и работают некоторые электроприборы. Сила тока, в свою очередь, подразумевает под собой некую физическую величину. Обозначается она символом I.


В случае с напряжением, все обстоит куда сложнее, даже если сравнивать его с таким понятием, как «сила тока». Там предусмотрены единичные положительные заряды, которые должны перемещаться из разных точек. Кроме этого, напряжением называют такую энергию, посредством которой и происходит вышеупомянутое перемещение. В школах, для понимания этого понятия, нередко приводят в пример течение воды, которое происходит между двумя банками. В данной ситуации, в качестве тока, будет выступать сам поток воды, в то время, как напряжение сможет показывать разницу уровней в двух этих банках. По этому, течение будет наблюдаться до тех пор, пока оба уровни в банках не сравняются.

Что отличает силу тока от напряжения?

Осмелимся предположить, что в качестве основной разницы между двумя этими понятиями является их непосредственное определением:

1. Под словами «сила тока» и «ток», в частности, представляют некое количество электричества, в то время, как напряжением принято считать меру потенциальной энергии. Простыми словами, два эти понятия достаточно сильно зависят друг от друга, сохраняя некоторые отличительные особенности, при всем этом. На их сопротивление влияет огромное количество самых разнообразных факторов. Важнейшим из них, является материал, из которого выполнен тот или иной проводник, внешние условия, а также температура.
2. Некая разница предусмотрена также и в их получение . Так, если воздействие на электрические заряды, создает напряжение, то ток получается уже путем прикладывания напряжения между точками схемы. Кстати говоря, в качестве таковых приборов, могут выступать обыкновенные батареи или более продвинутые и удобные генераторы. По этой причине мы и можем говорить о том, что основные отличия двух этих понятий, сводятся к их определению, а также тому, что получаются они в результате совершенно разных процессов.

Путать не следовало бы ток также и вместе с энергопотреблением . Понятия эти являются совершенно разными и главным их отличием должна восприниматься именно мощность . Так, в том случае, если напряжение предназначено для того. чтобы характеризовать потенциальную энергию, то в случае с током, энергия эта будет уже кинетической. В наших, современных реалиях, преимущественное большинство труб соответствует аналогиям из мира электричества. Речь идет об нагрузке, которая создается во время подключения лампочки или того же телевизора в сеть. Во время этого, создается расход электричества, который в конечном итоге, приводит к появлению тока.

Конечно, в том случае, если в розетку вы не будете подключать никаких электроприборов, напряжение будет оставаться неизменным, в то самое время, как ток будет равняться нулю. Ну а если не будет предусмотрено расхода, то какая вообще может идти речь о токе и какой-либо его силе? По этому, ток — это всего лишь некое количество электричества, в то время, как напряжением считается мера потенциальной энергии определенного источника электричества.

Чем отличается ток от напряжения?

Поэтому-то мне будет легче, facilius natans, взять тему по моему выбору, которая для этих трудных вопросов богословия явилась бы тем же, чем мораль является для метафизики и философии.

А. Дюма. Три мушкетера

Дурацкий вопрос, скажете вы? Отнюдь. Опыт показал, что не так уж и много людей могут на него ответить правильно. Известную путаницу вносит и язык: в выражении «имеется в продаже источник постоянного тока 12 В» смысл искажен. На самом деле в данном случае имеется в виду, конечно, источник напряжения, а не тока, поскольку ток в вольтах не измеряется, но так говорить не принято. Самое правильное будет сказать - «источник питания постоянного напряжения 12 вольт», а написать можно и «источник питания =12В», где символ «=» обозначает, что это именно постоянное напряжение, а не переменное. Впрочем, и в этой книге мы тоже иногда будем «ошибаться» - язык есть язык.

Чтобы разобраться во всем этом, для начала напомним строгие определения из учебника (зазубривать их - весьма полезное занятие!). Итак, ток , точнее, его величина, есть количество электрического заряда, протекающее через сечение проводника за единицу времени : I = Q /t . Единица тока называется «ампер», и ее размерность в системе СИ - кулоны в секунду. Знание сего факта пригодится нам позднее.

Куда более запутанно выглядит определение напряжения - величина напряжения есть разность электрических потенциалов между двумя точками пространства . Измеряется она в вольтах, и размерность этой единицы измерения - джоуль на кулон, т. е. U = E /Q . Почему это так, легко понять, вникнув в смысл строгого определения величины напряжения: 1 вольт есть такая разность потенциалов, при которой перемещение заряда в 1 кулон требует затраты энергии, равной 1 джоулю .

Все это наглядно можно представить себе, сравнив проводник с трубой, по которой течет вода (и это будет довольно точная аналогия). При таком сравнении величину тока можно себе представить, как количество (расход) протекающей воды за секунду, а напряжение - как разность давлений на входе и выходе трубы. Чаще всего труба заканчивается открытым краном, так что давление на выходе равно атмосферному давлению, и его можно принять за нулевой уровень. Точно так же в электрических схемах существует общий провод (или «общая шина» - в просторечии для краткости ее часто называют «землей», хотя это и не точно - мы, еще вернемся к этому вопросу позднее), потенциал которого принимается за ноль и относительно которого отсчитываются все напряжения в схеме. Обычно (но не всегда!) за общий провод принимают минусовой вывод основного источника питания схемы.

Итак, вернемся к вопросу, сформулированному в заголовке: так чем же отличается ток от напряжения? Правильный ответ будет звучать так: ток - это количество электричества, а напряжение - мера его потенциальной энергии. Неискушенный в физике собеседник, разумеется, начнет трясти головой, пытаясь вникнуть, и тогда можно дать такое пояснение. Представьте себе падающий камень. Если он маленький (количество электричества мало), но падает с большой высоты (велико напряжение), то он может наделать столько же несчастий, сколько и большой камень (много электричества), но падающий с малой высоты (напряжение невелико).

Связь тока и напряжения

На самом деле аналогия с камнем наглядна, но не точна - труба с текущей жидкостью подходит куда больше. Дело в том, что напряжение и ток обычно связаны между собой. (Слово «обычно» я употребил потому, что в некоторых случаях - в источниках напряжения или тока - от этой связи стараются избавиться, хотя полностью никогда и не удается.) В самом деле, если вернуться к нашей трубе, то легко представить, как с увеличением давления (напряжения) увеличивается количество протекающей жидкости (ток). Иначе зачем нужны были бы насосы? Сложнее представить себе наглядно обратную зависимость - как ток влияет на напряжение. Для этого нужно сначала понять, что такое сопротивление .

Вплоть до середины XIX века физики не знали, как выглядит зависимость тока от напряжения. Этому есть одна важная причина. Попробуйте сами экспериментально выяснить, как выглядит график этой зависимости. Схема эксперимента приведена на рис. 1.1, а примерные результаты - на рис. 1.2.

Рис. 1.1. Схема эксперимента по проверке закона Ома

Рис. 1.2. Примерные результаты проверки закона Ома

Показанные на графике результаты весьма приблизительны, т. к. реальный вид кривой сильно зависит от того, как именно выполнен подопытный проводник («П» на рис. 1.1) - плотно или редко он намотан, на толстый массивный каркас или на тонкий стакан из бумаги, а также от температуры в комнате, наличия сквозняка и еще от множества других причин.

Именно такое непостоянство и смущало физиков - не только сама кривая загибается (т. е. ток в общем случае непропорционален напряжению), но вид и форма этого загиба весьма непостоянны и меняются как при изменении условий внешней среды, так и для различных материалов.

Понадобился гений Георга Ома, чтобы за всеми этими деревьями увидеть настоящий лес - а именно понять, что зависимость тока от напряжения описывается элементарно простой формулой: I = U /R , а все несуразности, упомянутые ранее, проистекают от того, что величина сопротивления R зависит от материала проводника и от условий внешней среды, в первую очередь от температуры. Так, в нашем эксперименте загиб кривой вниз происходит потому, что при прохождении тока проводник нагревается, а сопротивление меди с повышением температуры увеличивается (примерно на 0,4 % с каждым градусом изменения температуры). А вот сама величина этого нагрева зависит от всего, чего угодно, - намотайте провод поплотнее и заверните его в асбест - он будет нагреваться сильнее, а размотайте его и поместите на сквозняк - нагрев резко уменьшится.

В знак признания заслуг Георга Ома (рис. 1.3) единица измерения сопротивления так и называется - ом (ohm по-английски). Согласно формуле, приведенной в предыдущем абзаце, 1 Ом есть сопротивление такого проводника, через который течет ток в 1А при напряжении на его концах, равном 1 В . Обратная сопротивлению величина называется проводимостью и измеряется в сименсах, названных так в честь другого немецкого ученого, электротехника и предпринимателя Вернера фон Сименса: 1 См = 1/Ом. В электронике почти всегда оперируют именно величиной сопротивления, так что сименсы мы оставим для физиков.

Рис. 1.3. Георг Симон Ом (1787–1854) - немецкий физик, член-корреспондент Берлинской АН. Окончил Эрландский университет. Преподавал математику, затем физику в различных гимназиях. С 1833 года - профессор Нюрнбергской высшей политехнической школы. В 1849–1852 годах - ректор Мюнхенского университета Член Лондонского королевского общества.

Заметки на полях

Обратите внимание, что название единицы измерения «ом» мы пишем со строчной буквы, а ее обозначение («Ом») - с прописной. Это общее правило - все обозначения единиц измерения, которые образованы от фамилий ученых, пишутся с прописной буквы: Дж (джоуль), Вт (ватт), В (вольт), А (ампер). В то же время обозначения единиц измерения, которые не образованы от имен собственных, а являются обычными словами, пишутся со строчной буквы: с (секунды), м (метры).

Сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров - оно увеличивается пропорционально длине и уменьшается пропорционально площади сечения: R = ρ ·L /S . Большое практическое значение имеет коэффициент пропорциональности ρ - так называемое удельное сопротивление материала проводника. При определенной температуре (обычно берется 20 °C) эта величина почти постоянна для каждого материала. «Почти» я тут написал потому, что на самом деле эта величина сильно зависит от химической чистоты и даже от способа изготовления материала проводника (например, формировался ли проводник штамповкой, протяжкой или электрохимическим напылением). Для проводников стараются употреблять очень чистые металлы, скажем, обычный медный провод изготавливают из меди с количеством примесей не более 0,1 % (как говорят, с чистотой в «три девятки»), это позволяет уменьшить сопротивление такого провода и избежать лишних потерь на его нагрев.

Удельное сопротивление проводника, по определению, есть сопротивление (Ом) проводника единичной площади (1 м 2) и единичной длины (1 м), и если подставить эти величины в формулу, приведенную ранее, вы получите размерность для удельного сопротивления Ом·м 2 /м или просто Ом·м. Практически в таких единицах измерять удельное сопротивление страшно неудобно, т. к. для металлов величина получается крайне маленькой - представляете сопротивление куба меди с ребром в 1 м?! На практике часто употребляют единицу в 100 раз больше: Ом·см. Эта величина часто приводится в справочниках (см., например, ), но и она не слишком удобна для практических расчетов. Так как диаметр проводников измеряют обычно в миллиметрах (а сечение, соответственно, в квадратных миллиметрах), то на практике наиболее удобна старинная внесистемная единица Ом·мм 2 /м, которая равна сопротивлению проводника сечением в 1 квадратный миллиметр и длиной 1 метр.

Для того чтобы выразить официальный Омм в этих единицах, нужно умножить его величину на 10 6 , а для Ом·см - на 10 4 . Подглядев в справочнике величину удельного сопротивления меди (0,0175 Ом·мм 2 /м при 20 °C), мы легко можем вычислить, что сопротивление проводника с параметрами, приведенными на рис. 1.1, составляет около 45 Ом (проверьте!).

Надо сказать, что человечество весьма преуспело в изготовлении специальных материалов, имеющих коэффициент удельного сопротивления, мало зависящий от температуры. Это прежде всего специальные сплавы, константан и манганин, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) которых в несколько сотен раз меньше, чем у чистых металлов. А для обычных стандартных углеродистых или металлопленочных резисторов ТКС составляет приблизительно 0,1 % на градус, т. е. примерно в 4 раза лучше, чем у меди. Есть и специальные прецизионные резисторы (среди отечественных это, например, С2-29В, проволочные С5-54В и др.), у которых этот коэффициент значительно меньше. Есть и другие материалы, у которых температурный коэффициент, наоборот, весьма велик (несколько процентов на градус, и при этом, в отличие от металлов, отрицателен) - из них делают так называемые термисторы , которые используют как чувствительные датчики температуры (подробнее о них см. главу 13 ). Однако для точного измерения температуры все же используют чистые металлы - чаще всего платину и медь. К этому вопросу мы еще вернемся.

Регулирование тока с помощью сопротивления

Познакомившись, таким образом, с понятием сопротивления и его особенностями, вспомним, для чего мы все это делали. Ах, да, мы же хотели понять, как практически представить зависимость напряжения от тока! Но ведь мы пока не умеем произвольно изменять ток в проводнике, так? Напряжение изменять просто - нужно взять регулируемый источник питания, как это изображено на рис. 1.1, или, на худой конец, набор батареек, при последовательном соединении которых (одной, двух, трех и т. д.) мы получим некий набор напряжений. А вот источников тока (именно тока, а не напряжения) мы еще не имеем. Как же быть?

Выход из этой ситуации показан на рис. 1.4 (заметьте, мы от схематического изображения проводника, как катушки из длинной проволоки, имеющей некое сопротивление, перешли к стандартному изображению резисторов, как это делается в настоящих электрических схемах). Здесь мы уже не используем регулируемый источник питания - он нам не нужен. Питается схема от батареи из трех гальванических элементов, например, типоразмера D, соединенных последовательно. Каждый такой элемент (если он еще не был в эксплуатации) дает напряжение примерно 1,62 В, так что суммарное напряжение будет почти 5 В, как и указано на схеме (под нагрузкой и по мере истощения элементов напряжение немного упадет, но ошибка в данном случае не играет большой роли).

Рис. 1.4. Схема для изучения свойств цепи с двумя резисторами

Как работает эта схема? Допустим, что движок переменного резистора (подробнее о них рассказано в главе 5 ) R1 выведен в крайнее правое (по схеме) положение. Проследим путь тока от плюсового вывода батареи: амперметр, вывод движка резистора R1, крайний правый вывод R1, резистор R2, минусовой вывод батареи. Получается, что резистор R1 в схеме как бы не участвует - ток от плюсового вывода батареи сразу попадает на R2 (амперметр, как мы узнаем из главы 2 , можно не принимать во внимание), и схема становится фактически такой же, как на рис. 1.1. Что покажут наши измерительные приборы? Вольтметр покажет напряжение батареи - 5 В, а показания амперметра легко вычислить по закону Ома: ток в цепи составит 5 В/50 Ом = 0,1 А или 100 мА. На всякий случай еще раз напомним, что эти значения приблизительные - реальное напряжение батареи несколько меньше 5 В.

Теперь поставим движок R1 в среднее положение. Ток в цепи теперь пойдет от плюса батареи через амперметр, вывод движка R1, половину резистора R1, резистор R2 и далее, как и раньше, вернется к минусу батареи. Как изменятся показания приборов? Раньше резистор R1 в процессе не участвовал, а теперь участвует, хоть и половинкой. Соответственно, общее сопротивление цепи станет уже не 50 Ом (один резистор R2), а 50 (R2) + 50 (половинка R1), т. е. 100 Ом. Амперметр покажет уже не 100 мА, а 5 В/100 Ом = 0,05 А или 50 мА - в два раза меньше.

А вот что покажет вольтметр? Так сразу и не скажешь, не правда ли? Придется посчитать, и для этого рассмотрим отдельно участок цепи, состоящий из R2 с присоединенным к нему вольтметром. Очевидно, что току у нас деться некуда - все то количество заряда, которое вышло из плюсового вывода батареи, пройдет через амперметр, через половинку R1, через R2 и вернется в батарею

Источники напряжения и тока

В схеме на рис. 1.4 мы можем выделить, как показано пунктиром, ее часть, включив туда батарейку и переменный резистор R1. Тогда этот резистор (вместе с сопротивлением амперметра, конечно) можно рассматривать, как внутреннее сопротивление источника электрической энергии, каковым выделенная часть схемы станет для нагрузки, роль которой будет играть R2. Любой источник, как легко догадаться, имеет свое внутреннее сопротивление (электронщики часто употребляют выражение выходное сопротивление ) - хотя бы потому, что у него внутри есть провода определенной толщины.

Но на самом деле не провода служат ограничивающим фактором. В главе 4 мы узнаем, что такое электрическая мощность в строгом значении этого понятия, а пока, опираясь на интуицию, читатель может сообразить сам: чем мощнее источник; тем у него меньше должно быть свое внутреннее сопротивление, иначе все напряжение «сядет» на этом внутреннем сопротивлении, и на долю нагрузки ничего не достанется. На практике так и происходит - если вы попытаетесь запустить от набора батареек типа АА какой-нибудь большой прибор, питающийся от источника с низким напряжением (вроде настольного сканера или ноутбука), то прибор, конечно, не заработает, хотя формально напряжения должно хватать, - напряжение «сядет» почти до нуля. А вот от автомобильного аккумулятора, который гораздо мощнее, все получится как надо.

Такой источник, у которого внутреннее сопротивление мало по отношению к нагрузке, называют еще идеальным источником напряжения. Физики предпочитают название идеальный источник э.д.с. (электродвижущей силы), но на практике это абстрактное понятие используется реже, чем менее строгое, но всем понятное «напряжение». К ним относятся в первую очередь все источники электрического питания: от батареек до промышленной сети. Кстати, для снижения внутреннего сопротивления вовсе не обязательно увеличивать мощность источника напряжения до бесконечности - к тому же эффекту приводят специальные меры по стабилизации напряжения, с которыми мы познакомимся в главе 9 .

Наоборот, идеальный источник тока , как нетрудно догадаться, обязан обладать бесконечным внутренним сопротивлением - только тогда ток в цепи совсем не будет зависеть от нагрузки. Понять, как источник реального тока (не бесконечного малого) может обладать бесконечным выходным сопротивлением, довольно трудно, и в быту такие источники вы не встретите. Однако уже обычный резистор, включенный последовательно с источником напряжения (не тока!), как R1 на рис. 1.4, при условии, что сопротивление нагрузки мало (R2 << R1), может служить хорошей моделью источника тока. Еще ближе к желаемому будут транзисторы в определенном включении, и мы с этим разберемся позднее. А с помощью обратной связи и операционных усилителей можно добиться и результатов, близких к теоретическому идеалу - построить источник тока конечной величины с выходным сопротивлением, весьма близким к бесконечности.

Источники напряжения и тока обозначаются на схемах так, как показано на рис. 1.5, а и б . Не перепутайте - логики в этих обозначениях немного, но так уж принято. А так называемые эквивалентные схемы (их еще называют схемами замещения) реальных источников приведены на рис. 1.5, в и г , где R в обозначает внутреннее сопротивление источника.

Рис. 1.5. Источники тока и напряжения.

а - обозначение идеального источника напряжения, б - обозначение идеального источника тока, в - эквивалентная схема реального источника напряжения, г - эквивалентная схема реального источника тока

Как только мы начинаем изучать по школьной программе физику, практически сразу же нам учителя начинают говорить о том, что между током и напряжением очень большая разница, и ее знание крайне нам понадобиться в дальнейшей жизни. И все же, сейчас об отличиях между двумя понятиями зачастую не может рассказать даже взрослый человек. А ведь знать эту разницу нужно каждому, потому как с током и напряжением мы имеем дело в повседневной жизни, например, включая телевизор или зарядное устройство телефона в розетку.

Определение

Током называется процесс, когда под воздействием электрического поля начинается упорядоченное движение заряженных частиц. Частицами могут выступать самые разные элементы, все зависит от конкретного случая. Если мы говорим о проводниках, то частицами в данной ситуации являются электроны. Изучая электричество, люди стали понимать, что возможности тока позволяют использовать его в самых разных областях, включая медицину. Ведь электрические заряды помогают реанимировать больных, восстанавливать работу сердца. Кроме того, ток применяют в лечении таких сложных заболеваний, как эпилепсия или болезнь Паркинсона. В быту же электрический ток просто незаменим, ведь с его помощью в наших квартирах и домах горит свет, работают электроприборы.

Напряжение – понятие куда более сложное, нежели ток. Единичные положительные заряды перемещаются из разных точек: из низкого потенциала в высокий. И напряжением называется энергия, затрачиваемая на это перемещение. Для простоты понимания часто приводят пример с течением воды между двумя банками: ток – это сам поток воды, а напряжение показывает разницу уровней в двух банках. Соответственно, течение будет до тех пор, пока уровни не сравнятся.

Отличие

Наверное, основную разницу между током и напряжением можно было заметить уже из определения. Но для удобства мы приведем два основных различия между рассматриваемыми понятиями с более подробным описанием:

1. Ток – это количество электричества, в то время как напряжением называют меру потенциальной энергии. Иными словами, оба этих понятия сильно зависят друг от друга, но при этом являются очень разными. I (сила тока) = U (напряжение) / R (сопротивление). Это главная формула, по которой можно вычислить зависимость силы тока от напряжения. На сопротивление влияет целый ряд факторов, включая материал, из которого сделан проводник, температура, внешние условия.
2. Разница в получении. Воздействие на электрические заряды в разных приборах (например, батареях или генераторах) создает напряжение. А ток получается путем прикладывания напряжения между точками схемы.

← Вернуться