Когда вы вставляете вилку в розетку, вы, возможно, думаете о токе или мощности. Но на самом деле «движущей силой» электрического тока является напряжение — разность потенциалов, которая определяет, сколько энергии получит каждый кулон заряда, проходя через цепь. Сегодня мы разберём фундаментальную формулу U = A / q, поймём, как связана работа, заряд и напряжение, и увидим, почему именно напряжение — ключ к пониманию работы батареек, розеток и даже нервных импульсов.
Шаг 1. Что такое напряжение?
Напряжение (U) — это физическая величина, показывающая, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда между двумя точками.
Формула:
U = A / q
где:
- U — напряжение (в вольтах, В),
- A — работа, совершённая электрическим полем (в джоулях, Дж),
- q — величина перемещённого заряда (в кулонах, Кл).
🔹 1 вольт = 1 джоуль на кулон (1 В = 1 Дж/Кл).
Шаг 2. Физический смысл формулы
Если напряжение между двумя точками U = 12 В, это означает:
- При перемещении 1 Кл заряда поле совершит 12 Дж работы,
- При перемещении 2 Кл — 24 Дж,
- При перемещении 0.5 Кл — 6 Дж.
→ Напряжение — это «энергетическая цена» одного кулона заряда на данном участке цепи.
Шаг 3. Связь с потенциалом
Напряжение — это разность электрических потенциалов:
U = φ₁ – φ₂
где:
- φ₁ — потенциал в начальной точке,
- φ₂ — потенциал в конечной точке.
→ Напряжение всегда между двумя точками, в отличие от потенциала, который определяется в одной точке (относительно бесконечности или «земли»).
Шаг 4. Пример расчёта
Электрическое поле совершило работу 240 Дж при перемещении заряда 20 Кл. Найдите напряжение между начальной и конечной точками.
Дано:
A = 240 Дж
q = 20 Кл
Решение:
U = A / q = 240 / 20 = 12 В
Ответ: напряжение — 12 вольт.
Шаг 5. Направление движения зарядов
- Положительные заряды движутся от высокого потенциала к низкому (от «+» к «–»),
- Электроны (отрицательные) движутся от низкого потенциала к высокому (от «–» к «+»),
- Но направление тока в схемах — условно от «+» к «–».
Во всех случаях работа поля положительна, если заряд движется «по полю».
Шаг 6. Связь с другими формулами
- Через мощность и ток: U = P / I
- Через закон Ома: U = I · R
- Через энергию: A = U · q = U · I · t
→ Все эти формулы вытекают из базового определения U = A / q.
Шаг 7. Практические примеры напряжений
Элемент АА (батарейка) - 1.5 В
USB-порт - 5 В
Автомобильный аккумулятор - 12 В
Бытовая розетка (РФ, Европа) - 230 В (эффективное)
ЛЭП - 110 кВ – 1150 кВ
Молния - до 100 МВ
Шаг 8. Распространённые ошибки
❌ Ошибка 1: думать, что напряжение «расходуется» в цепи.
→ Напряжение прикладывается к участку — оно не «течёт», как ток.
❌ Ошибка 2: путать работу источника и работу поля.
→ В формуле U = A / q — A это работа электрического поля, а не сторонних сил.
❌ Ошибка 3: использовать заряд в мКл без перевода в Кл.
→ 1 мКл = 0.001 Кл!
Шаг 9. Где применяется?
- Электротехника: расчёт падений напряжения в цепях,
- Медицина: ЭКГ измеряет разность потенциалов на коже (милливольты!),
- Электроника: логические уровни в микросхемах (3.3 В, 5 В),
- Энергетика: передача энергии на большие расстояния при высоком U (меньше потерь).
Шаг 10. Формулы для копирования
- U = A / q
- A = U * q
- q = I * t → A = U * I * t
- U = φ1 - φ2
- 1 В = 1 Дж/Кл
Напряжение — это «давление» электричества: оно не говорит, сколько заряда течёт, а показывает, насколько сильно каждый кулон «хочет» двигаться. Без понимания U = A/q невозможно разобраться ни в простейшей схеме, ни в работе мозга.
А теперь представьте: вы смотрите на батарейку и думаете: «Если через лампочку прошёл заряд 5 Кл, а работа — 7.5 Дж, то U = 1.5 В — всё верно!» Друг спрашивает: «Ты что, с батарейкой ведёшь бухгалтерию?» — а вы отвечаете: «Нет, просто проверяю, соблюдает ли U = A/q». Он смотрит на лампочку… и решает не вынимать батарейку. Вдруг она решит пересчитать свой остаток энергии?