Напряжение, ток, мощность

Электричество в физике характеризуется большим числом различных параметров и характеристик. В электронике и электротехнике основных, первичных понятий только два – электрические ток и напряжение. Электрический ток протекает в электрической цепи, напряжение возникает на элементах электрической цепи.

Электрической цепью называют совокупность связанных между собой электрических элементов, по которым протекает электрический ток. Ток и напряжение полностью характеризуют состояние электрической цепи. В электронных устройствах и компьютерах ток и напряжение выполняют, в основном, функцию передачи информации.

Напряжение (условное обозначение U, Е). Напряжение между двумя точками – это энергия (или работа), которая затрачивается на перемещение единичного положительного заряда из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом (т. е. первая точка имеет более отрицательный потенциал по сравнению со второй). Иначе говоря, это энергия, которая высвобождается, когда единичный заряд перемещается от высокого потенциала к низкому. Напряжение называют также разностью потенциалов или электродвижущей силой (э. д. с). Единицей измерения напряжения служит вольт. Обычно напряжение измеряют в вольтах (В), киловольтах (1 kB = 10³ В), милливольтах (1 мВ = 10^-3 В) или микровольтах (1 мкВ=10^-6 В). Для того чтобы переместить заряд величиной 1 кулон между точками, имеющими разность потенциалов величиной 1 вольт, необходимо совершить работу в 1 джоуль.

Ток (условное обозначение I). Ток – это скорость перемещения электрического заряда в точке. Единицей измерения тока служит ампер. Обычно ток измеряют в амперах (А), миллиамперах (1 мА = 10^-3 А), микроамперах (1 мкА=10^-6А), наноамперах (1 нА=10^-9 А) и иногда в пикоамперах (1 пА=10^-12 А). Ток величиной 1 ампер создается перемещением заряда величиной 1 кулон за время, равное 1 с. Условились считать, что ток в цепи протекает от точки с более положительным потенциалом к точке с более отрицательным потенциалом, хотя электрон перемещается в противоположном направлении.

Напряжение всегда измеряется между двумя точками схемы, ток всегда протекает через точку в схеме или через какой-либо элемент схемы.

Говорить «напряжение в резисторе» – неграмотно. Однако часто говорят о напряжении в какой-либо точке схемы. При этом всегда подразумевают напряжение между этой точкой и «землей», то есть такой точкой схемы, потенциал которой известен.

Напряжение создается путем воздействия на электрические заряды в таких устройствах, как батареи (электрохимические реакции), генераторы (взаимодействие магнитных сил), солнечные батареи (фотогальванический эффект энергии фотонов) и т. п. Ток получается прикладыванием напряжения между точками схемы.

Мощность (работа, совершенная за единицу времени), потребляемая схемой, определяется следующим образом: Р=UI. Вспомнив, как определяется напряжение и ток, получим, что мощность равна: (работа/заряд)•(заряд/ед. времени). Если напряжение U измерено в вольтах, а ток I – в амперах, то мощность Р будет выражена в ваттах. Мощность величиной 1 ватт – это работа в 1 джоуль, совершенная за 1 с (1 Вт=1 Дж/с).

Мощность рассеивается в виде тепла (как правило) или иногда затрачивается на механическую работу (моторы), переходит в энергию излучения (лампы, передатчики) или накапливается (батареи, конденсаторы). При разработке сложной системы одним из основных является вопрос определения ее тепловой нагрузки (возьмем, например, вычислительную машину, в которой побочным продуктом вычисления результатов решения задачи становятся многие киловатты электрической энергии, рассеиваемой в пространство в виде тепла).

Выражение P=UI в таком виде справедливо для определения мгновенного значения мощности.