Напруга струму – важливе поняття електротехніки

Електрика – найбільш використовуваний людиною вид енергії. Без перебільшення можна сказати, що визначення електричного струму як упорядкованого руху електронів добре відомо ще зі шкільного підручника фізики. Але ось що таке напруга струму і яким чином забезпечується це «впорядкований рух», відповість далеко не кожен. Згадаймо, що електрон, елементарний електричний заряд, сам по собі по провіднику не рухається. З іншого боку, тільки рух зарядів по ланцюга супроводжується виконанням корисної роботи у вигляді перетворення енергії з одного виду в інший. Саме завдяки цим перетворенням електричний струм в одних випадках розпалює нитка лампочки, а в інших – обертає ротор електродвигуна. У першому випадку маємо перетворення електричної енергії в теплову, а в другому – в магнітну. Енергія рухомих зарядів витрачається за рахунок джерела, який підтримує електричний струм в ланцюзі. Протікаючи по провіднику, струм переносить енергію джерела ЕРС до споживача – нитки розжарення, обмоток електродвигуна і т. д.

Якщо визначити струм як кількість зарядів, що протікають по провіднику, то можна сказати, що робота струму залежить від кількості цих зарядів в одиницю часу. А від чого залежить електричний струм в ланцюзі? Розглянемо модель протікання струму на прикладі водяного струменя, що витікає з отвору в нижній частині циліндра, заповненого вщерть. Уявімо, що в нашій моделі циліндр - це провідник, а вода – це велика кількість краплинок-електронів. Тоді абсолютно ясно, що випливає за одиницю часу кількість води залежить від двох параметрів – тиску стовпа води, яка в електричних ланцюгах іменується як напруга струму і діаметра отвору – аналога електричного опору. Висота водяного стовпа в даній моделі визначає верхній потенціал джерела енергії, краплинки-заряди схожі на потік електронів, які переміщуються від верхнього до нижнього шару. Потенційна енергія водяної маси, тобто здатність виконати деяку корисну роботу, на верхньому і нижньому рівнях різна. Завдяки наявності різниці потенціалів вода може витікати з отвору і з перетворенням потенційної енергії стовпа води в кінетичну енергію струменя води. Якщо висоту водяного стовпа збільшувати, то різниця потенціалів, або напруга струму, збільшується і сила струму, точніше, маса витікає в одиницю часу води, також зростає. Таким чином, запропонована модель показує прямо пропорційну залежність сили струму від напруги.

Більше:

Перший штучний супутник Землі

Перший штучний супутник Землі є одним з найбільших досягнень науки ХХ століття. Тим не менш, як це ні парадоксально, цьому великому науковому і технічному досягненню значною мірою сприяла холодна війна між двома наддержавами: США і Радянським Союзом....

Що таке соціалізація, і як вона змінює людину

Спробуємо розібратися, що таке соціалізація, в чому її сутність і особливість. Адже для кожної особистості входження у суспільство і засвоєння його основних норм є фундаментом до подальшої безпроблемною і успішного життя і діяльності. Отже, що таке с...

Принц Чарльз – головний спадкоємець британського престолу

Згідно із законом королівства Великобританія, спадкоємець британського престолу - це старший закононароджена син чинного монарха або ж попереднього претендента на престол. Однак якщо у царюючого особи немає дитини чоловічої статі, то право спадкуванн...

В теорії електрики цей висновок записується наступним чином: I = f(U)* K, де I - струм, U – напруга, а K – індивідуальна характеристика реакції електричної ланцюга на що проходить струм - провідність. У техніці зазвичай застосовують величину, зворотну провідності R = 1/K , і називається вона «опір». Опір зазвичай трактується як корисне навантаження ланцюга. В нашій моделі таким «опором» виступає площа отвору для зливу води: чим вона більше, тим більше її прохідність, або, кажучи мовою електротехніки, провідність, а отже, опір потоку води зменшується.

На моделі наочно видно, як потенційна енергія потоку крапель-зарядів перетворюється в кінетичну енергію струменя витікаючої. Чим менше опір (або більше провідність), тим більша механічна робота виконується над масою води. Інакше кажучи, корисні навантаження різних видів – це перетворювачі струму, наприклад, нитка розжарювання перетворює електричну енергію в теплову і світлову, котушка реле перетворює електричну енергію в магнітну і т. д.

Повертаючись до електричних кіл, можна зробити висновок, що сила струму I і напруга струму U є електричними параметрами, що визначають роботу струму А (А= U*I).

При цьому сила струму визначається кількістю перенесеного заряду, а напруга і є та причина, яка змушує електрони «впорядковано» переміщатися від більшого потенціалу до меншого. Якщо напруга струму відсутня, то ніяке кількість вільних електронів у речовині не призведе до руху зарядів. Це означає, що відсутність напруги струму не призводить до передачі енергії.

Хорошою демонстрацією отриманих висновків є гідроелектростанції: їх будують з використанням великого перепаду рівнів (потенціалів) води. Тут маса падаючої води подібна до току, а різниця рівнів верхнього і нижнього б'єфів грає роль перепаду потенціалів.