Чтобы электрический ток протекал от одной точки к другой, между этими точками должно быть приложено напряжение. Прилагаемое к концам проводника напряжение создает электродвижущую силу (ЭДС), которая приводит в движение все свободные электроны в проводнике.
Заметка
Напряжение также называется разностью потенциалов или просто потенциалом. Эти термины означают одно и тоже, но привычнее называть электрическое напряжение — напряжением.
Электрическое напряжение (обозначается U) определяется как количество энергии, необходимое для перемещения единицы электрического заряда из одного места в другое (потенциальная энергия/единица заряда). Единицей измерения напряжения является вольт (сокращенно V или В). Один вольт равен одному джоулю на кулон:
На рисунке 1 показана схема, которая состоит из батарейки напряжением 1.5В, переключателя и лампочки. Когда выключатель разомкнут (то есть выключен), ток в цепи не будет протекать. Но как только выключатель замкнут (то есть включен, его сопротивление становится практически нулю) цепь замыкается и напряжение батарейки начинает действовать. ЭДС, которая создается напряжением, начинает двигать свободные электроны по всей цепи от отрицательного вывода батарейки к положительному. Направление тока конечно же считается от плюса батарейки к минусу (про это почитать можно здесь).
Сравнение электрической системы с водным резервуаром
Часто бывает полезно рассматривать напряжение как своего рода “электрическое давление”, аналогичное давлению воды. Такую аналогию (Рисунок 1) можно провести между резервуаром, заполненным водой, и двумя наборами заряженных параллельных пластин.
В системе резервуаров давление воды наиболее велико в нижней части из-за веса воды, находящейся сверху. Если в боковой части бака просверлить несколько отверстий, вода будет вытекать наружу, чтобы избежать более высокого давления внутри. Чем глубже просверлено отверстие в резервуаре, тем дальше из него будет «бить» струя воды.
Примем воду за + батареи (аналог подачи положительно заряженных частиц). А давление воды примем за аналог напряжения на пластинах в электрической системе. Тогда положительно заряженные частицы будут оттягиваться от положительной пластины а и двигаться к отрицательно заряженной пластине b. Заряды будут “уходить» от более высокого напряжения к более низкому напряжению (аналогично воде, выходящей из резервуара).
Когда заряды движутся к пластине b, напряжение на пластинах c и d будет изгибать пучок положительных зарядов к пластине d. Эти траектории показаны штриховыми линиями. Положительные заряды снова переходят к более низкому напряжению. Это аналогично изгибу «водяного луча» под действием силы тяжести, когда он выходит из резервуара. Чем выше напряжение между пластинами a и b, тем меньше пучок заряда будет изгибаться в сторону пластины d.
Понимание напряжений становится игрой в теорию относительности. Например, говорить, что точка в цепи имеет напряжение 10 В, бессмысленно, если у вас нет другой точки в цепи, с которой ее можно сравнить.
Как правило, земля с ее способностью поглощать бесконечный заряд и чистым нулевым зарядом служит хорошей точкой для сравнения. Она считается точкой отсчета 0 В или точкой заземления. Символ, используемый для обозначения земли, показан ниже:
Бывают случаи, когда напряжения указываются в цепях без привязки к земле. Например, на рисунке 3 первые две батареи слева просто определяют напряжение одной клеммы по отношению к другой, в то время как третья система справа использует землю в качестве общей нулевой точки.
