Перед любым, кто делает первые шаги в электротехнике и электронике, стоит задача уяснить суть основных понятий электричества. Некоторые из этих понятий известны с детства, например, «силу электричества» принято называть «напряжением» и измерять в Вольтах. Полтора вольта пальчиковой батарейки – это немного. А вот 220 Вольт в бытовой розетке – может очень сильно ударить, и даже, при плохом стечении обстоятельств, убить.
Но, по мере более глубокого изучения вопроса возникают некоторые странности. Например, напряжение пьезоэлемента от зажигалки может доходить до десятков тысяч вольт, однако, оно почему-то безопасно. Ещё одной сложностью могут стать законы электричества – почему они выглядят именно так, а не иначе?
Ряд подобных вопросов можно понять и усвоить, если подобрать подходящую аналогию, которая бы в первом приближении объяснила всю суть основных понятий электричества, а также действие базовых элементов электрических схем. Такую аналогию мы и предлагаем вашему вниманию. Первая статья будет «принципиальная», в других – мы рассмотрим аналоги реальных элементов электрических схем.
Электричество: «водяная» аналогия
Электрический ток представляет собой упорядоченное движение невидимых заряженных частиц. Чем можно заменить эти частицы «более осязаемым»? Давайте заменим их молекулами воды! В этом случае проводник электрического тока превращается в трубу, наполненную водой.
Присмотримся к этому превращению внимательнее. Какие условия необходимы для создания в трубе непрерывного движения воды?
Таких условий два:
- Нужен источник воды, который бы давал объем, необходимый для протекания.
- Этот источник должен создавать некоторое давление, которое бы являлось причиной движения воды по трубе.
Первое условие говорит о том, что через нашу трубу каждую секунду протекает некоторый объем воды. Это аналог силы тока. Чем больше кубометров воды в секунду будет проходить через трубу – тем выше сила тока.
Второе условие говорит о том, что вода, проходящая по трубе, должна обладать некоторой энергией, и для этого должен существовать напор, давление. Это аналог напряжения. Чем выше давление на входе в трубе – тем выше напряжение.
Можно понять, почему, несмотря на большое напряжение, пьезоэлемент от зажигалки неопасен - он не может обеспечить необходимую силу тока, «поток воды», который бы мог нанести достаточный вред организму. В нашей аналогии это что-то вроде "водяного пистолета", давление в нем может быть весьма значительным, а вот количество воды при этом очень невелико.
Закон Джоуля-Ленца
Уже из двух полученных величин можно по аналогии вывести важный электрический закон. Ясно, что поток воды совершает тем большую работу в единицу времени, чем больше его напор, и чем больше протекающий объем. То есть, если перемножить давление воды и её расход, мы должны получить мощность - работу в единицу времени.
Проверим это.
Например, если давление измерять в килограммах на квадратный метр, и умножить на поток, (на кубометры в секунду) – мы получим килограмм-метр в секунду, это как раз и есть мощность!
Для электричества аналогия получается полной – если один Вольт напряжения умножить на один Ампер тока – мы получим один Ватт электрической мощности. Из «водяной» аналогии понятно, почему это так. Ток, также, как и жидкость, может совершить тем большую работу, чем больше будет энергия электронов (напряжение), и чем больше будет самих электронов проходить через проводник (сила тока).
Правила Кирхгофа
На основе рассматриваемой аналогии легко объясняются и правила Кирхгофа. Первое правило говорит, что алгебраическая сумма токов через любой узел схемы равна нулю. В нашем случае это значит, что алгебраическая сумма потоков жидкости в узле равна нулю – сколько жидкости вошло в узел, столько должно и выйти.
Второе правило также выполняется, хотя, понять его несколько сложнее. Согласно ему, падение напряжения на элементах любого контура равно сумме напряжений источников в этом контуре. Из рассматриваемой аналогии видно, что источником напора на любом участке контура являются водяные насосы, которые существуют внутри контура.
Закон Ома
Главным законом электротехники, безусловно, является Закон Ома. И его также легко вывести из нашей «водяной» аналогии.
Действительно, расход жидкости по трубе пропорционален давлению, с которым это происходит. Повышение давления вдвое соответственно увеличивает расход. А это значит, что отношение давления и расхода через данную трубу – постоянно.
И эта величина характеризует лёгкость прохождения жидкости по данной трубе. Электрическим аналогом этой величины является сопротивление R. Закон Ома, таким образом выглядит так:
Интересно, что если давление измерять в паскалях, а расход в кубометрах в секунду – то отношение этих величин будет равно паскаль-секунде на кубометр. В паскаль-секундах измеряется вязкость жидкости, следовательно, мы получаем удельную вязкость. Это и есть аналог электрического сопротивления, что для нашей «водяной аналогии» вполне логично.
Резюме
Представленная аналогия позволяет понять суть основных электрических величин «на пальцах». В следующей статье мы рассмотрим более практические вопросы – как будут выглядеть основные элементы электрических схем в «водяном» исполнении.
