Электричеством пользуются везде, и оно «было всегда» для подавляющего большинства людей. Но вряд ли многие задумывались о природе этого явления. Среди основных электрических терминов наиболее сложными для понимания, несмотря на кажущуюся их простоту, являются «разность потенциалов» и «напряжение в цепи».
Понятие потенциала
Для того чтобы электроны прошли по цепи, необходима энергия, способная привести их в движение по электрическому контуру. Например, в случае со статическим электричеством — это сила, производимая дисбалансом электрического заряда в предметах.
Школьный опыт с натиранием эбонитовой палочки об шерсть иллюстрирует создание избытка электронов в эбоните (отрицательный заряд) и дефицит электронов в шерсти (положительный заряд) при затратах механической энергии на натирание.
Между изолированными электродами этот дисбаланс проявляется лишь в притяжении наэлектризованных предметов друг к другу. Если же их соединить проводником, то электроны пойдут через него от эбонита к шерсти, компенсируя дефицит.
Это и есть электрический ток в цепи, а степень электризации тел есть величина, называемая потенциалом. Упрощённо для понимания того, что называется напряжением, можно рассматривать эту величину как разницу потенциалов между предметами.
Гидравлическая модель
Процесс получения зарядов в натираемых друг об друга материалах аналогичен наполнению бака воды на высоте из свободного резервуара. В сравнении с зеркалом открытого бассейна ёмкость с водой, расположенную выше, можно рассматривать как аккумулятор энергии. Гравитационные силы наделяют воду на возвышении потенциальной способностью опустошить бак при разгерметизации. Если соединить трубой описываемые ёмкости, вода под действием тяжести создаст поток в ней, освобождая энергию, накопленную от предварительной закачки, вверх.
Подобно неподвижной жидкости в высоком резервуаре, энергия, накопленная в натёртых предметах, называется потенциальной — она имеет возможность (потенциал) быть реализованной движением электронов по проводнику.
В случае со статическим электричеством то, что называется напряжением, можно выразить так: это единица работы, необходимая для перемещения единицы заряда из одного места в другое с преодолением силы, которая пытается сохранить потенциалы уравновешенными.
Мера потенциальной энергии (необходимой работы) на единицу заряда для перемещения его по проводнику — так будет выглядеть описание того, что такое напряжение как определение, применимое к электрическим цепям.
Перечень физических величин, которыми описывают явление напряжения:
- разность потенциалов — измеряется в вольтах (В);
- электрический заряд — Кулон (Кл);
- работа по перемещению заряда — Джоуль (Дж).
Для электрических цепей с гальваническими источниками питания, сетей переменного напряжения или электростатических явлений нет разницы, в чём измеряется электрическое напряжение. Во всех случаях показатель рассматривается как разность потенциалов и определяется в вольтах. Единицу измерения можно представить так: 1В=1Дж/1Кл. Прибор для измерения напряжения называют вольтметром.
Измерения в цепи
Питание во внешнем контуре создаётся источником, выполняющим функцию насоса (в аналогии с водяными резервуарами). Оно принудительно обеспечивается работой электрического поля во внутренней цепи в результате преобразования химических реакций в гальванических элементах или механической энергии в генераторах.
Во внешних электрических цепях движение заряда происходит естественным образом между потенциалами и сопровождается потерями энергии на обеспечение этого движения.
В этой связи источник постоянного питания должен непрерывно поставлять необходимую энергию на поддержание разности потенциалов на двух концах внешней цепи, создавая высокое электрическое давление (по аналогии с гидравлическим примером).
Когда заряд перемещается через внешний контур, он сталкивается с различными элементами схемы, каждый из которых является устройством по преобразованию энергии. Это могут быть лампочки, двигатели, нагревательные элементы. Например, в лампе накаливания энергия электрического потенциала превращается в световое и тепловое излучение. Таким образом, происходит потеря потенциала, то есть он будет различен до нагрузки (лампа) и после неё. Потери электрического потенциала при прохождении через элементы контура называют падением напряжения. Это один из важнейших показателей для контроля работы приборов в цепи.
Перечень основных законов и формул электрического напряжения, описывающих явление в цепях, выглядит так:
- Формула расчёта напряжения: U=A/q, где q — заряд (Кл), A — работа по перенесению заряда (Дж).
- Закон Ома: U=IR, где I — сила тока в цепи, R — сопротивление проводника, на концах которого замеряется напряжение.
- Разность потенциалов на последовательных элементах цепи: U=U1+U2+U3+…+Un.
Важно понимать, что напряжение ни в коем случае не может быть мерой тока. Разность потенциалов и электрический ток — два почти не связанных явления. Теоретически, возможно создать ток без напряжения путём короткого замыкания в вакууме, а обратным примером может служить обычный заряженный конденсатор. Предположение о том, что ток имеет напряжение, — распространённое заблуждение. Это стоит помнить для понимания физики описываемых явлений.
