Перейти к содержанию

Напряжение, ток и сопротивление

Три величины, без которых не обходится ни один расчёт: напряжение толкает заряды, ток показывает, сколько их проходит за секунду, сопротивление мешает этому движению.

Обновлено Редакция GAW

Электроника с нуляурок 1 из 815 мин

Цель урока: Отличать напряжение от тока, переводить кулоны и джоули в амперы и вольты и понимать, почему ток в замкнутой цепи одинаков везде.

Содержание

Электрическая цепь работает, когда выполнены два условия: есть замкнутый путь для зарядов и есть то, что их толкает. Толкает напряжение, движение зарядов называют током, а всё, что этому движению мешает, — сопротивлением.

Напряжение: сколько энергии у заряда

Заряд измеряют в кулонах (Кл). Один кулон — это 6,25·10¹⁸ электронов. Напряжение показывает, сколько энергии получает каждый кулон заряда, проходя между двумя точками: 1 вольт — это 1 джоуль на 1 кулон. Батарейка на 9 В отдаёт 9 Дж энергии на каждый кулон, который она прогоняет через цепь.

Отсюда главное свойство: напряжение всегда между двумя точками. Фраза «на выводе 5 В» на самом деле значит «5 В относительно общего провода». Подробнее об этом — в ответе «Напряжение и потенциал».

Ток: сколько заряда проходит за секунду

Ток — это скорость движения заряда: 1 ампер — это 1 кулон, проходящий через сечение провода за 1 секунду. В одноконтурной цепи заряду некуда деться по дороге, поэтому ток одинаков в любой её точке — у плюса батарейки, в резисторе и у минуса.

Если цепь где-то разорвать, ток прекратится во всей цепи, а полное напряжение источника окажется между концами разрыва. Цепь с разрывом называют разомкнутой, без разрыва — замкнутой.

Замкнутая цепь: источник 9 В и резистор 450 Ом, ток 20 мАИсточник напряжения 9 В соединён проводами с резистором 450 Ом. Ток 20 мА выходит из плюса источника, проходит через резистор и возвращается к минусу; во всех точках цепи он одинаков. Напряжение на резисторе равно напряжению источника.+E9 ВR450 ОмI = 20 мА+−U
Простейшая замкнутая цепь: батарейка 9 В и резистор 450 Ом. Ток 20 мА одинаков во всех проводах; на резисторе — всё напряжение источника

Сопротивление: что мешает току

Сопротивление (Ом) — мера того, насколько элемент препятствует току. У проводов оно маленькое, у нити лампы или резистора — заметное. Энергия, которую заряд теряет, проходя через сопротивление, превращается в тепло. Цепь почти без сопротивления между выводами источника называют коротким замыканием: ток в ней ограничивает только сам источник, и выделяется много тепла.

ВеличинаОбозначениеЕдиницаЧто показывает
НапряжениеU (в англоязычных книгах E или V)вольт, Вэнергию на единицу заряда между двумя точками
ТокIампер, Азаряд, проходящий за секунду
СопротивлениеRом, Омнасколько элемент мешает току
ЗарядQкулон, Клколичество электричества

Направление тока на схемах рисуют от плюса к минусу. Это условность, принятая задолго до открытия электрона: сами электроны движутся в обратную сторону. Для расчётов выбор не важен, а стрелки в символах диодов и транзисторов нарисованы по условному направлению.

Пример: заряд и энергия в цепи

Цепь на рисунке пропускает ток 20 мА. Сколько заряда пройдёт через резистор за минуту и сколько энергии батарейка отдаст за это время? (Расчёт наш, по определениям выше.)

  1. Заряд — это ток, умноженный на время: Q = I · t = 0,02 А · 60 с = 1,2 Кл.
  2. Энергия — напряжение, умноженное на заряд: W = U · Q = 9 В · 1,2 Кл = 10,8 Дж.

Вся эта энергия выделится в резисторе теплом.

Задание

Пальчиковый элемент на 1,5 В за 10 секунд прогнал через лампочку 3 Кл заряда. Найдите ток в цепи и энергию, которую получила лампочка.

Ответ и решение

Ток: I = Q / t = 3 Кл / 10 с = 0,3 А.

Энергия: W = U · Q = 1,5 В · 3 Кл = 4,5 Дж.

Что дальше

Сколько тока потечёт при заданных напряжении и сопротивлении, говорит закон Ома — это урок 2. Чем напряжение отличается от тока на бытовых примерах, разобрано в ответе «Чем отличается напряжение от тока», а перевести миллиамперы в амперы и килоомы в омы поможет конвертер единиц.

Урок основан на учебнике T. R. Kuphaldt «Lessons In Electric Circuits», Vol. I — DC, лицензия CC BY 4.0. Материал переработан: пересказан по-русски, сокращён и дополнен нашими примерами и данными из даташитов.

Частые вопросы

Почему напряжение измеряют между двумя точками, а ток — в одной?

Напряжение — это разность энергии заряда в двух местах цепи, поэтому у него всегда две точки отсчёта: «напряжение на резисторе» означает между его выводами. Ток — это количество заряда, проходящего через сечение провода за секунду, и его считают в одном месте, разрывая цепь и пропуская ток через прибор.

Откуда берётся ток, если цепь разомкнута?

Ниоткуда: в разомкнутой цепи тока нет нигде, даже если разрыв далеко от источника. Напряжение источника при этом никуда не девается — оно целиком оказывается между концами разрыва. Поэтому разомкнутый выключатель не обесточивает провода до него.

Куда течёт ток: от плюса к минусу или наоборот?

Электроны движутся от минуса к плюсу, но в схемах и расчётах принято условное направление — от плюса к минусу. На результат расчёта выбор не влияет, если придерживаться одного направления. Стрелки на символах диодов и транзисторов показывают именно условное направление.

Источники

  1. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. I — DC, ch. 1 «Basic Concepts of Electricity» — разделы Voltage and current, Resistance, Conventional versus electron flow: напряжение всегда между двумя точками; в одноконтурной цепи ток одинаков в любой точке; в разрыве цепи появляется полное напряжение источника; разомкнутая и замкнутая цепь; направление тока. CC BY 4.0
  2. Kuphaldt T. R. Lessons In Electric Circuits, Vol. I — DC, ch. 2 «Ohm's Law», section «How voltage, current, and resistance relate» — единицы и обозначения; 1 кулон = 6 250 000 000 000 000 000 электронов; 1 ампер = 1 кулон за 1 секунду; 1 вольт = 1 джоуль на 1 кулон, батарейка 9 В отдаёт 9 Дж на каждый кулон. CC BY 4.0

Нашли ошибку?

Смотрите также