Основни електрически величини: ток, напрежение, мощност

Напрежението и електричният ток са ключови понятия в електричеството. Ще създадем първите ни мислени модели за тези основни електрически величини. Също така ще говорим за мощност.

Представата за електричеството произтича от наблюдение на природата. Наблюдаваме действието на сила между тела, която, също като гравитацията, действа от разстояние. На източника на тази сила е дадено името заряд. Много забележителна черта на електричната сила е, че е голяма, много по-мощна от силата на гравитацията. За разлика от гравитацията, обаче, има два вида електричен заряд. Различните заряди се привличат, а еднаквите се отблъскват. Гравитацията винаги привлича и никога не отблъсква.

Проводниците са изградени от атоми, чиито най-външни електрони са относително слабо свързани с ядрата си, както е показано на тази чудна картинка на меден атом. Когато няколко медни атома са заедно, те с радост обменят външните си електрони един с друг, създавайки „рояк“ от електрони, никой от които не принадлежи на определено ядро. Много малка електрична сила може да накара рояк електрони да се движи. Мед, злато, сребро и алуминий са добри проводници. Също и солената вода.

Има и слаби проводници. Волфрам – метал, използван за жичките на електрически лампи, и въглерод – в диамантена форма – са относително лоши проводници, защото електроните им не са много склонни да се местят.

Диелектриците (изолатори) са материали, външните електрони на които са силно свързани с ядрата си. Умерени електрични сили не могат да откъснат тези електрони. Когато се приложи електрична сила, електронните им облаци около атомите се деформират и разтягат, но електроните не се отделят. Стъклото, пластмасата, камъкът и въздухът са изолатори. Но дори и за изолатори винаги достатъчно голяма електрична сила може да откъсне електроните им. Това се случва с молекулите на въздуха, когато видиш искра.

Проупроводниковите материали са между диелектрици и проводници. Те обикновено се държат като диелектрици, но ние можем да ги накараме да се държат като проводници при определени условия. Най-известният полупроводников материал е силицият (атомен номер $14$‍). Благодарение на уменията ни прецизно да контролираме проводниковите свойства на силиция, можем да създаваме такива модерни чудеса като компютри и мобилни телефони. Подробностите за това как полупроводниците работят на атомно ниво са обяснени в квантовата механика.

Електричният ток е поток на заряди.

Зарядите протичат в електричен ток.

Електричният ток се дефинира като количеството заряд, преминаващ за единица време през дадена повърхност. Представи си една преграда, поставена на един кабел, както е показано на изображението по-долу. Заставаш до повърхността и броиш колко заряда преминават. Записваш колко заряд е преминал през повърхността за една секунда. Посоката, в която би се движил положителен заряд, приемаме за положителна.

Тъй като токът е количеството заряд, преминаващ през повърхност за определено време, можем да го изразим математически със следното уравнение, което няма да видиш в този вид в учебника по физика, а ще срещнеш чак в университета, ако продължиш да учиш физика:

Какво е електричен ток накратко?

Кое пренася тока в металите? Тъй като в металите има електрони, които са свободни да се движат насам-натам, токът в метали представлява поток на електрони. Положително заредените ядра на металните атоми са фиксирани на местата си и не допринасят за големината на електричния ток. Въпреки че електроните имат отрицателен заряд и извършват почти цялата работа в повечето електрически вериги, ние все пак дефинираме положителният ток като посоката, в която положителен заряд би се движил. Тази конвенция е приета много отдавна.

Може ли ток да се пренася от положителни заряди? Да. Има много примери. Токът се носи както от положителните, така и от отрицателните заряди в солената вода: ако сложим обикновена сол във вода, водата се превръща в добър проводник. Готварската сол е натриев хлорид, NaCl. Солта се разтваря във вода на свободно плаващи Na${}^{+}$‍ и Cl${}^{-}$‍ йони. И двата вида йони реагират на електрична сила и се движат през солената вода в противоположни посоки. В този случай, токът се състои от движещи се атоми – положителни и отрицателни йони, а не само свободни електрони. В телата ни токовете са движещи се йони, както положителни, така и отрицателни. Същата дефиниция за ток работи: броиш броя заряди, които преминават за определен период от време.

Какво предизвиква електричния ток? Заредени тела се движат под действието на електрически и магнитни сили. Тези сили идват от електрически и магнитни полета, които от своя страна идват от позицията и движението на други заряди.

Каква е скоростта на електричния ток? Рядко говорим за скорост на ток. За да се отговори на въпроса „Колко бързо тече токът?“ е необходимо разбиране на сложен физически феномен и в повечето случаи не е важно. Токът обикновено не се отнася до метри в секунда, а е заряд в секунда. По-често отговаряме на въпроса „Колко ток протича?“.

Как да говорим за електричния ток? Когато говорим за електричен ток, са подходящи думи като през или по. Електричният ток протича през резистор; електричният ток протича по проводници.

За да получим първоначална идея за концепцията напрежение, да разгледаме аналогия:

За маса $m$‍ промяна във височината $h$‍ съответства на промяна в потенциалната енергия $\mathrm{\Delta }U=mg\mathrm{\Delta }h$‍.

За частица със заряд $q$‍ напрежение $V$‍ съответства на промяна в потенциалната енергия $\mathrm{\Delta }U=qV$‍.

Напрежението в електрическа верига е аналогично на произведението $g\cdot \mathrm{\Delta }h$‍, където $g$‍ е ускорението от гравитацията и $\mathrm{\Delta }h$‍ е промяната във височината.

Топка на върха на хълм започва да се търкаля надолу. Когато е изминала половината път надолу, е загубила половината си потенциална енергия.

Електрон на върха на „хълма“ напрежение се движи „надолу“ през проводници и елементи от електрическа верига. Той губи потенциалната си енергия, като извършва работа по пътя. Когато електронът е преполовил хълма, е изгубил половината от потенциалната си енергия.

И за топката, и за електрона спускането надолу по хълма става спонтанно. Топката и електронът сами се движат към по-ниско енергетично състояние. По пътя може да има препятствия за топката, като дървета и мечки, от които топката да отскача. При електроните можем да ги насочваме, като използваме кабели и ги караме да преминават през елементи на електрическата верига и да правят интересни неща по пътя.

Можем да изразим напрежението между две точки математически като промяната в енергията на заряд:

Това е кратко интуитивно представяне на напрежението.

Мощност се дефинира като пренесената или преобразувана енергия ($\text{U}$‍) за единица време. Измерваме мощността в джаули/секунда, още известни като ватове.

($1\text{ват}=1\text{джаул}/\text{секунда}$‍)

Една електрическа верига е способна да пренася енергия. Токът е скоростта на потока заряди, а напрежението измерва енергията, пренасяна от единица заряд. Можем да използваме тези дефиниции в уравнението за мощност:

Електрическата мощност е произведението на напрежение и ток.

С тези мислени модели за ток и напрежение можем да започнем да разглеждаме най-различни интересни електрически вериги.

Ако искаш разбиране отвъд интуитивните описания на напрежението, можеш да прочетеш това по-математическо описание на електричен потенциал и напрежение.