При описании протекающих в электроцепи процессов в электротехнике задействованы такие понятия, как напряжение и электрический ток. Каждое из них имеет соответствующее назначение.
Определение напряжения в физике
Электрическим током в физике считают направленное перемещение заряженных частиц, создаваемое электрополем, совершающим при этом определенную работу.
Работа создающего ток электрического поля называется работой тока ($A$). Она может на разных участках цепи отличаться, однако при этом окажется пропорциональной проходящему через него заряду.
Физической величиной работы тока на конкретном участке при перемещении по нему заряда 1 Кл выступает электрическое напряжение ($U$). Напряжение электрического тока в различных участках цепи будет разным. Напряжение на участке пустого провода окажется совсем незначительным, а напряжение на участке с какой-либо нагрузкой будет гораздо больше, так как на величину напряжения влияет величина работы, произведенной током.
Для определения напряжения на отдельно взятом участке существует следующая формула:
$U =\frac{A}{q}$, где:
- $A$ - работа тока,
- $q$ - прошедший по участку заряд.
Для обеспечения движения частиц в проводнике, потребуется совершить определенную работу. Ее совершает источник. Работу источника будет характеризовать напряжение. Чем оно больше, тем большую работу совершает источник, тем ярче будет светить лампочка в цепи.
Напряжение на полюсах источника тока характеризует потенциальная величина энергии, которую источник придает току. Это аналогично давлению воды в трубах. Эта величина энергии, которая будет израсходована, если к источнику подключить некую нагрузку. Поэтому, чем большее напряжение у источника тока, тем большую работу может совершить ток.
Для измерения напряжения между полюсами источника тока применяется прибор – вольтметр. Его подключают непосредственно к источнику тока. Можно измерять напряжение для каждого элемента цепи. Отличием от амперметра является подключение вольтметра не произвольным образом (в любом месте цепи), а параллельно нагрузке.
Вольтметр в таком случае будет показывать величину приложенного к нагрузке напряжения. Для измерения напряжения на полюсах источника тока, вольтметр подключают непосредственно к полюсам прибора. При включении в цепь вольтметра, важным условием является соблюдение полярности:
- провод, идущий от источника тока (+), нужно подсоединить к клемме вольтметра (+);
- провод, идущий от минусового полюса источника тока, присоединяется к клемме вольтметра (-).
Вольтметры существуют в виде приборов постоянного и переменного тока. В первом варианте на циферблате прибора изображается прямая линия, а во втором – волнистая.
Безопасным для человека напряжением считается показатель в 42 В (при нормальных условиях) и 12 В (в условиях повышенной опасности, то есть при высокой температуре, сырости и пр.).
Сила электрического тока
Электрический ток определяется проходящими сквозь проводник электронами. Эти электроны несут отрицательный заряд. Силу тока (количество электричества) характеризует именно объем этого заряда. Она будет одинаковой во всех участках цепи:
$I=\frac{\Delta q}{\Delta t}$, где $q$ заряд.
Электроны не способны просто исчезнуть. Это объясняет возможность их измеримости на любом участке электрической цепи. При прохождении по проводам ток нагревает их лишь слегка, при этом он не совершает большую работу.
При прохождении через спираль электрической лампы, ток не ограничивается ее простым нагреванием. Так, он раскаляет ее до такой степени, что она начинает светиться. В этом случае током совершается механическая работа и при этом достаточно трудоемкая, с затратами собственной энергии. Электроны продолжают двигаться дальше в том же количестве, при этом энергии у них становится меньше.
Свойства электрического тока
Частицами, переносимыми заряд, могут быть ионы, протоны и электроны Отсутствие замкнутой цепи делает электрический ток невозможным.
Частицы, обладающие способностью переноса электрических зарядов, могут существовать далеко не во всех веществах. Те, в которых они присутствуют, будут называться полупроводниками и проводниками. Вещества, где они отсутствуют, называют диэлектриками. Направление тока принято считать от плюса к минусу, а движение электронов осуществляется, напротив, от минуса к плюсу.
Единицей измерении для силы тока служит Ампер (А), а обозначением – буква $I$. Ток в один Ампер появляется в момент прохождения через точку электроцепи заряда в 1 Кулон, что осуществляется за одну секунду.
Если напряжение не изменяет свою полярность с плюсовой на минусовую, а ток продолжает течь в одном направлении, то мы имеем дело с постоянным током и, соответственно, - с постоянным напряжением.
$A=IUt=I^2Rt=t\frac{U^2}{R}$, где $A$ - работа тока
При условии, что источник напряжения изменит свою полярность, а ток будет периодически менять свое направление, ток считается переменным (как и напряжение).
Значения в свое максимуме и минимуме представляют пиковые (амплитудные) значения силы тока. Напряжение в домашних розетках изменяет свою полярность со скоростью 50 раз в секунду. Колебания тока при этом постоянно меняются в своем направлении, а их частота будет составлять 50 Гц.
