Що таке напруга, струм, опір: розбираємося на прикладах
Не маючи певних початкових знань про електрику, важко собі уявити, як працюють електричні прилади, чому взагалі вони працюють, чому треба включати телевізор в розетку, щоб він запрацював, а ліхтарику вистачає маленької батарейки, щоб він світив у темряві.
І так будемо розбиратися у всьому по порядку.
Електрика
Електрика - це природне явище, яке підтверджує існування, взаємодію і рух електричних зарядів. Електрика вперше було виявлено ще в VII столітті до н.е. грецьким філософом Фалесом. Фалес звернув увагу на те, що якщо шматочок бурштину потерти об вовну, він починає притягувати до себе легкі предмети. Янтар на давньогрецькому - електрон.
Ось так і уявляю собі, сидить Фалес, тре шматок бурштину про свій гиматий (це вовняна верхній одяг у стародавніх греків), а потім з спантеличеним виглядом дивиться, як до янтарю притягуються волосся, обривки ниток, пір'я і клаптики паперу.
Дане явище називається статичною електрикою. Ви можете повторити цей досвід. Для цього гарненько потріть вовняною тканиною звичайну пластмасову лінійку і піднесіть її до дрібних паперовим шматочках.
Слід зазначити, що довгий час це явище не вивчалося. І тільки в 1600 році в своєму творі «Про магніті, магнітних тілах і про великий магніт - Землю» англійський натураліст Вільям Гілберт ввів термін - електрику. У своїй роботі він описав свої досліди з наелектризованими предметами, а також встановив, що наелектризовувати можуть і інші речовини.
Далі протягом трьох століть найпередовіші вчені світу досліджують електрику, пишуть трактати, формулюють закони, винаходять електричні машини і тільки в 1897 році Джозеф Томсон відкриває перший матеріальний носій електрики - електрон, частку, завдяки якій можливі електричні процеси в речовинах.
Електрон - це елементарна частинка, має негативний заряд приблизно рівний -1,602 · 10-19 Кл (Кулон). Позначається е або е-.
напруга
Щоб змусити переміщатися заряджені частинки від одного полюса до іншого необхідно створити між полюсами різниця потенціалів або - Напруга. Одиниця виміру напруги - Вольт (В або V). У формулах і розрахунках напруга позначається буквою V. Щоб отримати напруга величиною 1 В потрібно передати між полюсами заряд в 1 Кл, зробивши при цьому роботу в 1 Дж (Джоуль).
Для наочності наведемо резервуар з водою розташований на деякій висоті. З резервуара виходить труба. Вода під природним тиском залишає резервуар через трубу. Давайте домовимося, що вода - це електричний заряд, висота водяного стовпа (тиск) - це напруга, а швидкість потоку води - це електричний струм.
Таким чином, чим більше води в баку, тим вище тиск. Аналогічно з електричної точки зору, чим більше заряд, тим вище напруга.
Почнемо зливати воду, тиск при цьому буде зменшуватися. Тобто рівень заряду опускається - величина напруги зменшується. Таке явище можна спостерігати в ліхтарику, лампочка світить все тьмяніше в міру того як розряджаються батарейки. Зверніть увагу, чим менше тиск води (напруга), тим менше потік води (струм).
Електричний струм
Електричний струм - це фізичний процес спрямованого руху заряджених частинок під дією електромагнітного поля від одного полюса замкнутому електричному ланцюзі до іншого. Як частинок, що переносять заряд, можуть виступати електрони, протони, іони і дірки. При відсутності замкнутого кола струм неможливий. Частинки здатні переносити електричні заряди існують не у всіх речовинах, ті в яких вони є, називаються провідниками і напівпровідниками. А речовини, в яких таких частинок немає - діелектриками.
Прийнято вважати напрямок струму від плюса до мінуса, при цьому електрони рухаються від мінуса до плюса!
Одиниця виміру сили струму - Ампер (А). У формулах і розрахунках сила струму позначається буквою I. Струм в 1 Ампер утворюється при проходженні через точку електричного кола заряду в 1 Кулон (6,241 · 1018 електронів) за 1 секунду.
Знову звернімося до нашої аналогії вода - електрика. Тільки тепер візьмемо два резервуари і наповнимо їх рівною кількістю води. Відмінність між баками в діаметрі вихідний труби.
Відкриємо крани і переконаємося, що потік води з лівого бака більше (діаметр труби більше), ніж з правого. Такий досвід - явний доказ залежності швидкості потоку від діаметра труби. Тепер спробуємо зрівняти два потоки. Для цього додамо в правий бак води (заряд). Це дасть більший тиск (напруга) і збільшить швидкість потоку (струм). В електричному ланцюзі в ролі діаметра труби виступає опір.
Проведені експерименти наочно демонструють взаємозв'язок між напругою, струмом і опором. Детальніше про опір поговоримо трохи пізніше, а зараз ще кілька слів про властивості електричного струму.
Якщо напруга не змінює свою полярність, плюс на мінус, і струм тече в одному напрямку, то - це постійний струм і відповідно постійна напруга. Якщо джерело напруги змінює свою полярність і струм тече то в одному напрямку, то в іншому - це вже змінний струм і змінну напругу. Максимальні і мінімальні значення (на графіку позначені як Io) - це амплітудні або пікові значення сили струму. У домашніх розетках напруга змінює свою полярність 50 раз в секунду, тобто ток коливається то туди, то сюди, виходить, що частота цих коливань становить 50 Герц або скорочено 50 Гц. У деяких країнах, наприклад в США прийнята частота 60 Гц .
опір
Електричний опір - фізична величина, яка визначає властивість провідника перешкоджати (пручатися) проходженню струму. Одиниця виміру опору - Ом (позначається Ом або грецькою буквою омега Ω). У формулах і розрахунках опір позначається буквою R. Опором в 1 Ом володіє провідник до полюсів якого прикладена напруга 1 В і протікає струм 1 А.
Провідники по-різному проводять струм. Їх провідність залежить, в першу чергу, від матеріалу провідника, а також від перетину і довжини. Чим більше перетин, тим вище провідність, але, чим більше довжина, тим провідність нижче. Опір - це зворотне поняття провідності.
На прикладі водопровідної моделі опір можна уявити як діаметр труби. Чим він менше, тим гірше провідність і вище опір.
Опір провідника проявляється, наприклад, в нагріванні провідника при протіканні в ньому струму. Причому, чим більше струм і менше перетин провідника - тим сильніше нагрівання.
потужність
Електрична потужність - це фізична величина, яка визначає швидкість перетворення електроенергії. Наприклад, ви не раз чули: «лампочка на стільки-то ват». Це і є потужність споживана лампочкою за одиницю часу під час роботи, тобто перетворенні одного виду енергії в інший з деякою швидкістю.
Джерела електроенергії, наприклад генератори, також характеризується потужністю, але вже вироблюваної в одиницю часу.
Одиниця виміру потужності - Ват (позначається Вт або W). У формулах і розрахунках потужність позначається буквою P. Для ланцюгів змінного струму застосовується термін Повна потужність, одиниця виміру - Вольт-ампер (В · А чи V · A), позначається буквою S.
І на завершення про Електричну ланцюг. Дана ланцюг являє собою деякий набір електричних компонентів, здатних проводити електричний струм і з'єднаних між собою відповідним чином.
Що ми бачимо на цьому зображенні - елементарний електроприлад (ліхтарик). Під дією напруги U (В) джерела електроенергії (батарейки) по провідниках і інших компонентів володіють різними опорами R (Ом) від плюса до мінуса тече електричний струм I (А) змушує світитися лампочку потужністю P (Вт). Не звертайте уваги на яскравість лампи, це через погане тиску і малого потоку води батарейок.
Ліхтарик, що представлений на фотографії, зібраний на базі конструктора «Знавець». Даний конструктор дозволяє дитині в ігровій формі пізнати основи електроніки і принцип роботи електронних компонентів. Поставляється у вигляді наборів з різною кількістю схем та різного рівня складності.