Для перемещения электрических зарядов по цепи нужна особая сила, обуславливаемая разностью потенциалов. Она возникает за счёт того, что один полюс электрической батареи, который называется анодом, положительный, а другой — катод — отрицательный.
Точно так же как вода не может двигаться вверх по трубе без помощи насоса или вниз без помощи силы тяготения, так и электрический заряд не может перемещаться, не будь разности потенциалов. Без неё все электрические приборы, которыми мы пользуемся в повседневной жизни, начиная от тостеров и заканчивая телевизорами, были бы невозможны в принципе.
Электричество начинается с разности в зарядах. Заряд может быть положительным и отрицательным. Противоположные электрические заряды естественным образом притягиваются; одинаковые электрические заряды: положительный с положительным или отрицательный с отрицательным — отталкиваются. Любой заряд, который проходит рядом с другим зарядом, испытывает это естественное притяжение либо отталкивание. Движение электрического тока вызывается естественным притяжением между противоположными зарядами.
Для того чтобы ток двигался, нужна разность зарядов — так, чтобы в одной части электрической цепи, в отличие от другой, было больше либо положительного, либо отрицательного заряда.
Создание потенциала
Энергия не появляется ниоткуда, для неё необходим какой-то источник.
Если ты уронишь мяч, он естественным образом упадёт на землю под действием силы тяготения. Но для того, чтобы его уронить, сначала нужно поднять мяч с земли. При этом мы наделяем его запасом энергии, причём чем выше мяч поднят, тем больше этот запас. Энергия, которой обладает мяч, будучи поднятым на определённую высоту, называется потенциалом поля тяготения.
Точно так же и с электрическим зарядом. Подобно тому как сила тяготения притягивает мяч к земле, разность электрических зарядов способна притягивать их друг к другу. И так же как, поднимая мяч выше, ты наделяешь его всё большим потенциалом поля тяготения, можно повысить потенциал электрического заряда, заставив его двигаться. Иными словами, потенциалы мяча и электрического заряда зависят от их местоположения.
В случае с мячом и силой тяготения, которая всегда притягивает предметы к земной поверхности, ты увеличиваешь потенциал, отрывая мяч от земли, тем самым действуя против силы тяготения. С электрическими зарядами всё зависит от того, одинаковые они или разные. Если заряды одинаковые, это увеличивает их потенциал путём сталкивания, вопреки их естественному стремлению. А в случае с противоположными зарядами их потенциал повышается за счёт отталкивания друг от друга, опять же вопреки тому, к чему они стремятся по своей природе.
Электрический потенциал
Электрический потенциал — это энергия, необходимая для переноса определённого электрического заряда в определённую точку по отношению к другим электрическим зарядам. Другими словами, это количество энергии, необходимой для доставки заряда в эту точку.
Разница в электрических потенциалах — это количество энергии, которой обладает электрический заряд в зависимости от своего местоположения. Электрический ток движется от точки высокого электрического потенциала к точке низкого электрического потенциала. Так же как лыжникам требуется энергия подъёмника для доставки их на вершину горы для последующего спуска, так и электрической цепи нужна энергия, создающая разность потенциалов для движения тока. Как только эта разность исчезает, ток перестаёт течь.
Есть много способов, позволяющих получить разность потенциалов. В батарейках и аккумуляторах энергия производится в результате химических реакций, которые обуславливают перенос заряда от отрицательного полюса к положительному. Этот полюс становится точкой высокого потенциала, а ток естественным образом затем течёт по цепи к отрицательному полюсу — туда, где потенциал низкий. В генераторах ток производится путём преобразования механической энергии в электрическую.
Потеря энергии
На примере электрического нагревателя с отражателем легко понять, как на электрическую цепь действует сопротивление. Высокое сопротивление нагревательных элементов заставляет их светиться и излучать тепло, иными словами, получать такой же эффект, как от огня в камине. Но тепло и свет, поступающие в комнату от нагревателя, это не что иное, как энергия, теряемая электрической цепью. Чтобы тепло и свет продолжали вырабатываться, разность потенциалов, обеспечивающая движение тока по цепи нагревателя, должна постоянно обновляться.
Напряжение
Разница в потенциалах обычно измеряется в единицах напряжения. В прошлом инженеры сравнивали движение тока с гидравлическим давлением из-за сходства процессов — сила напора толкает воду вверх по трубам к кранам. Но в дальнейшем стали использовать термин «напряжение». Движение тока больше похоже на силу тяги, чем на напор.
Для небольшой электрической цепи вполне достаточно низкого напряжения. Вот почему батарейки в фонариках производят напряжение в 1,5 вольта, автомобильные аккумуляторы должны давать 12 вольт, а в домашних сетях используется напряжение в 220 вольт. Намного большее напряжение требуется для доставки энергии по линиям электропередачи на огромные расстояния, поэтому их и называют высоковольтными. Напряжение можно измерить только между двумя точками в цепи.
Именно это и отличает напряжение от тока. Так же как можно опустить водомер в реку и определить количество воды, протекающей в любом месте, амперметр позволяет измерить в любой избранной точке цепи электрический ток. А напряжение можно сравнить с разницей давлений в верхней и нижней точках водопада.
Сопротивление
Знаменитый закон Ома гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению, которое он встречает на своём пути. Чем больше сопротивление, тем меньше сила тока. Или другими словами, чем больше сопротивление, тем большее напряжение потребуется, чтобы обеспечить определённую силу тока. Сопротивление измеряется в омах. Ток измеряется в амперах. Ток (I) — это напряжение (U), делённое на сопротивление (R): I = U / R. Таким образом, трёхвольтная электрическая цепь с сопротивлением в 3 ома будет давать ток, равный 3 делённым на 3. т.е. 1 амперу. Но действие сопротивления зависит от того, как именно соединена цепь. Если ты увеличишь количество батареек и соединишь их между собой последовательно, тем самым ты добавишь разность потенциалов и напряжение. Соответственно, две одновольтные батарейки, соединённые последовательно, будут давать 2 вольта.
Похожим образом, при добавлении сопротивления в цепи в виде лампочки или нагревательного элемента, при последовательном соединении оно увеличится. А ток в результате уменьшится. Если добавить ещё одну лампочку или нагревательный элемент с таким же сопротивлением, соединив их последовательно, ток уменьшится вдвое.
Но всё меняется при параллельном соединении тех же лампочек или нагревательных элементов. Так как напряжение — это разность между двумя точками, при параллельном соединении цепи оно одинаково в любом из носителей сопротивления. Поэтому воздействие на ток двух лампочек, соединённых параллельно, равно воздействию одной, подключённой к цепи последовательно, Таким образом, две лампочки, соединённые параллельно, будут светить ярче, чем две, соединённые последовательно.
ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ
Электрический потенциал — это разница в зарядах между двумя точками в электрической цепи.
Разность потенциалов энергия, необходимая для переноса заряда на определённое расстояние.
Напряжение — разность потенциалов между двумя точками электрической цепи.
