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.

Теги