Если в электрической цепи нет напряжения то в ней

Электрические цепи

В системе отключенных конденсаторов заряд всегда остаётся постоянным. Напряжение и ёмкость может меняться.

Выделившееся количество теплоты равно разности начальной и конечной энергии:

Начальные и конечные энергии определяются энергиями конденсаторов и катушек индуктивности входящих в цепь.

Конденсатор в цепи постоянного тока

Плоский конденсатор представляет собой пластинки, на которых может скапливаться заряд. Между пластинками находится пространство, заполненное диэлектриком (или воздухом в роли диэлектрика). Поскольку диэлектрики ― вещества, плохо проводящие ток, от одной пластины конденсатора через слой диэлектрика на другую пластину заряд перейти не может, а значит, через конденсатор ток не проходит. Если на участке цепи находится такой конденсатор ― этот участок «заблокирован», тока в нем нет.

Если на участке цепи находится конденсатор не заряженный, или заряженный частично, а цепь подключают к источнику тока ― на обкладках конденсатора начинает скапливаться заряд. Это означает, что на этом участке цепи до конденсатора есть ток ― до тех пор, пока конденсатор не заряжен полностью.

Если цепь от источника тока отключить, и в ней есть заряженный конденсатор ― конденсатор начинает разряжаться. Заряды с одной обкладки конденсатора пытаются перейти на другую, по «длинному пути» ― через всю цепь, создавая, таким образом, ток. Ток в такой цепи будет до тех пор, пока конденсатор не разрядится.

Пусть в цепи есть два резистора с сопротивлениями R₁ и R₂, источник ЭДС ε, и конденсатор емкостью C:

Конденсатор C полностью заряжен. В этом случае токи в цепи не проходят через участок цепи FG ― его словно нет в цепи, и в расчетах параметров цепи он не учитывается. Ток считается выходящим из положительно заряженной клеммы источника ЭДС (тонкая и длинная) к входящим в отрицательно заряженную клемму (жирная короткая черта):

Конденсатор разряжен или заряжен не док конца. В этом случае конденсатор только заряжается, и ток в цепи через точку F проходит — вплоть до обкладки конденсатора – но дальше, в точку G ток не проходит.

Конденсатор заряжен, но от источника ЭДС цепь отключена. В этом случае ток идет через всю цепь ― пока конденсатор может служить источником зарядов и пока полностью не разрядится. Когда конденсатор разрядится ― ток в цепи прекратится.

Напряжения на всех параллельных участках цепи равны ― это основное свойство параллельного подключения. Вне зависимости от того, находится на ветви резистор, или конденсатор. Таким образом, во всех случаях для примера выше, напряжение на конденсаторе C равно напряжению на резисторе R₁, и равно напряжению на резисторе R₂. Благодаря этому свойству, зная, например, энергию, скопившуюся на заряженном конденсаторе, или его заряд, можно вычислить напряжение на резисторах.

Состояние равновесия и зарядка конденсаторов

Электрическая цепь и закон Ома

Электрическая цепь является основой любого, радиотехнического устройства, в том числе и тех усилителей низкой частоты и приемников, конструировать которые ты собираешься. А пока разберись в Простейшей электрической цепи и ее законах, в расчетах некоторых ее элементов.

Итак, простейшая электрическая цепь (рис. -5). Ее можно составить из источника постоянного тока (GB), его нагрузки (R), то есть потребителя тока, выключателя (S) и соединительных проводников.

Источником тока может быть батарея 3336Л, потребителем — лампочка накаливания, рассчитанная на напряжение 3,5 В и ток 0,26 А (или резистор — радиодеталь, обладающая определен-хным сопротивлением), выключателем — тумблер или звонковая кнопка, соединительными проводниками — отрезки изолированного провода. Составь такую цепь, разложив ее элементы прямо на столе.

Она должна напоминать тебе цепь электрического фонаря. Все точки соединения желательно пропаять, так как только пайка обеспечивает надежный электрический контакт. Если батарея свежая (новая), нить накала лампочки исправна, все соединения надежны, то при замыкании контактов выключателя S в цепи потечет ток и лампочка станет ярко светиться. Проверь, так ли это.

Из подобных электрических цепей, только с другими элементами, будут слагаться все твои будущие радиотехнические устройства.

Запомни: ток во всей внешней части цепи течет от положительного к отрицательному полюсу батареи.

При последовательном соединении ток во всей цепи и в каждом из ее участков одинаков. Проверить это ты можешь с помощью амперметра постоянного тока. Включи его, например, в разрыв цепи между положительным полюсом батареи и лампочкой.

На схеме, показанной на рис. 5, эта точка включения амперметра обозначена крестом. Затем амперметр включи между выключателем и отрицательным полюсом батареи. Всюду, в какой бы точке цепи ты ни включал измерительный прибор, его стрелка будет фиксировать одно и то же значение тока — около 0,2 А. По мере разрядки батареи ток в цепи уменьшается, а свет лампочки тускнеет.

Теперь проведи такой опыт. Разомкни цепь выключателем. Подключи к батарее вольтметр PU (рис. 6), чтобы измерить напряжение на ней, а затем, не отключая вольтметра от батареи, вновь замкни цепь. Есть разница в показаниях вольтметра?

После замыкания цепи вольтметр должен показывать несколько меньшее напряжение: он показывает напряжение, развиваемое батареей на концах внешней цепи, которое всегда меньше «холостого» напряжения батареи. Часть же напряжения падает (гаснет, теряется) на ее внутреннем сопротивлении. По мере разрядки батареи ее внутреннее сопротивление и падение напряжения на нем увеличиваются.

Следующий опыт. Включи последовательно в цепь еще одну такую же «лампочку накаливания (рис. 7). Как горят лампочки? Вполнакала. Так и должно быть. Почему?

Если не учитывать сопротивления соединительных проводников и контактов выключателя, которые малы по сравнению с сопротивлением нитей накала лампочек, сопротивление внешнего участка цепи увеличится примерно вдвое.

Теперь напряжение батареи оказывается приложенным к нитям накала двух лампочек. На каждую из них приходится вдвое меньшее напряжение, чем ранее на одну. Соответственно уменьшились ток, текущий через лампочки, и накал их нитей.

В замкнутой электрической цепи соотношение между действующим в ней напряжением, силой тока, развиваемой этим напряжением, и сопротивлением цепи определяется законом Ома: ток I прямо пропорционален напряжению U и обратно пропорционален сопротивлению R. Математически этот закон электрической цепи выглядит так:

I = U/R или U =I*R или R = U/I.

Учти: ток I, напряжение U и сопротивление R в формулах этого закона должны выражаться в основных электрических величинах — амперах (А), вольтах (В) и омах (Ом).

Этот закон справедлив и для участка цепи, например для лампочки накаливания или резистора, включенных в замкнутую цепь. В этом ты можешь убедиться сейчас же, составив такую же цепь, как та, схема которой изображена на рис. 8.

Если напряжение батареи (35=4,5 В, а сопротивление резистора R = 10 Ом, то амперметр РА2 будет показывать ток, равный 0,45 А (450 мА), а вольтметр PU1 — около 4,5 В. В данном случае все напряжение батареи через амперметр, внутреннее сопротивление которого мало, приложено к резистору R, поэтому на нем падает почти все напряжение источника тока.

Замени резистор другим резистором с номинальным (обозначенным на его корпусе) сопротивлением 20. 30 Ом. Вольтметр, подключенный к резистору, должен показывать то же напряжение. А амперметр? Амперметр покажет значение тока меньшее, чем в предыдущем случае.

Если, например, сопротивление резистора 30 Ом, то амперметр покажет ток 0,15 А (150 мА). Впрочем, зная сопротивление резистора и падение напряжения на нем, значение тока в цепи ты можешь узнать, не глядя на стрелку амперметра.

Для этого надо лишь разделить показание вольтметра (в вольтах) на сопротивление резистора (в омах), то есть решить задачу, пользуясь формулой закона Ома:

I= U/R.

Приемник или усилитель — это не просто электрическая цепь, а взаимосвязанные цепи, где одна цепь управляет другой, электрическая энергия из одной цепи передается в другую. Наглядной иллюстрацией этого может быть, например, такой опыт (рис. 9).

Подключи к батарее 3336Л проволочный переменный резистор сопротивлением 10. 15 Ом, а между одним из его крайних выводов и движком (роль такого резистора может выполнить небольшая часть спирали электроплитки) включи ту же лампочку накаливания. Движок резистора поставь в среднее положение относительно крайних выводов.

Как горит лампочка? Вполнакала. Передвинь движок к крайнему нижнему (по схеме) выводу. Как теперь? Совсем не горит. А если движок будет вр крайнем верхнем (опять-таки по схеме) положении? Лампочка станет гореть полным накалом. Как видишь, с помощью переменного резистора можно плавно уменьшать и увеличивать накал электролампочки.

В этом опыте две взаимосвязанные цепи. Первую цепь образуют батарея GB и резистор R, вторую — лампочка Я и та часть резистора между его нижним (по схеме) выводом и движком, к которому лампочка подключена.

На всем резисторе падает все напряжение батареи. А та часть этого напряжения, которая приходится на нижний участок резистора, через движок подается на нить накала лампочки. И чем больший участок резистора вводится во вторую цепь, тем больше напряжение на нити накала лампочки, тем ярче она светится.

Переменный резистор, используемый таким ббразом, выполняет роль делителя напряжения батареи, или, как еще говорят, потенциометра. В Данном случае он делит напряжение батареи на две части и одну ее часть, которую можно регулировать, передает в управляемую им вторую цепь.

Забегая вперед, скажем, что принципиально именно так происходит регулирование громкости в приемниках и усилителях низкой частоты.

С помощью делителя напряжения ту же лампочку можно питать от батареи, напряжение которой значительно больше того напряжения, на которое рассчитана ее нить накала.

Роль делителя могут выполнять также два постоянных резистора, как показано на схеме рис. 10. Здесь сопротивление резистора R2 должно быть таким, чтобы на этом участке делителя падало напряжение, соответствующее номинальному напряжению лампочки Н.

В том случае, если напряжение батареи вдвое больше напряжения, которое надо подвести к лампочке, сопротивления резисторов делителя R1R2 должны быть примерно одинаковыми.

Подобные делители напряжения ты можешь увидеть практически в любом радиотехническом устройстве. Они будут непременными элементами и твоих конструкций.

Есть, однако, другой способ питания той же лампочки от батареи большего напряжения — путем включения в цепь гасящего резистора, то есть резистора, который будет гасить некоторую часть напряжения источника питания.

Соедини последовательно две батареи 3336Л — получится батарея напряжением 9 В. Подключи к ней ту же лампочку (3,5 В X 0,26 А), но так, как показано на схеме рис. 11, — через резистор RГас сопротивлением 20. 25 Ом, рассчитанный на мощность рассеяния не менее 1 Вт. Резистор такого сопротивления можно составить из двух резисторов мощностью по 0.5 Вт, то есть резисторов типа МЛТ-0,5 с номиналами 39. 51 Ом, соединив их параллельно. Лампочка, как видишь, светится нормально, только, возможно, резистор немного греется.

В этом опыте резистор и нить накала лампочки тоже, по существу, образуют делитель напряжения. На, нити накала падает напряжение (около 3,5 В), соответствующее ее сопротивлению (около 13 Ом), поэтому она светится. Остальное напряжение батареи падает на резисторе. Резистор, таким образом, гасит (поглощает) избыточное напряжение батареи, поэтому его обычно и называют гасящим.

С другой точки зрения, резистор ограничивает ток в цепи, а значит, и ток, текущий через нить накала лампочки. Поэтому его можно также называть ограничительным. Задача же его одна — создать для лампочки условия, при которых бы ее нить накала нормально светилась и не перегорала.

Сопротивление гасящего (ограничительного) резистора рассчитывают, исходя из того избыточного напряжения, которое им надо погасить, и тока, необходимого для питания полезной нагрузки.

В проведенном опыте полезной нагрузкой была Лампочка, нить накала которой рассчитана на напряжение 3,5 В и ток 0,26 А. А так как напряжение батареи 9 В, значит, резистор, являющийся участком цепи, должен гасить напряжение 5,5 В при токе 0,26 А. . .

Каково должно быть сопротивление этого резистора?

По закону Ома — около 20 Ом (R = U/I = 5,5в/0,26 A =20 Ом). При напряжении батареи 9 В резистор такого сопротивления не пропустит через себя к нагрузке ток более 0,26 А.

А какова должна быть мощность рассеяния этого резистора? Подсчитай ее по такой, возможно, уже знакомой тебе формуле: Р=UI. В этой формуле U — напряжение в вольтах, которое резистор должен погасить, а I — ток в амперах, который должен быть в нагрузке. Следовательно, для нашего примера мощность, выраженная в ваттах (Вт), рассеиваемая гасящим резистором, составляет: Р = 5,5-0,26 =1,43 Вт. Значит, резистор должен быть рассчитан на мощность рассеяния не менее 1,5 Вт,

Это может быть, например, резистор типа МЛТ-2,0 или проволочный. Если резистор будет на меньшую мощность рассеяния, например МЛТ-1,0 или МЛТ-0,5, то он обязательно будет греться, что, возможно, и было в твоем опыте, и даже может сгореть.

Гасящие резисторы будут весьма многочисленными элементами электрических; цепей твоих будущих кон-струкций.

Тебе придется также рассчитывать и мощности, потребляемые конструкциями от источников питания. Это для того, например, чтобы знать, на какой срок работы приемника или усилителя хватит электрической емкости питающей его батареи. Мощность, потребляемую от источника тока, узнают умножением напряжения на концах цепи на ток в цепи. Так, например, мощность, потребляемая лампочкой накаливания, используемой тобой для опытов, составляет около 1 Вт (Р= UI=3,5*0,26= 0,91 Вт).

Электрическая емкость батареи 3336Л равна 0,5 А-ч (ампер-час). Раздели эту емкость на мощность, потребляемую лампочкой, и ты узнаешь, на какое время (в часах) энергии батареи хватит на питание лампочки. Да, всего полчаса. А если батарея уже частично разряжена, то и того меньше.

Забегая вперед, открой страницу 102. Там на рис. 76 изображена принципиальная схема трехкаскадного усилителя низкой частоты. Усилитель можно питать от двух батарей 3336Л, соединенных последовательно. Средний ток, потребляемый от батареи транзисторами двухтактного выходного каскада, являющегося усилителем мощности, составляет 20. 25 мА, токи двух других транзисторов — -по 1. 1,5 мА. Подсчитай, сколько времени будет работать усилитель от такой батареи.

В заключение — небольшая консультация, имеющая прямое отношение к теме этого практикума. Дело в том, что на принципиальных электрических схемах и в объяснениях работы радиоаппаратуры номинальные сопротивления резисторов принято обозначать в омах (например, (R1 220), килоомах (R5 5,1 к), мегаомах (R4 1М; R7 1,5М).

В то же время на малогабаритных резисторах, выпускаемых нашей промышленностью, их номинальные сопротивления обозначены по другой условной системе: единицу сопротивления Ом обозначают буквой Е, килоом — К, мегаом — М. Сопротивления резисторов от 100 до 910 Ом выражают в долях килоома, а сопротивления от 100 кОм до 990 кОм — в дрлях мегаома.

Если сопротивление резистора выражают целым числом, то буквенное обозначение единицы измерения ставят после этого числа, например: 27Е (27 Ом), 51К (51 кОм), 1М (1 МОм). Если сопротивление резистора выражают десятичной дробью меньше единицы, то буквенное обозначение единицы измерения располагают перед числом, например: К51 (510 Ом), М47 (470 кОм).

Выражая сопротивление резистора целым числом с десятичной дробью, целое число ставят перед буквой, а десятичную дробь — за буквой, символизирующей единицу измерения. Например: 5Е1 (5,1 Ом), 4К7 (4,7 кОм), 1М5(1,5МОм).

Литература: Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. 1984.

§ 39. Электрическое напряжение

Мы знаем, что электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц, которое создаётся электрическим полем, а оно при этом совершает работу. Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока. В процессе такой работы энергия электрического поля превращается в другой вид энергии — механическую, внутреннюю и др.

От чего же зависит работа тока? Можно с уверенностью сказать, что она зависит от силы тока, т. е. от электрического заряда, протекающего по цепи в 1 с. В этом мы убедились, знакомясь с различными действиями тока (см. § 35). Например, пропуская ток по железной или никелиновой проволоке, мы видели, что чем больше была сила тока, тем выше становилась температура проволоки, т. е. сильнее было тепловое действие тока.

Но не только от одной силы тока зависит работа тока. Она зависит ещё и от другой величины, которую называют электрическим напряжением или просто напряжением.

Напряжение — это физическая величина, характеризующая электрическое поле. Оно обозначается буквой U. Чтобы ознакомиться с этой очень важной физической величиной, обратимся к опыту.

На рисунке 64 изображена электрическая цепь, в которую включена лампочка от карманного фонарика. Источником тока здесь служит батарейка. На рисунке 64, б показана другая цепь, в неё включена лампа, используемая для освещения помещений. Источником тока в этой цепи является городская осветительная сеть. Амперметры, включённые в указанные цепи, показывают одинаковую силу тока в обеих цепях. Однако лампа, включённая в городскую сеть, даёт гораздо больше света и тепла, чем лампочка от карманного фонаря. Объясняется это тем, что при одинаковой силе тока работа тока на этих участках цепи при перемещении электрического заряда, равного 1 Кл, различна. Эта работа тока и определяет новую физическую величину, называемую электрическим напряжением.

Рис. 64. Различное свечение ламп при одной и той же силе тока:
а — источник тока — батарейка; б — источник тока — городская сеть

Напряжение, которое создаёт батарейка, значительно меньше напряжения городской сети. Именно поэтому при одной и той же силе тока лампочка, включённая в цепь батарейки, даёт меньше света и тепла.

Зная работу тока А на данном участке цепи и весь электрический заряд q, прошедший по этому участку, можно определить напряжение U, т. е. работу тока при перемещении единичного электрического заряда:

Следовательно, напряжение равно отношению работы тока на данном участке к электрическому заряду, прошедшему по этому участку.

Из предыдущей формулы можно определить:

Электрический ток подобен течению воды в реках и водопадах, т. е. течению воды с более высокого уровня на более низкий. Здесь электрический заряд (количество электричества) соответствует массе воды, протекающей через сечение реки, а напряжение — разности уровней, напору воды в реке. Работа, которую совершает вода, падая, например, с плотины, зависит от массы воды и высоты её падения. Работа тока зависит от электрического заряда, протекающего через сечение проводника, и от напряжения на этом проводнике. Чем больше разность уровней воды, тем большую работу совершает вода при своём падении; чем больше напряжение на участке цепи, тем больше работа тока. В озёрах и прудах уровень воды всюду одинаков, и там вода не течёт; если в электрической цепи нет напряжения, то в ней нет и электрического тока.

Вопросы

1. Опишите опыт, который доказывает, что работа тока зависит не только от силы тока, но и от напряжения.
2. Что такое электрическое напряжение?
3. Как можно определить его через работу тока и электрический заряд?

Электрические напряжение и ток

Как упоминалось ранее, нам нужно нечто большее, чем просто непрерывный путь (т.е. цепь), чтобы возник непрерывный поток заряда: нам также нужны средства для толкания этих носителей заряда по цепи. Так же, как шарики в трубке или вода в трубе, для инициирования потока зарядам необходима какая-то воздействующая сила. В случае электронов эта сила – это та же сила, которая действует в статическом электричестве: сила, создаваемая дисбалансом электрического заряда. Если мы возьмем примеры с воском и шерстью, которые были натерты друг о друга, мы обнаружим, что избыток электронов в воске (отрицательный заряд) и дефицит электронов в шерсти (положительный заряд) создают дисбаланс заряда между ними. Этот дисбаланс проявляется как сила притяжения между двумя объектами:

Если между заряженными воском и шерстью поместить проводящий провод, электроны будут проходить через него, так как часть избыточных электронов в воске устремляются через провод, чтобы вернуться к шерсти, восполняя недостаток электронов там:

Дисбаланс электронов между атомами воска и атомами шерсти создает силу между этими двумя материалами. Поскольку электроны не могут перетекать от воска к шерсти, всё, что может сделать эта сила, – это притягивать два объекта друг к другу. Однако теперь, когда проводник организует мост через изолирующий разрыв, эта сила заставит электроны течь в одном направлении через провод, хотя бы на мгновение, пока заряд не нейтрализуется и сила между воском и шерстью не уменьшится. Электрический заряд, образующийся между этими двумя материалами при их трении друг о друга, служит для хранения определенного количества энергии. Эта энергия мало чем отличается от энергии, хранящейся в высоком резервуаре с водой, которая откачивается из пруда уровнем ниже:

Влияние силы тяжести на воду в резервуаре создает силу, которая пытается снова опустить воду на более низкий уровень. Если проложить подходящую трубу от резервуара обратно к пруду, вода под действием силы тяжести потечет по ней вниз из резервуара:

Для перекачивания этой воды из пруда на нижнем уровне в резервуар на верхнем уровне требуется энергия, а движение воды по трубопроводу обратно к исходному уровню представляет собой высвобождение энергии, накопленной при предыдущей откачке. Если вода перекачивается на еще более высокий уровень, для этого потребуется еще больше энергии, таким образом, будет сохранено больше энергии, и больше энергии будет высвобождено, если воде позволить снова течь по трубе обратно вниз:

Электроны мало чем отличаются. Натирая воск и шерсть друг об друга, мы «выкачиваем» электроны с их обычных «уровней», создавая условия, при которых между воском и шерстью существует сила, поскольку электроны стремятся восстановить свои прежние положения (и вернуться в свои атомы). Сила, притягивающая электроны обратно в исходное положение вокруг положительных ядер их атомов, аналогична силе гравитации, действующей на воду в резервуаре, и пытающейся вернуть ее на прежний уровень. Подобно тому, как перекачка воды на более высокий уровень приводит к накоплению энергии, «перекачка» электронов для создания дисбаланса электрического заряда приводит к накоплению определенного количества энергии в этом дисбалансе. И точно так же, как обеспечение возможности стекать воде обратно с высоты резервуара приводит к высвобождению этой накопленной энергии, предоставление возможности электронам течь обратно к их исходным «уровням» тоже приводит к высвобождению накопленной энергии. Когда носители заряда находятся в этом статическом состоянии (точно так же, как вода неподвижно находится в верхнем резервуаре), энергия, хранящаяся там, называется потенциальной энергией, потому что у нее есть возможность (потенциал) высвобождения, которая еще не реализована полностью.

Понятие концепции напряжения

Когда носители заряда находятся в этом статическом состоянии (точно так же, как вода неподвижно находится в верхнем резервуаре), энергия, хранящаяся там, называется потенциальной энергией, потому что у нее есть возможность (потенциал) высвобождения, которая еще не реализована полностью. Когда вы трете обувь с резиновой подошвой о тканевый ковер в сухой день, вы создаете дисбаланс электрического заряда между вами и ковром. При шаркании ногами накапливается энергия в виде дисбаланса зарядов, вытесняемых из их первоначальных мест. Этот заряд (статическое электричество) является неподвижным, и вы не заметите, что эта энергия вообще накапливается. Однако, как только вы положите руку на металлическую дверную ручку (с большой подвижностью электронов для нейтрализации вашего электрического заряда), эта накопленная энергия высвободится в виде внезапного потока заряда через вашу руку, и вы воспримите это как удар электрическим током! Эта потенциальная энергия, хранящаяся в виде дисбаланса электрического заряда и способная вызывать прохождение носителей заряда через проводник, может быть выражена термином под названием напряжение, которое технически является мерой потенциальной энергии на единицу заряда или чем-то, что физик мог бы называют удельной потенциальной энергией.

Определение напряжения

В контексте статического электричества напряжение – это количество работы, необходимое для перемещения единичного заряда из одного места в другое, против действующей силы, которая пытается сохранить баланс электрических зарядов. В контексте источников электроэнергии напряжение – это количество доступной потенциальной энергии (работа, которую необходимо выполнить) на единицу заряда для перемещения зарядов через проводник. Поскольку напряжение – это выражение потенциальной энергии, представляющее возможность или потенциал для выделения энергии, когда заряд перемещается с одного «уровня» на другой, оно всегда находится между двумя точками. Рассмотрим аналогию с резервуаром:

Из-за разницы в высоте падения при перемещении воды через трубопровод до точки 2 будет высвобождено больше энергии, чем при перемещении до точки 1. Эту идею можно интуитивно понять, рассмотрев падение камня: в результате чего будет получен более сильный удар, при падении камня с высоты одного фута или при падении этого же камня с высоты одной мили? Очевидно, что падение с большей высоты приводит к высвобождению большей энергии (более сильному удару). Мы не можем оценить количество накопленной энергии в водном резервуаре, просто измерив объем воды, точно так же, как мы не можем предсказать серьезность удара падающей породы, просто зная вес камня: в обоих случаях мы также должны учитывать, насколько далеко эти массы упадут с их начальной высоты. Количество энергии, высвобождаемой при падении массы, зависит от расстояния между ее начальной и конечной точками. Точно так же потенциальная энергия, доступная для перемещения носителей заряда из одной точки в другую, зависит от этих двух точек. Следовательно, напряжение всегда выражается как величина между двумя точками. Довольно интересно, что аналогия с массой, потенциально «падающей» с одной высоты на другую, является настолько удачной моделью, что напряжение между двумя точками иногда называют падением напряжения.

Генерирование напряжения

Кроме трения материалов определенных типов друг о друга, напряжение может создаваться и другими способами. Химические реакции, энергия излучения и влияние магнетизма на проводники – вот несколько способов, которыми может создаваться напряжение. Соответствующими примерами этих трех источников напряжения являются батареи, солнечные элементы и генераторы (например, «генератор переменного тока» под капотом вашего автомобиля). На данный момент мы не будем вдаваться в подробности того, как работает каждый из этих источников напряжения – более важно то, что мы понимаем, как источники напряжения могут применяться для создания потока зарядов в электрической цепи. Давайте возьмем обозначение химической батареи и шаг за шагом построим цепь:

Как работают источники напряжения?

Любой источник напряжения, включая аккумуляторы, имеет две точки для электрического контакта. В этом случае на рисунке выше у нас есть точка 1 и точка 2. Горизонтальные линии разной длины указывают на то, что это батарея, и дополнительно указывают направление, в котором напряжение этой батареи будет пытаться протолкнуть носители заряда по цепи. Тот факт, что горизонтальные линии в символе батареи кажутся разделенными (и, таким образом, не могут служить путем для потока заряда), не причина для беспокойства: в реальной жизни эти горизонтальные линии представляют собой металлические пластины, погруженные в жидкий или полутвердый материал, который не только проводит заряды, но и генерирует напряжение, которое толкает их, взаимодействуя с пластинами. Обратите внимание на маленькие значки «+» и «-» непосредственно слева от символа батареи. Отрицательный (-) конец батареи всегда является концом с самой короткой линией, а положительный (+) конец батареи всегда является концом с самой длинной линией. Положительный конец батареи – это конец, который пытается вытолкнуть из нее носители заряда (помните, что по соглашению мы думаем, что носители заряда положительно заряжены, даже если электроны заряжены отрицательно). Точно так же отрицательный конец – это конец, который пытается притянуть носители заряда. Когда «+» и «-» концы батареи ни к чему не подключены, между этими двумя точками будет напряжение, но потока зарядов через батарею не будет, потому что нет непрерывного пути, по которому могут перемещаться носители заряда.

Тот же принцип справедлив и для аналогии с резервуаром для воды и насосом: без обратной трубы, по которой вода могла бы сливаться обратно в пруд, накопленная энергия в резервуаре не может быть выпущена в виде потока воды. Как только резервуар будет полностью заполнен, поток не может возникнуть, независимо от того, какое давление может создать насос. Для обеспечения непрерывного потока должен существовать полный путь (контур), по которому вода течет из пруда в резервуар и обратно в пруд. Мы можем обеспечить такой путь для батареи, соединив кусок провода от одного конца батареи к другому. Формируя цепь с петлей из проволоки, мы инициируем непрерывный поток зарядов по часовой стрелке:

Понятие концепции электрического тока

Пока батарея продолжает вырабатывать напряжение и непрерывность электрического пути не нарушена, носители заряда будут продолжать течь по цепи. Следуя аналогии с водой, движущейся по трубе, этот непрерывный, равномерный поток зарядов через цепь называется электрическим током. Пока источник напряжения продолжает «толкать» в одном направлении, носители заряда будут продолжать двигаться в том же направлении в цепи. Этот однонаправленный поток тока называется постоянным током (Direct Current, или DC). Во втором томе этой серии книг исследуются электрические цепи, в которых направление тока переключается назад и вперед: переменный ток (Alternating Current, или AC). Но пока мы займемся просто цепями постоянного тока. Поскольку электрический ток состоит из отдельных носителей заряда, протекающих через проводник в унисон, перемещающихся и толкающих носителей заряда впереди, точно так же, как шарики в трубе или вода в трубе, величина потока в одиночной цепи будет одинаковой в любой ее точке. Если бы мы отслеживали поперечное сечение провода в одиночной цепи, подсчитывая протекающих носителей заряда, мы бы заметили точно такое же количество в единицу времени, что и в любой другой части цепи, независимо от длины или диаметра проводника. Если мы нарушим непрерывность цепи в какой-либо ее точке, электрический ток прекратится во всем контуре, и в разрыве, между концами проводов, которые раньше были соединены, появится полное напряжение, генерируемое батареей:

Что такое полярность падения напряжения?

Обратите внимание на знаки «+» и «-», нарисованные на концах разрыва цепи, и то, как они соответствуют знакам «+» и «-» рядом с выводами батареи. Эти обозначения указывают направление, в котором напряжение пытается подтолкнуть ток, это направление потенциала, обычно называемое полярностью. Помните, что напряжение измеряется всегда относительно между двух точек. По этой причине полярность падения напряжения также является относительной между двумя точками: будет ли точка в цепи помечена знаком «+» или «-», зависит от другой точки, относительно которой выполняется измерение. Взгляните на следующую схему, где каждый угол петли для справки отмечен номером:

При нарушении целостности цепи между точками 2 и 3, полярность падения напряжения между точками 2 и 3 будет «+» для точки 2 и «-» для точки 3. Полярность батареи (1 «+» и 4 «-») пытается протолкнуть ток через петлю по часовой стрелке от 1 до 2, до 3, до 4 и снова обратно к 1. Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы снова соединим точки 2 и 3 вместе, но сделаем разрыв цепи между точками 3 и 4:

При разрыве между 3 и 4 полярность падения напряжения между этими двумя точками будет «-» для 4 и «+» для 3. Обратите особое внимание на тот факт, что «знак» точки 3 противоположен знаку в первом примере, где разрыв был между точками 2 и 3 (где точка 3 была помечена «-»). Мы не можем сказать, что точка 3 в этой цепи всегда будет либо «+», либо «-», потому что полярность, как и само напряжение, не зависит от одной точки, они всегда относительны и зависят от двух точек!

Резюме

• Носители заряда могут быть побуждены течь через проводник той же силой, что проявляется в статическом электричестве.
• Напряжение – это мера удельной потенциальной энергии (потенциальной энергии на единицу заряда) между двумя точками. С точки зрения дилетанта, это мера «толкания», позволяющая побуждать заряд перемещаться.
• Напряжение, как выражение потенциальной энергии, всегда относительно и измеряется между двумя точками. Иногда его называют «падением напряжения».
• Когда источник напряжения подключен к цепи, напряжение вызовет равномерный поток носителей заряда через эту цепь, называемый электрическим током.
• В одиночной (однопетлевой) цепи величина тока в любой точке равна величине тока в любой другой точке.
• При разрыве цепи, содержащей источник напряжения, в точках разрыва появится полное напряжение этого источника.
• +/- ориентация падения напряжения называется полярностью. Она также является относительной между двумя точками.