Глава 2 · Электрический ток: контур, напор и предел
Цепи, напряжение и закон Ома
Первая батарея
В сцене батарея, два провода и лампа соединены в кольцо. Лампа горит, только пока кольцо замкнуто; разрежьте один провод — и она погаснет. В 1800 году Алессандро Вольта описал свой «столб»: диски из цинка и меди, разделённые тканью, смоченной в солёной воде, сложенные в колонну. Это был первый устойчивый источник тока. Химические реакции внутри батареи разделяют заряды и продолжают гнать их по кольцу. Современная пальчиковая батарейка делает то же самое при 1,5 В. Дома пробуйте опыты только с маленькими батарейками; розетка — совсем другое дело, она опасна для жизни.
Ток и напряжение
Посмотрите, как по проводу плывут точки. Сила тока I показывает, сколько заряда проходит через сечение за секунду: I = Q / t. Единица тока — ампер, один кулон в секунду. Если ток 0,5 А течёт 20 с, то прошёл заряд Q = 0,5 × 20 = 10 Кл. Напряжение V — это толчок, энергия на каждый кулон: 1 В = 1 Дж/Кл, поэтому элемент на 1,5 В даёт каждому кулону 1,5 Дж. Представьте воду в трубах: ток — это поток, напряжение — давление. Сами электроны смещаются со скоростью много меньше миллиметра в секунду, но толчок обегает кольцо почти мгновенно.
Сопротивление и закон Ома
Любой материал немного мешает току, и это сопротивление измеряют в омах. В 1827 году Георг Ом опубликовал связь V = I·R, где V — напряжение в вольтах, I — ток в амперах, R — сопротивление в омах. Перепишем: I = V / R — при том же толчке больше сопротивление означает меньше ток. Батарея 6 В на резисторе 12 Ом даёт 6 / 12 = 0,5 А. Батарея 9 В на резисторе 450 Ом даёт 9 / 450 = 0,02 А, то есть 20 мА. В сцене точки замедляются и толпятся, когда вы увеличиваете R; песочница считает за вас.
Последовательно: одна дорога
Две одинаковые лампы по 6 Ом подключены к батарее на 6 В. При последовательном соединении у тока одна дорога, и сопротивления складываются: R = R₁ + R₂ = 12 Ом. Тогда через обе течёт I = 6 / 12 = 0,5 А, и каждая лампа получает половину толчка: 0,5 × 6 = 3 В. Обе светятся тускло. Выкрутите одну лампу — кольцо разорвётся и погаснут обе, поэтому старые ёлочные гирлянды выходили из строя разом.
Параллельно: две дороги
Теперь каждая лампа сидит на своей ветви прямо на батарее, и каждая получает полные 6 В. Ветви делят ток: по 6 / 6 = 1 А в каждой, всего 2 А из батареи. Общее сопротивление считается так: 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ = 1/6 + 1/6, значит R = 3 Ом, и проверка сходится: 6 / 3 = 2 А. Каждая новая ветвь снижает общее сопротивление. Дома подключены параллельно, поэтому в каждой розетке полное сетевое напряжение, а перегоревшая лампа не гасит остальные.
Мощность и предохранитель
Мощность — это скорость расхода энергии: P = V·I, в ваттах. Сравним две схемы. Параллельно: 6 В × 2 А = 12 Вт, ярко. Последовательно: 6 В × 0,5 А = 3 Вт, тускло. С законом Ома это же записывается как P = I²R — тепло, выделяемое в проводе. Слишком большой ток перегревает провод и может вызвать пожар, поэтому цепи защищают. Плавкий предохранитель — тонкая полоска, плавящаяся при своём номинальном токе, а автомат размыкается. Автомат на 16 А при 230 В допускает 230 × 16 = 3680 Вт; включите больше — он сработает. В сцене предохранитель раскаляется, и появляется разрыв.
В цифрах
- 1800
- Вольта описывает столб — первую устойчивую батарею
- V = I·R
- закон Ома, опубликованный Георгом Омом в 1827 году
- 3680 Вт
- предел автомата на 16 А в цепи 230 В