Меню

Напряжение сила тока аналогия с водой

Что такое сила тока и напряжение

Погружаться глубоко в физику мы не будем, а разберемся в самом принципе электрического тока.

Электрический ток — это упорядоченное движение, заряженных частиц (как положительных, так и отрицательных, в зависимости от вещества).

Какие именно частицы движутся? В проводниках, (медь, алюминий, золото, железо и т.д.) это электроны, в электролитах — ионы, в электронно-дырочной системе (в полупроводниках) — электроны и дырки (положительно заряженные частицы). Электрон – отрицательно заряженная частица, которая вращается вокруг ядра атома. Поэтому, в проводниках движутся отрицательно заряженные частицы – электроны.

Что такое сила ток и напряжение

Движутся электроны в проводнике на самом деле не от плюса к минусу, как принято считать, а от минуса к плюсу, потому, что разноименные заряды отталкиваются.

Что такое электрический ток

У некоторых атомов электроны свободны и могут перемещаться к другому атому. Атомы разных веществ могут испытывать недостаток электронов или их избыток. Тогда при контакте этих веществ, электроны атомов одного вещества, у которых имеется избыток электронов, будут перемещаться в атомы другого вещества, имеющих недостаток электронов. Вместо перемещенного электрона приходит новый электрон, от соседнего атома. И этот процесс будет проходить до тех пор, пока у этих двух веществ заряды не станут равными. Данный процесс и есть электрический ток.

В переменном электрическом токе направление движения заряженных частиц постоянно меняется, например, в сети 220 Вольт в России оно меняется 50 раз в секунду (с частотой 50 Герц).

Характеризуется электрический ток силой тока. Сила тока – это количество заряженных частиц, проходящих через поперечное сечение проводника в единицу времени. Единица измерения – Ампер.

Что такое электрический ток

Напряжение – характеризует разность потенциалов двух точек в электрическом поле. Единица измерения – Вольт.

Аналогия с водой.

Что же такое электрический ток, а что есть напряжение? Для ответа на этот вопрос и полного понимания, лучше привести аналогию. Аналогию, которую я вам хочу привести, много раз приводили в интернете, она основана на воде. Так как с водой мы имеем дело каждый день, эта аналогия будет более понятной.

Итак, проведем эксперимент. Возьмем два сосуда, установленных на одном уровне, и соединенных одним шлангом.

Нальем в один сосуд воды, а второй оставим пустым. Вода начнет течь по шлангу из сосуда с водой протекать в пустой сосуд. Разность уровней в сосудах, в нашей аналогии и есть напряжение, или разность потенциалов.

Количество воды, проходящее через сечение шланга в единицу времени, это будет силой тока.

Как течет электрический ток

Если мы поменяем шланг, на другой, с меньшим внутренним диаметром (или зажмем шланг на половину), и повторим опыт, то мы увидим, что вода из одного сосуда в другой будет перетекать дольше. Для данного опыта можно использовать секундомер. Внутренний диаметр (сечение) шланга в нашей аналогии, будет сопротивлением. Чем меньше диаметр шланга, тем больше сопротивление, и соответственно меньше сила тока.

В тот момент, когда уровни воды в сосудах станут равными (разность потенциалов равна нулю), то сила тока станет нулевой.

Источник

Напряжение сила тока аналогия с водой

От воды – к электричеству. Закон Ома

Автор:
Опубликовано 01.01.1970

Попробуем перенести все вышесказанное на электрический ток. Итак, в прошлой главе мы пользовались тремя понятиями:
— сила тока,
— разность уровней,
— сопротивление.

Теперь привожу три термина, используемых в электронике:
— сила тока,
— разность потенциалов, или напряжение,
— электрическое сопротивление.

Ну а теперь – игра: «найди 10 различий!» :).

Различие 1-е – все что было «водяным» – стало «электрическим». Электрический ток, электрическое сопротивление.

Различие 2-е – появилась непонятная «разность потенциалов». Что это такое. Объясняю.

Потенциал – это заряд какой-то частицы, измеренный относительно глобального нуля. Измеряется в вольтах. Глобальным нулем всегда принято считать заряд матушки Земли. Значит так: возьмем две железяки, например, гайки от трактора Беларусь, и зарядим их так, чтобы потенциал одной был 10 Вольт, другой – 15 Вольт. Очевидно, что разность потенциалов двух гаек составляет 5 Вольт. Разность потенциалов – это и есть электрическое напряжение между ними. Если соединить гайки проволокой, то по ней потечет ток. Он будет течь до тех пор, пока потенциалы гаек не уравняются, то есть, их разность не станет равна нулю. Не правда ли, похоже на уровни воды в бутылках! Заряженные гайки = бутылки с водой, проволока = шланг.

Раз уж так все похоже, и так все просто – тогда что нам мешает вывести такой же закон для электричества.
Итак:

Чем больше напряжение и меньше сопротивление, тем больше электрический ток.

В физике вообще, и в частности – в электротехнике, каждая величина обозначается буквой и измеряется в определенных единицах. Например, масса обозначается m, измеряется в граммах [г], скорость – v [м/с] и т.д. Так же дело обстоит и с силой тока, напряжением и сопротивлением.

Теперь попробуем записать все тот же закон совсем по-научному, с помощью букв. Вот как он будет выглядеть:

I = U/R
Ампер = Вольт / Ом

Сила тока (I) прямо пропорциональна напряжению (U) и обратно пропорциональна сопротивлению (R) Формула, которую мы получили называется «Закон Ома». Это самый главный закон электротехники. Его надо помнить лучше, чем свой адрес и год рождения…

На последок, две формулы, которые получаются из закона Ома. По ним можно вычислить соответственно, напряжение и сопротивление.

Эти формулы не обязательно запоминать, если уметь их выводить. Если выводить не умеем, а запоминать – лениво, есть еще один способ – треугольник:

Пользоваться им очень легко. Нужно просто закрыть пальцем ту величину, которую мы ищем. Если две оставшиеся величины находятся на одном уровне – значит надо их перемножить. Если одна над другой – значит надо разделить верхнюю на нижнюю.

Источник

Электричество, ток, напряжение, сопротивление и мощность

Что такое электричество?

Не имея определенных начальных знаний об электричестве, тяжело себе представить, как работают электрические приборы, почему вообще они работают, почему надо включать телевизор в розетку, чтобы он заработал, а фонарику хватает маленькой батарейки, чтобы он светил в темноте.

И так будем разбираться во всем по порядку.

Электричество

Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон.

Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.

Данное явление называется статическим электричеством. Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.

Как увидеть статическое электричество

Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.

Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.

Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10 -19 Кл (Кулон). Обозначается е или е – .

Напряжение

Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Единица измерения напряжения – Вольт (В или V). В формулах и расчетах напряжение обозначается буквой V. Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль).

Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Давайте условимся, что вода – это электрический заряд, высота водяного столба (давление) – это напряжение, а скорость потока воды – это электрический ток.

Напряжение можно представить как давление, создаваемое водой

Таким образом, чем больше воды в баке, тем выше давление. Аналогично с электрической точки зрения, чем больше заряд, тем выше напряжение.

Начнем сливать воду, давление при этом будет уменьшаться. Т.е. уровень заряда опускается – величина напряжения уменьшается. Такое явление можно наблюдать в фонарике, лампочка светит все тусклее по мере того как разряжаются батарейки. Обратите внимание, чем меньше давление воды (напряжение), тем меньше поток воды (ток).

Электрический ток

Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками. А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками.

Направление тока и движения электронов в замкнутой цепи

Принято считать направление тока от плюса к минусу, при этом электроны движутся от минуса к плюсу!

Единица измерения силы тока – Ампер (А). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой I. Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·10 18 электронов) за 1 секунду.

Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.

Разная скорость потоков – разная сила тока

Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает сопротивление.

Одинаковая скорость потоков – одинаковая сила тока

Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.

Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение. Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение. Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io) – это амплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц.

График переменного и постоянного токов

Сопротивление

Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается Ом или греческой буквой омега Ω). В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.

Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.

Электрическое сопротивление на примере водопроводной трубы

На примере водопроводной модели сопротивление можно представить как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.

Сопротивление проводника проявляется, например, в нагреве проводника при протекании в нем тока. Причем, чем больше ток и меньше сечение проводника – тем сильнее нагрев.

Мощность

Электрическая мощность – это физическая величина, определяющая скорость преобразования электроэнергии. Например, вы не раз слышали: «лампочка на столько-то ватт». Это и есть мощность потребляемая лампочкой за единицу времени во время работы, т.е. преобразовании одного вида энергии в другой с некоторой скоростью.

Источники электроэнергии, например генераторы, также характеризуется мощностью, но уже вырабатываемой в единицу времени.

Единица измерения мощности – Ватт (обозначается Вт или W). В формулах и расчетах мощность обозначается буквой P. Для цепей переменного тока применяется термин Полная мощность, единица измерения – Вольт-ампер (В·А или V·A), обозначается буквой S.

И в завершение про Электрическую цепь. Данная цепь представляет собой некоторый набор электрических компонентов, способных проводить электрический ток и соединенных между собой соответствующим образом.

Электрическая цепь на примере фонарика

Что мы видим на этом изображении – элементарный электроприбор (фонарик). Под действием напряжения U (В) источника электроэнергии (батарейки) по проводникам и другим компонентам обладающих разными сопротивлениями R (Ом) от плюса к минусу течет электрический ток I (А) заставляющий светиться лампочку мощностью P (Вт). Не обращайте внимания на яркость лампы, это из-за плохого давления и малого потока воды батареек.

Фонарик, что представлен на фотографии, собран на базе конструктора « Знаток ». Данный конструктор позволяет ребенку в игровой форме познать основы электроники и принцип работы электронных компонентов. Поставляется в виде наборов с разным количеством схем и разного уровня сложности.

Источник



Электрическое напряжение и сила тока — это..

В статье про электрический ток приводилась аналогия с водопроводной трубой, здесь мы продолжим пользоваться этой визуализацией.

В водопроводной трубе частицы воды движутся под воздействием давления, создаваемого насосом или водонапорной вышкой. Электроны в проводах движутся под воздействием электрического напряжения, называемого ещё разностью потенциалов или электродвижущей силой.

Носителями электрического заряда могут быть свободные электроны (отрицательный заряд) или ионы, те самые атомы в которых электронов не хватает (положительный заряд).

Разность потенциалов (электрическое напряжение) создается источниками тока, которые делают работу по нарушению равновесия в природе. Они сгоняют электроны к одному полюсу, а у другого оставляют их дефицит, то есть выбивают из атомов электроны и гонят их в определенное место.

Природа стремится воссоздать равновесие обратно и электроны дружным (упорядоченным) потоком готовы двигаться к тому месту, где имеется их недостаток, а это место является противоположным полюсом источника тока.

Для того чтобы электронам добраться до своей цели, им нужна «дорога», или другими словами проводник электрического тока. Проводником может быть всё, что способно проводить электрический ток, от металлов до растворов электролитов в воде. Подробнее об этом написано в статье про электрическое сопротивление.

Достаточно соединить два полюса источника тока проводником, как тут же хлынет поток электронов, движущихся в одном направлении, а значит потечет электрический ток. А между полюсами источника тока будет образована электрическая цепь.

Чем больше электронов скопилось на отрицательном полюсе и больше ионов на положительном полюсе, тем больше разность потенциалов между этими полюсами и тем больше напряжение выдаёт источник тока.

Электрическое напряжениеэто разность потенциалов электрического заряда между двумя определенными точками.

Электрическое напряжение измеряется в вольтах, единица измерения названа в честь итальянского физика Александро Вольты. Про то, как он изобрёл первую батарейку и сколько кулон должно быть перемещено чтобы выполнилась работа равная в один джоуль, можно почитать в википедии.

Напряжение равное, к примеру 220 вольт обозначается так:

российское – 220 в международное – 220 v

Напряжение бывает переменным (AC) и постоянным (DC), об этом подробнее в статье про источники тока.

Переменное напряжение обозначатся знаком «

», постоянное напряжение — знаком « – ». Так, переменное напряжение 220 вольт записывается как:

220 v, а постоянное напряжение равное 12 вольтам «–12 v». Иногда в постоянном напряжении указывается конкретный полюс источника тока: «+12 v» или «–12 v».

Напряжение, сила тока и сопротивление очень сильно взаимосвязаны, их взаимосвязи описаны в законе Ома.

Закон Ома гласит: — «Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению данного участка цепи.»

Другими словами: чем выше напряжение (U), тем выше сила тока (I), чем выше сопротивление, тем сила тока ниже.

Формула данного выражения записывается в таком виде:

U= I*R

Как мы уже знаем из предыдущих статей, сопротивление измеряется в Омах, записывается как 1 Ом, сила тока в Амперах и записывается как 1 А

К примеру: имеем лампочку с сопротивлением 3 Ом, которая подключена к батарейке, через лампочку течёт ток 0,5 А, значит напряжение батарейки будет равняться:

U = I*R =0,5*3 =1,5 v

Эта теория напоминает скучный школьный курс физики, но без понимания этого простого правила, довольно сложно продвинуться в любом виде электроники, будь то робототехника или установка сигнализаций на автомобили.

Сила электрического тока это…

Количество воды, которая вытекает из трубы в один момент времени — это объём воды. Точно также, количество электронов, пробегающих через определенное место в один момент времени — это сила электрического тока.

Физики объясняют это определение как количество заряда, прошедшее через определенную поверхность за определенное время. Снова напрашивается аналогия с водой вытекающей из трубы или крана, не так ли?

Возьмем шприц, наберем в него воды и резко выдавим её. На воду в этот момент будет действовать давление, создаваемое поршнем, на который в свою очередь давит наша рука. Это аналог напряжения, толкающего электроны. Вода будет сильной струёй вылетать из носика шприца, так вот объём этой воды и будет являться аналогом силы электрического тока. Тонкая струйка будет означать малый объем воды и соответствовать малой силе тока.

Как пример, искра в зажигалке, создаваемая пьезоэлементом. Сила тока там очень мала, но высокое напряжение способно протолкнуть электроны даже через воздух, имеющий очень высокое сопротивление.

Теперь представим себе обратную ситуацию, мы отрезали кончик шприца и воде ничего не мешает вылететь из него за долю секунды (сопротивление проводника стало низким).

Значит объем воды в единицу времени (сила тока) будет довольно большим, вода буквально выплеснется толстым мощным потоком, подобно этому, по проводу соответствующему по своей толщиной, будет протекать ток с довольно большой силой.

Сила тока — это количество электрического заряда, прошедшее через определенную поверхность за определенное время.

Сила тока измеряется в амперах, эта единица измерения названа в честь французского физика Андре Ампера.

Как видно из примера со шприцом, напряжение, сила тока и сопротивление очень сильно взаимосвязаны, их взаимосвязи описаны в законе Ома.

Закон Ома гласит: «Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению данного участка цепи».

Другими словами: чем выше напряжение (U), тем выше сила тока (I), чем выше сопротивление, тем сила тока ниже.

Формула данного выражения записывается в таком виде:

I = U/R

Как мы уже знаем из предыдущих статей, сопротивление измеряется в Омах, записывается как 1 Ом, сила тока в Амперах и записывается как 1 А

К примеру: имеем лампочку с сопротивлением 3 Ом, которая подключена к батарейке напряжением 1,5 в, значит сила тока текущая через лампочку будет равняться:

I = U/I =1,5/3 =0,5 A

Эта теория напоминает скучный школьный курс физики, но без понимания этого простого правила, довольно сложно продвинуться в любом виде электроники, будь то робототехника или установка сигнализаций на автомобили.

Источник