Сила тока и напряжение одно и тоже. Чем отличается ток от напряжения

Как только мы начинаем изучать по школьной программе физику, практически сразу же нам учителя начинают говорить о том, что между током и напряжением очень большая разница, и ее знание крайне нам понадобиться в дальнейшей жизни. И все же, сейчас об отличиях между двумя понятиями зачастую не может рассказать даже взрослый человек. А ведь знать эту разницу нужно каждому, потому как с током и напряжением мы имеем дело в повседневной жизни, например, включая телевизор или зарядное устройство телефона в розетку.

Определение

Током называется процесс, когда под воздействием электрического поля начинается упорядоченное движение заряженных частиц. Частицами могут выступать самые разные элементы, все зависит от конкретного случая. Если мы говорим о проводниках, то частицами в данной ситуации являются электроны. Изучая электричество, люди стали понимать, что возможности тока позволяют использовать его в самых разных областях, включая медицину. Ведь электрические заряды помогают реанимировать больных, восстанавливать работу сердца. Кроме того, ток применяют в лечении таких сложных заболеваний, как эпилепсия или болезнь Паркинсона. В быту же электрический ток просто незаменим, ведь с его помощью в наших квартирах и домах горит свет, работают электроприборы.

Напряжение – понятие куда более сложное, нежели ток. Единичные положительные заряды перемещаются из разных точек: из низкого потенциала в высокий. И напряжением называется энергия, затрачиваемая на это перемещение. Для простоты понимания часто приводят пример с течением воды между двумя банками: ток – это сам поток воды, а напряжение показывает разницу уровней в двух банках. Соответственно, течение будет до тех пор, пока уровни не сравнятся.

Отличие

Наверное, основную разницу между током и напряжением можно было заметить уже из определения. Но для удобства мы приведем два основных различия между рассматриваемыми понятиями с более подробным описанием:

1. Ток – это количество электричества, в то время как напряжением называют меру потенциальной энергии. Иными словами, оба этих понятия сильно зависят друг от друга, но при этом являются очень разными. I (сила тока) = U (напряжение) / R (сопротивление). Это главная формула, по которой можно вычислить зависимость силы тока от напряжения. На сопротивление влияет целый ряд факторов, включая материал, из которого сделан проводник, температура, внешние условия.
2. Разница в получении. Воздействие на электрические заряды в разных приборах (например, батареях или генераторах) создает напряжение. А ток получается путем прикладывания напряжения между точками схемы.

Электроэнергия давно используется человеком для удовлетворения своих потребностей, но она невидима, не воспринимается органами чувств, потому сложна для понимания. С целью упрощения объяснения электрических процессов их довольно часто сравнивают с гидравлическими характеристиками движущейся жидкости.

Например, к нам в квартиру приходит по проводам от далеко расположенных генераторов и вода по трубе от создающего давление насоса. Однако, отключенный выключатель не позволяет светиться лампочкам, а закрытый водопроводный кран - литься воде из крана. Чтобы совершалась работа надо включить выключатель и открыть кран.

Направленный поток свободных электронов по проводам устремится к нити накала лампочки (пойдет электрический ток) , которая станет излучать свет. Вода, вытекающая из крана, будет стекать в раковину.

Эта аналогия позволяет также понимать количественные характеристики, ассоциировать силу тока со скоростью перемещения жидкости, оценивать другие параметры.

Напряжение электросети сравнивают с потенциалом энергии источника жидкости. К примеру, возрастание гидравлического давления насосом в трубе создаст большую скорость перемещения жидкости, а увеличение напряжения (или разности между потенциалами фазы - входящего провода и рабочего нуля - отходящего) усилит накал лампочки, силу ее излучения.

Сопротивление электрической схемы сопоставляют с силой торможения гидравлическому потоку. На скорость перемещения потока влияют:

вязкость жидкости;

засоренность и изменение сечения каналов. (В случае с водопроводным краном - положение регулирующего вентиля.)

На величину электрического сопротивления влияет несколько факторов:

строение вещества, определяющее наличие свободных электронов в проводнике и влияющее на ;

площадь поперечного сечения и длина токовода;

температура.

Электрическую мощность тоже сравнивают с энергетическими возможностями потока в гидравлике и оценивают по выполненной работе в единицу времени. Мощность электроприбора выражается через потребляемый ток и подведенное напряжение (для цепей переменного и постоянного тока).

Все эти характеристики электроэнергии исследованы известными учеными, которые дали определения току, напряжению, мощности, сопротивлению и описали математическими методами взаимные связи между ними.

В приведенной таблице показаны общие соотношения для цепей постоянного и переменного тока, которые можно применять для анализа работы конкретных схем.

Рассмотрим несколько примеров их использования.

Допустим, требуется подобрать токоограничивающий резистор для блока питания схемы освещения. Нам известно напряжение питания бортовой сети «U», равное 24 вольта и ток потребления «I» в 0,5 ампера, который нельзя превышать. По выражению (9) закона Ома вычислим сопротивление «R». R=24/0,5=48 Ом.

На первый взгляд номинал резистора определен. Однако, этого недостаточно. Для надежной работы семы требуется выполнить расчет мощности по току потребления.

Согласно действию закона Джоуля - Ленца активная мощность «Р» прямо пропорционально зависит от тока «I», проходящего через проводник, и приложенного напряжения «U». Эта взаимосвязь описана формулой (11) в приведенной таблице.

Рассчитываем: Р=24х0,5=12 Вт.

Это же значение получим, если воспользуемся формулами (10) или (12).

Проведенный расчет мощности резистора по току его потребления показывает, что в выбираемой схеме надо использовать сопротивление величиной 48 Ом и 12 Вт. Резистор меньшей мощности не выдержит приложенных нагрузок, будет греться и со временем сгорит.

Этим примером показана зависимость того, как на мощность потребителя влияют ток нагрузки и напряжение в сети.

Для группы розеток, предназначенных для питания бытовых электроприборов на кухне, необходимо подобрать защитный автоматический выключатель. Мощности приборов по паспортным данным составляют 2,0, 1,5 и 0,6 кВт.

Решение.В квартире используется однофазная переменная сеть 220 вольт. Общая мощность всех приборов, подключенных в работу одновременно, составит 2,0+1,5+0,6=4,1 кВт=4100 Вт.

По формуле (2) определим общий ток группы потребителей: 4100/220=18,64 А.

Ближайший по номиналу автоматический выключатель имеет величину срабатывания 20 ампер. Его и выбираем. Автомат меньшего значения на 16 А будет постоянно отключаться от перегрузки.

Отличия параметров электросхем на переменном токе

Однофазные сети

При анализе параметров электроприборов следует учитывать особенности их работы в цепях переменного тока, когда, благодаря влиянию промышленной частоты у конденсаторов возникают емкостные нагрузки (сдвигают вектор тока на 90 градусов вперед от вектора напряжения), а у обмоток катушек - индуктивные (ток на 90 градусов отстает от напряжения). В электротехнике их называют . Они в комплексе создают реактивные потери мощности «Q», которые не выполняют полезной работы.

На активных нагрузках отсутствует сдвиг фазы между током и напряжением.

Таким образом, к активной величине мощности электроприбора в цепях переменного тока добавляется реактивная составляющая, за счет которой увеличивается общая мощность, которую принято называть полной и обозначать индексом «S».

Электрический ток и напряжение промышленной частоты меняются во времени по синусоидальному закону. Соответственно этому происходит изменение мощности. Определять их параметры в различные мгновенные моменты времени не имеет особого смысла. Поэтому выбирают суммарные (интегрирующие) значения за определенный временной промежуток, как правило - период колебания Т.

Знание отличий параметров цепей для переменного и постоянного тока позволяет правильно рассчитывать мощность через ток и напряжение в каждом конкретном случае.

Трехфазные сети

В принципе они состоят из трех одинаковых однофазных цепей, сдвинутых друг относительно друга на комплексной плоскости на 120 градусов. Они немного отличаются нагрузками в каждой фазе, сдвигающими ток от напряжения на угол фи. За счет этой неравномерности создается ток I0 в нулевом проводе.

Напряжение в этой системе состоит из напряжений в фазах (220 В) и линейных (380 В).

Мощность прибора трехфазного тока, подключенного к схеме, складывается из составляющих в каждой фазе. Ее измеряют с помощью специальных приборов: ваттметров (активная составляющая) и варметров (реактивная). Рассчитать полную мощность потребления прибора трехфазного тока можно на основе замеров ваттметра и варметра с использованием формулы треугольника.

Существует еще косвенный метод измерения, основанный на использовании вольтметра и амперметра с последующими вычислениями полученных значений.

Неспособность воочию видеть электрический ток и поток зарядов всегда была проблемой для тех, кто пытается воспринимать основные электрические понятия. Два основных компонента исследований сила тока и напряжение, как правило, неверно истолкованы теми, кто пытается разобраться в теме. Эта статья поможет вам понять разницу между ними.

Основные понятия электричества вращаются вокруг одного атомного компонента ― электрона. Неустойчивые атомы, имеют либо дефицит, либо дополнительные электроны в своей валентной зоне. Лишние электроны с одного нестабильного атома стремятся в валентную зону атома имеющего дефицит электронов.

С помощью внешнего электрохимического источника, можно создать движение электронов. Любые две клеммы могут быть использованы для подключения этого источника заряда и создания двух контактов один с положительным потенциалом, а другой с отрицательным.

Разница потенциалов между двумя такими точками, одна из которых выступает в качестве источника, а другая приемника электронов, называется напряжением. Единицей измерения напряжения является вольт, и его символ «V» .

Поток электронов в проводнике, вызывает током. Направление тока идет от положительного полюса к отрицательному. Но электрические заряды, т. е. электроны, на самом деле путешествуют от отрицательного к положительному потенциалу источника. Количество электрического заряда, протекающего через единицу площади поперечного сечения проводника, называется силой тока. Сила тока измеряется в амперах, и имеет символ «I» .

Предохранители

Предохранитель используется в электрической цепи и электромонтажных работах , чтобы прервать поток чрезмерного тока через его компоненты. Производители электрических предохранителей указывают характеристики с помощью двух параметров - напряжения и силы тока. Критерии выбора предохранителя зависят от номинального напряжения цепи, в которой он будет работать.

Текущие характеристики предохранителя не зависят от вида, протекающего через него тока - переменного или постоянного. Это зависит только от величины тока в момент расплавления плавкой проволоки. Хотя толщина провода и тип используемой металлической проволоки является фактором, непосредственно связанным с текущей характеристикой оборудования. Это происходит потому, что теплота, выделяемая плавкой проволокой, является функцией квадрата тока, протекающего через проводник, умноженного на сопротивление и время протекания тока.

Влияние аккумуляторов на силу тока и напряжение

Аккумуляторы (батареи) как правило оцениваются по силе тока (амперам) который они могут поставлять непрерывно в течение одного часа. Поэтому характеристики аккумуляторов указаны в ампер-часах. Срок службы батареи зависит от подключенной через нее нагрузки. Тяжелые нагрузки, как правило, сокращают срок службы батареи, в то время как легкие нагрузки увеличивают ее срок службы.

Если аккумуляторы соединены в последовательном сочетании в электрической цепи, сети питания, напряжение в цепи будет увеличиваться, а сила тока в цепи останется на том же уровне.

Параллельное соединение источников напряжения используется для увеличения тока без увеличения напряжения.

Аналогия с потоком воды

Рассмотрим два резервуара соединенных прозрачной трубкой, вода в них держится на одинаковой высоте от земли. В трубке потока воды нет.

Теперь, если мы изменим положение одного из резервуаров, чтобы создать разность потенциалов, мы заметим, что вода поступает по трубке из контейнера с большим потенциалом в контейнер с более низким потенциалом. Вместо изменения уровня водоемов, мы можем также использовать водяные насосы для той же цели. Клапаны могут использоваться для регулирования количества протекающей в трубе воды из одного резервуара в другой.

Можно провести аналогию между этой ситуацией и простой электрической цепью. Водяной насос используется для создания давления воды в потоке, назовем это «напряжением». Вода ведет себя как заряженные электроны. Поток воды аналогичен движению электронов, и количество воды, протекающей через единицу площади поперечного сечения трубы аналогично «силе тока». Резервуар более высокого потенциала является "источником питания", и количество содержащейся в нем воды, является «емкостью аккумулятора». Любой кран устанавливаемый вдоль трубы можно рассматривать в качестве «нагрузки». электромонтажные работы

Дурацкий вопрос, скажете вы? Отнюдь. Опыт показал, что не так уж и много людей могут на него ответить правильно. Известную путаницу вносит и язык: в выражении «имеется в продаже источник постоянного тока 12 В» смысл искажен. На самом деле в данном случае имеется в виду, конечно, ис­точник напряжения, а не тока, так как ток в вольтах не измеряется, но так говорить не принято. Самое правильное будет сказать - «источник питания постоянного напряжения 12 вольт», а написать можно и «источник питания =12В» где символ «=» обозначает, что это именно постоянное напряжение, а не переменное. Впрочем, и в этой книге мы тоже иногда будем «ошибать­ся» - язык есть язык.

Чтобы разобраться во всем этом, для начала напомним строгие определения из учебника (зазубривать их- очень полезное занятие!). Итак, ток, точнее, его величина, есть количество электрического заряда, протекающее через сечение проводника за единицу времени: / = Qlt. Единица тока называется «ампер», и ее размерность в системе СИ- кулоны в секунду, знание сего факта пригодится нам позднее.

Куда более запутанно выглядит определение напряжения- величина на­пряжения есть разность электрических потенциалов между двумя точками пространства. Измеряется она в вольтах, и размерность этой единицы изме­рения - джоуль на кулон, то есть U – EIQ. Почему это так, легко понять, вникнув в смысл строгого определения величины напряжения: 1 вольт есть такая разность потенциалов, при которой перемещение заряда в 1 кулон тре­бует затраты энергии, равной 1 джоулю.

Все это наглядно можно представить себе, сравнив проводник с трубой, по которой течет вода. При таком сравнении величину тока можно себе пред­ставить, как количество (расход) протекающей воды за секунду (это доволь­но точная аналогия), а напряжение - как разность давлений на входе и вы­ходе трубы. Чаще всего труба заканчивается открытым краном, так что давление на выходе равно атмосферному давлению, и его можно принять за нулевой уровень. Точно так же в электрических схемах существует общий провод (или «общая шина» - в просторечии для краткости ее часто называ­ют «землей», хотя это и не точно - мы еще вернемся к этому вопросу позд­нее), потенциал которого принимается за ноль и относительно которого от-считываются все напряжения в схеме. Обычно (но не всегда!) за общий провод принимают минусовой вывод основного источника питания схемы.

Итак, вернемся к вопросу, сформулированному в заголовке: так чем же отли­чается ток от напряжения? Правильный ответ будет звучать так: ток - это количество электричества, а напряжение - мера его потенциальной энергии. Неискушенный в физике собеседник, разумеется, начнет трясти головой, пы­таясь вникнуть, и тогда можно дать такое пояснение. Представьте себе па­дающий камень. Если он маленький (количество электричества мало), но па­дает с большой высоты (велико напряжение), то он может наделать столько же несчастий, сколько и большой камень (много электричества), но падаю­щий с малой высоты (напряжение невелико).

Электричество в жизни современного человека играет огромную роль. Однако далеко не все понимают принципы и ценность этого явления. Основные характеристики электричества - это две зависящие друг от друга величины: напряжение и сила тока. Для того чтобы знать, чем они отличаются друг от друга, нужно понять их природу. И то, и другое могут иметь как постоянный, так и переменный характер.

Физические проявления

Физически ощутить проявления электричества человеку можно только опосредованно. Если попробовать на язык батарейку - можно почувствовать пощипывание. Это следствие протекания малого тока через организм. Чувствительная слизистая языка уже ощущает это раздражение . Можно увидеть искры статического электричества между двумя заряженными объектами, например, синтетическими тканями, или в школьном опыте с динамо-машиной. Все это следствие накопления заряда или потенциального напряжения.

Чтобы узнать, что такое сила тока, нужно определиться с понятием заряда. Как известно, вся материя в мире состоит из атомов. Атомы, в свою очередь, состоят из протонов, нейтронов и электронов. Среди этих частиц нейтрально заряжены только нейтроны. Протоны и электроны обладают потенциальной энергией - электрическим зарядом, который, в частности, и держит атомы в цельном состоянии.

Протоны и нейтроны находятся в ядре атома. Электроны же, напротив, располагаются далеко от ядра и движутся вокруг него по орбитам, сходным с орбитами планет солнечной системы. Чем дальше находится электрон от ядра, тем меньше его связь с центром атома, и тем проще он может потеряться. В различных материалах электроны ведут себя по-разному.

В металлах они слабо связаны с ядром и свободно перемещаются внутри вещества. Однако их общее количество в предмете с нейтральным зарядом всегда должно соответствовать количеству протонов.

Если электроны вследствие каких-то действий покидают вещество, они уносят с собой заряд. Соответственно, заряд, оставшийся в протонах вещества, будет накоплен этим веществом. Электроны могут унести заряд в случаях:

• Трения двух веществ друг о друга.
• Воздействия ультрафиолета или радиации.
• Быстрого перепада температур.

Таким образом, между предметами возникает разность потенциалов, или напряжение, способное вызвать искру. А искра - это уже проявление электрического тока. Заряды разного знака всегда притягиваются друг к другу. Если электроны перешли с одного материала на другой, то один материал накопил положительный заряд, а другой - отрицательный.

При их сближении электроны притянутся к положительно заряженному телу - и возникнет искра. То есть электроток - это движение заряженных ча

Аналогия с гидравликой

Слово ток имеет происхождение от слова течение . Соответственно, можно провести аналогию течения жидкости с электрическим током. Протекание жидкости возможно из одного места в другое, только если возникает сила, заставляющая ее сделать это. В самом простом случае - это разница уровней жидкости. То есть потенциальная энергия, заставляющая жидкое вещество течь от более высокого уровня к более низкому.

Аналогом разности уровней жидкости будет разность потенциалов или напряжение. Аналогом силы тока будет напор потока воды, создаваемый этой разностью уровней. Примеры потоков жидкости:

• Водопад.
• Поток, создаваемый водонапорной башней.
• Реки, текущие туда, где есть наклон территории.

Везде вода течет туда, где уровень меньше, а электроток - от большего напряжения к меньшему.

Электротехнические величины также зависят и от материала, в котором протекает. Эти параметры определяются электросопротивлением вещества. Сопротивление бывает как бесконечно большим у диэлектриков, так и падать практически до нуля в условиях сверхпроводимости. Оно зависит от формы проводника (его длины и сечения) и вещества, из которого он изготовлен.

В обычных условиях сопротивление определяется по закону Ома как отношение напряжения к силе тока на участке цепи. То есть разность потенциалов можно найти как произведение силы тока на сопротивление. Знать, чем отличается сила тока от напряжения очень важно для электротехнических расчетов. На этом базируются все основы функционирования электрических цепей.

Постоянный и переменный

Сила тока и напряжение могут быть как постоянными, так и переменными. Постоянство величины говорит о ее неизменности во времени. Напротив, переменные величины периодически изменяют свое значение во времени. Если напряжение питания окажется переменным, то и сила тока, генерируемая им, будет переменной величиной. Это значит, что оба этих значения будут то увеличиваться, то уменьшаться. Форма сигнала может быть различной:

• Синусоидальный сигнал (плавное возрастание - убывание).
• Меандр (прямоугольный, треугольный сигнал), когда значение резко претерпевает изменение.
• Пульсирующий сигнал, изменяющийся то плавно, то резко, согласно некоторому закону.

Вне зависимости от того, постоянным или переменным является ток, его главное отличие от напряжения - то, что ток - это движение носителей заряда, а напряжение - причина этого движения.