Ток, напряжение и сопротивление простыми словами

Напряжение

Любое вещество состоит из атомов, а атом из положительного ядра и отрицательных электронов. Если в одном месте электронов больше, чем в другом, между этими местами возникает разность потенциалов. Она и называется напряжением. Напряжение показывает, какую работу совершит поле, перенося заряд из одной точки в другую: 1 вольт — это 1 джоуль на каждый кулон заряда.

Удобно представлять напряжение как давление воды в трубе. Давление само по себе ничего не течёт, но как только открыть кран, вода побежит тем сильнее, чем выше давление. Так же напряжение толкает заряды, как только цепь замкнута. В розетке напряжение 230 В, в автомобиле 12 В, в батарейке 1,5 В.

Электрический ток

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц под действием поля. В металлах носители тока — свободные электроны, в электролите аккумулятора — ионы. Сила тока показывает, сколько заряда проходит через сечение проводника за секунду: 1 ампер — это 1 кулон в секунду.

Сами электроны движутся очень медленно: при токе 1 А в медном проводе сечением 1 мм² они смещаются примерно на 0,07 мм в секунду. Лампа при этом загорается мгновенно, потому что поле распространяется по проводу почти со скоростью света и толкает все электроны цепи сразу, как давление в трубе с водой.

1. Нужны свободные носители заряда. Поэтому медь и алюминий проводят ток, а резина и пластик нет.
2. Нужно напряжение, которое создаёт поле и толкает носители в одну сторону.
3. Нужна замкнутая цепь от одного полюса источника до другого. Разрыв в любом месте: выключатель, оборванный провод, сработавший автомат, и ток прекращается во всей цепи.

Ток проявляет себя тремя действиями. Тепловое греет чайник и нагревательный кабель, но оно же плавит изоляцию перегруженного провода. Магнитное вращает двигатели и притягивает якорь реле и контактора. Химическое заряжает аккумулятор. Любой прибор в щите работает на одном из этих действий.

Сопротивление

Двигаясь по металлу, электроны сталкиваются с атомами кристаллической решётки и отдают им энергию. Решётка колеблется сильнее, и проводник нагревается. Эта помеха движению зарядов и есть сопротивление. Чем горячее металл, тем сильнее колеблются атомы и тем выше сопротивление, поэтому перегретый кабель греется ещё больше.

R = ρ × L / S

• Медная жила 2,5 мм² длиной 1 км: R = 0,0175 × 1000 / 2,5 = 7 Ом.
• Линия 50 м медным кабелем 2,5 мм²: ток идёт по фазе и возвращается по нулю, длина проводника 100 м, R = 0,0175 × 100 / 2,5 = 0,7 Ом.
• При токе 16 А на этой линии теряется U = 16 × 0,7 = 11,2 В, почти 5 % от 230 В. Сколько теряется на вашей линии, покажет калькулятор потерь напряжения.

Переходное сопротивление и плохие контакты

В любом соединении проводов есть переходное сопротивление. Поверхность металла на микроуровне шероховатая, и провода касаются друг друга только выступами. На алюминии мгновенно появляется плёнка оксида, которая почти не проводит ток. В точке контакта выделяется тепло, и чем хуже контакт, тем его больше.

Автомат от этого не защищает: ток в цепи нормальный, короткого замыкания нет, а клемма месяцами греется и оплавляет изоляцию. Поэтому многие электрические пожары начинаются не с короткого замыкания, а с ослабшего винта или окисленной скрутки. Надёжнее всего сварка и опрессовка гильзой, затем пайка, болтовое соединение и качественные клеммы. Голую скрутку правила не допускают: п. 2.1.21 ПУЭ разрешает соединять жилы только опрессовкой, сваркой, пайкой или сжимами.

Как это измерить

Напряжение измеряют вольтметром, подключая его параллельно участку цепи. Ток измеряют амперметром, включённым в разрыв цепи последовательно, или токоизмерительными клещами, которые обхватывают один провод. Сопротивление измеряют омметром только на обесточенной цепи. Собрать цепь, поменять сопротивление и посмотреть, как меняется ток, можно в лабораторной «Ток и сопротивление».

Частые вопросы