Напряжение и ток объясняются простым, запоминающимся способом
Мы постоянно используем термин «напряжение». Мы знаем, что батарейки AA имеют напряжение 1,5 вольта, USB-разъём (или зарядное устройство для телефона) выдаёт 5 вольт, а при работе с электроникой мы обычно имеем дело с напряжением 5 вольт, 3,3 вольта, а иногда и с более высокими значениями — автомобильные приборы работают от 12 вольт, а в сети напряжение составляет 110 или 220 вольт.
Несмотря на то, что напряжение встречается повсюду, я часто вижу вопросы новичков, в которых напряжение путают с силой тока, ёмкостью или энергией. Это неудивительно, учитывая, что напряжение часто объясняют расплывчатыми терминами, такими как «разность потенциалов», «электрическое поле» или «электрическое напряжение», которые имеют смысл только в том случае, если вы уже разбираетесь в физике.
Итак, что же такое напряжение и как оно связано с силой тока? Что означает заземление? Можно ли измерить напряжение внутри электрического провода?
Напряжение — это то, насколько электроны мотивированы двигаться из одной точки в другую. Сопротивление — это то, насколько сложен путь между этими двумя точками, а сила тока — это количество электронов, которые фактически проходят через конкретный провод каждую секунду. Связь между этими тремя величинами определяется очень простой формулой, называемой законом Ома:
Напряжение = ток × Сопротивление
Это фундаментальная вещь, которую нужно знать, когда вы пытаетесь разобраться в электронных схемах. На самом деле, многие правила можно легко вывести, если понять это фундаментальное соотношение.
Напряжение, ток и сопротивление в действии
Если у вас есть источник питания (например, аккумулятор), у него есть два вывода: положительный и отрицательный. Когда эти выводы разъединены, ток не может пройти по цепи, поэтому сопротивление бесконечно велико. Это означает, что ток не будет проходить. Точно так же, если нет рейсов между Тель-Авивом и Берлином, даже при самой сильной мотивации вы не сможете совершить это путешествие.
Точно так же, если мы создадим короткое замыкание (соединим два провода), между ними будет практически нулевое сопротивление, а значит, будет протекать большой ток. Это похоже на то, как если бы между Тель-Авивом и Берлином летало много-много самолётов или очень больших самолётов, а стоимость перелёта была бы очень низкой — даже при малейшей мотивации вы всё равно сядете в самолёт и совершите поездку.
Когда мы подключаем резистор между выводами, мы можем применить закон Ома, чтобы вычислить ток. Давайте попробуем это с некоторыми цифрами — предположим, у нас есть батарея 1,5 В и резистор 100 ОМ. Каким будет ток? Используя приведенную выше формулу, получаем:
1.5 = Ток × 100
Итак, ток равен 1.5 / 100, или 0,015 Ампера (это 15 мА). Что произойдет, когда мы подключим другой резистор 100 ОМ параллельно первому? Мы можем снова использовать формулу Ома, но давайте вместо этого попробуем понять ее интуитивно. Добавив параллельно второй резистор, мы просто добавили еще один путь, по которому могут течь электроны — по сути, это как если бы мы добавили еще один ежедневный рейс между Тель-Авивом и Берлином или сделали наш самолет в два раза больше. Это означает, что теперь мы можем снизить цены. Другими словами, сопротивление снизилось, поэтому, несмотря на тот же уровень мотивации, больше людей смогут путешествовать, и поток увеличится.
Напротив, последовательное подключение резистора похоже на отмену прямого рейса в Берлин, так что теперь вам придётся лететь с пересадкой, например, в Лондоне. Это означает, что цены вырастут, так как теперь вам придётся платить за два рейса вместо одного. Таким образом, сопротивление увеличилось, меньше людей будут готовы платить за поездку, и сила тока уменьшится.
Выходим за рамки основ
В этом посте я поделился с вами ментальной моделью, которую использую, когда думаю о напряжении, силе тока и сопротивлении. Я надеюсь, что эта модель поможет вам более интуитивно понять эти термины и взаимосвязь между ними и будет полезна Вам