Напряжение тока – важное понятие электротехники

Электричество – наиболее используемый человеком вид энергии. Без преувеличения можно сказать, что определение электрического тока как упорядоченного движения электронов хорошо известно еще из школьного учебника физики. Но вот что такое напряжение тока и каким образом обеспечивается это «упорядоченное движение», ответит далеко не каждый. Вспомним, что электрон, элементарный электрический заряд, сам по себе по проводнику не движется. С другой стороны, только движение зарядов по цепи сопровождается выполнением полезной работы в виде превращения энергии из одного вида в другой. Именно благодаря этим превращениям электрический ток в одних случаях накаляет нить лампочки, а в других – вращает ротор электродвигателя. В первом случае имеем превращение электрической энергии в тепловую, а во втором – в магнитную. Энергия движущихся зарядов расходуется за счет источника, который поддерживает электрический ток в цепи. Протекая по проводнику, ток переносит энергию источника ЭДС до потребителя – нити накала, обмоток электродвигателя и т.д.

Если определить ток как количество зарядов, протекающих по проводнику, то можно сказать, что работа тока зависит от количества этих зарядов в единицу времени. А от чего зависит электрический ток в цепи? Рассмотрим модель протекания тока на примере водяной струи, вытекающей из отверстия в нижней части цилиндра, заполненного доверху. Представим, что в нашей модели цилиндр - это проводник, а вода – это большое число капелек-электронов. Тогда совершенно ясно, что вытекающее за единицу времени количество воды зависит от двух параметров – давления столба воды, которое в электрических цепях именуется как напряжение тока, и диаметра отверстия – аналога электрического сопротивления. Высота водяного столба в данной модели определяет верхний потенциал источника энергии, капельки-заряды похожи на поток электронов, которые перемещаются от верхнего слоя к нижнему. Потенциальная энергия водяной массы, т.е. способность выполнить некоторую полезную работу, на верхнем и нижнем уровнях разная. Благодаря наличию разницы потенциалов вода может вытекать из отверстия и с преобразованием потенциальной энергии столба воды в кинетическую энергию струи воды. Если высоту водяного столба увеличивать, то разность потенциалов, или напряжение тока, увеличивается, и сила тока, точнее, масса вытекающей в единицу времени воды, также растет. Таким образом, предложенная модель показывает прямо пропорциональную зависимость силы тока от напряжения.

В теории электричества этот вывод записывается следующим образом: I = f(U)* K, где I - ток, U – напряжение, а K – индивидуальная характеристика реакции электрической цепи на проходящий ток - проводимость. В технике обычно применяют величину, обратную проводимости R = 1/K , и называется она «сопротивление». Сопротивление обычно трактуется как полезная нагрузка цепи. В нашей модели таким «сопротивлением» выступает площадь отверстия для слива воды: чем она больше, тем больше ее проходимость, или, говоря языком электротехники, проводимость, а значит, сопротивление потоку воды уменьшается.

На модели наглядно видно, как потенциальная энергия потока капелек-зарядов преобразуется в кинетическую энергию вытекающей струи. Чем меньше сопротивление (или больше проводимость), тем большая механическая работа выполняется над массой воды. Иначе говоря, полезные нагрузки разных видов – это преобразователи тока, например, нить накаливания преобразует электрическую энергию в тепловую и световую, катушка реле преобразует электрическую энергию в магнитную и т.д.

Возвращаясь к электрическим цепям, можно сделать вывод, что сила тока I и напряжение тока U являются электрическими параметрами, определяющими работу тока А (А= U*I).

При этом сила тока определяется количеством перенесенного заряда, а напряжение и есть та причина, которая заставляет электроны «упорядоченно» перемещаться от большего потенциала к меньшему. Если напряжение тока отсутствует, то никакое количество свободных электронов в веществе не приведет к движению зарядов. Это значит, что отсутствие напряжения тока не приводит к передаче энергии.

Хорошей демонстрацией полученных выводов являются гидроэлектростанции: их строят с использованием большого перепада уровней (потенциалов) воды. Здесь масса падающей воды подобна току, а разница уровней верхнего и нижнего бьефов играет роль перепада потенциалов.