Напряжение и ток

Как уже упоминалось ранее, для создания непрерывного потока электронов нам нужен не только непрерывный путь (замкнутая цепь), но и какая то сила, которая заставит электроны двигаться по этому пути. Точно так же, как нужна определенная сила, чтобы заставить двигаться в определенном направлении мраморные шарики в трубе или воду в водопроводе. В статическом электричестве эту силу создает дисбаланс электрических зарядов.

Если мы еще раз посмотрим на пример с воском и шерстью, потертых друг о друга, то обнаружим, что избыток электронов в воске (отрицательный заряд) и их недостаток в шерсти (положительный заряд) создают дисбаланс зарядов между этими материалами. Дисбаланс проявляется в виде силы притяжения:

Если заряженные воск и шесть соединить между собой куском провода, то избыточные электроны воска потекут через него к  шерсти, заполняя образовавшийся там недостаток электронов:

Дисбаланс электронов в атомах воска и шерсти создает силу между этими двумя материалами. Если отсутствует проводящий путь для потока электронов из воска в шерсть, то всё, что может сделать эта сила - притянуть два материала друг к другу. Когда мы поместим провод между воском и шерстью, сила спровоцирует направленный поток электронов через этот провод. Однако поток возникнет только на мгновение, пока не восстановится баланс электронов в воске и шерсти. Одновременно с восстановлением баланса исчезнет и сила. 

Электрический заряд, образуемый между этими материалами поле натирания, служит для хранения определенного количества энергии. Эта энергия мало чем  отличается от энергии запасенной в воде, которая была перекачана из нижнего водоема в верхний резервуар:

Сила тяжести, воздействующая на воду в резервуаре, создает силу, которая пытается вернуть воду обратно в водоем. Если мы соединим трубой резервуар и водоём, то вода, под действием силы тяжести, через эту трубу непременно перетечет из резервуара в водоём:

Если мы соединим резервуар и водоём с одной стороны трубопроводом с насосом, а с другой - просто трубопроводом, то насос будет запасать энергию (воду) в резервуаре, которая тут же будет высвобождаться через трубопровод обратно в водоём, обеспечивая тем самым непрерывный процесс:

Если же мы поднимем резервуар ещё выше над уровнем водоёма, то понадобится больше энергии, чтобы доставить туда воду, а значит больше будет запасенная и соответственно высвобожденная энергия:

Ситуация с электронами аналогична. Когда мы натираем воск шерстью, мы "перекачиваем" электроны с их привычных мест из одного материала в другой, создавая тем самым условия для возникновения силы между воском и шерстью, поскольку электроны стремятся восстановить свои прежние позиции (и баланс в пределах своих атомов). Сила, притягивающая электроны на их исходные позиции в атомах, аналогична силе тяжести, действующей на воду в резервуаре, и пытающейся вернуть её обратно в водоём. 

"Перекачивание" электронов из одного материала в другой при натирании (как и перекачивание воды в высокий резервуар), создает дисбаланс электрических зарядов, что приводит к образованию запасенной энергии. Если мы поместим между материалами проводник (по аналогии, соединим резервуар и водоем трубопроводом), тем самым обеспечивая путь электронам для возвращения на первоначальные позиции, то получим высвобожденную энергию. 

Когда "перекачанные" электроны в одном из материалов после натирания находятся в статическом состоянии (как и вода заблокированная в высоком резервуаре), энергию, запасенную в них, называют потенциальной энергией, поскольку она имеет нереализованный потенциал высвобождения. Если в сухой день вы потрёте обувь на резиновой подошве о ковёр, то создадите дисбаланс электрического заряда между собой и ковром (образуется запасенная энергия). Этот заряд (статическое электричество) будет стационарным, и вы даже не поймете, что он в вас находится. Если вы теперь коснётесь рукой металлической дверной ручки (с большим количеством подвижных электронов для нейтрализации вашего электрического заряда), то запасенная энергия будет высвобождена через руку в виде мгновенного потока электронов, и вы почувствуете удар током.

Потенциальную энергию, запасенную в виде дисбаланса электрического заряда способного вызвать поток электронов через проводник,  можно сформулировать с помощью термина напряжение.  Напряжение - это мера потенциальной энергии, приходящейся на единицу заряда электронов. В контексте статического электричества, напряжение - это мера работы, необходимая для перемещения единичного заряда из одного места в другое, против силы, пытающейся сохранить баланс электрических зарядов. В контексте источников электрической энергии, напряжение - это количество потенциальной энергии (работа, которая будет сделана) необходимой единичному заряду для перемещения электронов через проводник.

Поскольку напряжение является выражением потенциальной энергии, которая предоставляет возможность или потенциал для высвобождения энергии при движении электронов от одного "уровня" к другому, оно всегда измеряется между двумя точками. Рассмотрим аналогию, применительно к резервуару с водой:

Из-за разницы в высоте падения, потенциал высвобожденной энергии на уровне 2 будет намного больше, чем на уровне 1. Чтобы лучше понять вышесказанное, рассмотрим пример с камнем и горой: удар какого камня будет более сильным, упавшего с горы высотой в 1 метр, или упавшего с горы высотой в 1 километр?  Ответ очевиден, камень упавший с большей высоты приводит к более сильному удару (к большей высвобожденной энергии). Мы не можем оценить количество запасенной энергии в резервуаре путем измерения объема воды в нем, точно также, как не можем оценить силу удара камня, зная его вес: в обоих случаях мы  должны учесть еще и расстояния, на которые понизятся вода и камень относительно их первоначального положения. Количество энергии, высвобожденной при падении предмета (воды, камня и др.) определенной массы, взаимосвязано с расстоянием между начальной и конченой точками падения. Аналогично, потенциальная энергия электронов, движущихся от одной точки к другой, взаимосвязана с этими точками. Таким образом, напряжение всегда выражается как величина между двумя точками. Напряжение между двумя точками иногда называют падением напряжения.

Напряжение может вырабатываться не только посредством трения определенных материалов друг о друга. Химическая реакция, энергия света, а также влияние магнетизма на проводник - вот еще несколько способов, при помощи которых можно получить напряжение. Соответствующими примерами этих источников напряжения являются: батарея, солнечная батарея и генератор (например генератор переменного тока под капотом вашего автомобиля).  Сейчас мы с вами не будем вдаваться в подробности работы каждого вышеперечисленного источника. В настоящий момент нам важно понять, как применить источник напряжения для создания потока электронов в цепи.

Давайте возьмём условное обозначение батареи (химического источника напряжения), и построим цепь шаг за шагом:

Любой источник напряжения, включая батарею, имеет два электрических контакта. В нашем случае, на рисунке выше - это контакт 1 и контакт 2. Горизонтальные линии различной длины показывают нам, что это - батарея (аккумулятор), а также они указывают направление, в котором напряжение будет двигать электроны через цепь. Вас не должен смущать тот факт, что горизонтальные линии в условном обозначении батареи не соединены между собой (а следовательно, не образуют непрерывного пути для потока электронов): на самом деле они представляют собой металлические пластины, помещенные в жидкость или полутвердый материал, которые не только проводят электроны, но и порождают напряжение.

Обратите внимание на знаки "+" и "-" слева от условного обозначения батареи. Отрицательный ( - ) контакт батареи всегда обозначается короткой чертой, а положительный контакт ( + ) всегда обозначается длинной чертой. Так как мы решили назвать электроны "отрицательно" заряженными (спасибо Франклину!), то отрицательный контакт пытается вытолкнуть электроны из батареи. Положительный контакт батареи, наоборот,  пытается притянуть электроны.

Когда положительный и отрицательный контакты батареи ни к чему не подключены, на их концах будет напряжение, но не будет потока электронов через эту батарею, потому что отсутствует непрерывный путь для перемещения электронов:

Такой же принцип применим к аналогу батареи - резервуару и насосу: при отсутствии трубопровода от резервуара обратно в пруд, запасенная в этом резервуаре энергия не может быть высвобождена в виде потока воды. Когда резервуар полностью заполнится, поток воды прекратится, независимо от давления, произведенного насосом. Для создания непрерывного потока воды нам нужен полный путь (замкнутая цепь): от водоёма к резервуару, и обратно, от резервуара к водоёму.

Создать непрерывный путь для батареи мы можем соединив оба её контакта куском провода. В полученной таким образом цепи будет инициирован непрерывный поток электронов в направлении часовой стрелки:

Пока батарея производит напряжение и сохраняется целостность (непрерывность) электрической цепи, электроны будут течь по этой цепи. Непрерывный, постоянный поток электронов через цепь называется током. Поток электронов в одном направлении  называют  постоянным током или DC (Direct Current). Помимо постоянного, существует ещё и переменный ток или AC (Alternating Current) - это такой ток, который меняет свое направление со временем. Переменный ток мы с вами рассмотрим позднее, а пока остановимся на цепях постоянного тока. 

Поскольку электрический ток состоит из отдельных электронов, текущих в унисон друг другу вдоль проводника и подталкивающих встретившиеся на пути другие электроны, величина потока этих электронов в единичной цепи  (состоящей из одного контура) будет одинаковой в любой её точке. Если бы мы смогли рассмотреть сечение проводника и посчитать количество электронов, протекающих через него в единицу времени, то заметили бы, что это количество одинаково в любой точке цепи, независимо от длины или диаметра проводника.

Если непрерывную цепь разорвать в любой её точке, то электрический ток перестанет течь во всей цепи, а между концами проводов разрыва появится полное напряжение, произведенное батареей:

Обратите вминание на знаки "+" и "-" на концах разрыва цепи, и на то, как они соответствуют знакам "+" и "-" на клеммах батареи. Эти знаки указывают направление в котором напряжение пытается двигать поток электронов, и их обычно называют полярностью. Вспомните, что напряжение всегда измеряется между двумя точками цепи. Полярность падения напряжения также взаимосвязана с двумя точками цепи: обозначение точки знаком "+" или "-" зависит от другой точки, с которой она взаимосвязана. Взгляните на следующую схему, в которой каждый угол цепи для удобства отмечен цифрой:

При разрыве цепи между точками 2 и 3, полярность падения напряжения примет значение "-" в точке 2 и значение "+" в точке 3. Полярность батареи (1 "-" и 4 "+") пытается двигать электроны через цепь по часовой стрелке от точки 1 до точки 2 затем до точки 3, до точки 4 и снова к точке 1.

Теперь давайте посмотрим, что произойдет, если мы снова соединим вместе точки 2 и 3, и разорвём цепь между точками 3 и 4:

При разрыве цепи между точками 3 и 4, полярность падения напряжения примет значение "-" в точке 3 и значение "+" в точке 4. Обратите особое внимание на тот факт, что "знак" в точке 3 противоположен тому, который был в первом примере, где разрыв был между точками 2 и 3 (точка 3 имела значение "+"). Невозможно точно сказать, что точка 3 в этой цепи всегда будет иметь значение "+" или "-", потому что полярность, как и напряжение, не применима к одной точке, она всегда связана с двумя точками.

Краткий обзор:

• Напряжение - это мера определенной потенциальной энергии (потенциальной энергии на единицу заряда) между двумя точками. С точки зрения непрофессионала - это мера "толчка" необходимого для приведения в движение электронов.
• Напряжение, как выражение потенциальной энергии, всегда взаимосвязано с двумя точками цепи. Иногда его называют "падением" напряжения.
• Если к цепи подключить источник напряжения, то напряжение вызовет равномерный поток электронов через эту цепь, который называется электрическим током.
• В единичной цепи (состоящей из одного контура), величина тока одинакова в любой её точке.
• Если цепь, содержащую источник напряжения, разорвать, то в точках разрыва (на концах оборванных проводов) появится полное напряжение этого источника.
• +/- ориентация падения напряжения называется полярностью. Она так же взаимосвязана с двумя точками цепи.