Что бьет ток или напряжение: ток или напряжение, и почему это происходит

опаснее для человека Вольты или Амперы

Всем известно, что электричество опасно для здоровья и жизни людей. Об этом рассказывают в школе, на это указывают предупреждающие надписи та высоковольтных трансформаторах «Опасно для жизни, высокое напряжение!» и на розетках «220В».

Однако в ПТБЭЭП и других нормативных документах кроме напряжения указывается опасный ток. Даже УЗО и дифференциальные автоматы защищают не от попадания человека под напряжение, а от протекания через него тока, превышающего ток уставки. Так что же представляет бОльшую опасность и что убивает ток или напряжение?

Как возникает ток и напряжение

Для ответа на вопрос, что убивает ток или напряжение, необходимо разобраться, к каким физическим явлениям относятся эти термины. Несмотря на то, что они связаны между собой, это два разных понятия.

Что такое электрический ток

Согласно школьному курсу физики и Теоретическим Основам Электротехники (ТОЭ) электрическим током называется направленное движение электрических частиц. В металлах это электроны, а в жидкостях, в том числе организме человека, ионы солей, кислот и щелочей. Именно поэтому дистиллированная вода является изолятором.

Единицей измерения является 1 Ампер. Это около 6,24 × 1018 электронов, протекающих через проводник за 1 секунду.

Интересно! Воздействие токов небольшой величины применяются в медицине в установках УВЧ и для лечения некоторых заболеваний.

Что такое напряжение

Электрическое напряжение — это разность потенциалов между двумя точками или проводами. Этот потенциал приводит в движение заряженные частицы и вызывает появление электрического тока в проводнике. Говоря об опасном токе и напряжение для человека чаще всего подразумевается один из проводов и заземление.

При наличии только одного контакта разность потенциалов и напряжение отсутствует. Именно поэтому птицы могут сидеть на высоковольтных проводах, а сама линия электропередач монтируется так, чтобы исключить одновременное прикосновение пернатых к двум проводам или к проводу и опоре.

Отличие между током и напряжением

Различие между током и напряжением проще всего показать на примере водопровода и водонапорной башни. В данной системе аналогом напряжения является высота башни и давление в системе, а ток — это поток воды в трубах.

Чем выше башня и давление (напряжение) и больше сечение (меньше электрическое сопротивление), тем больше поток воды (ток).

Кроме того, напряжение как потенциал может существовать неопределённо долго, а ток протекает только при замкнутой цепи между точками с различным потенциалом.

Справка! Мощность электроприбора рассчитывается произведением тока и напряжения.

Воздействие тока и напряжения на организм

Для появления тока к проводнику необходимо подать напряжение и ток тем больше, чем оно выше. С точки зрения электротехники тело человека является раствором солей и других химических веществ в воде и ток, протекающий через него, так же подчиняется этому правилу, определяющему, что убивает человека сила тока или напряжение.

Протекание через организм человека электрического тока оказывает различные виды негативных воздействий:

• термическое — нагрев организма по пути протекания, а при большой величине тока ожоги;
• электролитическое — различные химические реакции в крови и биологических жидкостях;
• биологическое — раздражение нервных окончаний в коже и других органах;
• механическое — разрывы, вывихи и расслоения тканей из-за электродинамического эффекта.

Сами электротравмы делятся на общие, при которых поражается весь организм, и местные, при которых негативному воздействию подвергаются только отдельные участки кожи и ожоги глаз ультрафиолетовым излучением электрической дуги.

От чего зависит степень поражения

То, какое напряжение и ток опасны для жизни, зависит от различных факторов, главный из которых электрическое сопротивление кожи. Если её поверхность сухая и чистая, то сопротивление при напряжении 5-10В составляет около 100кОм, а при намокании оно падает до 1кОм. Его так же уменьшают порезы и царапины. Сопротивление внутренних органов 0,5-1кОм.

Сопротивление тела падает, а протекающий через организм ток растёт при увеличении напряжения, продолжительности воздействия, плохом состоянии здоровья и других факторах. При совпадении всех негативных факторов оно может понизиться до 0,8кОм.

Кроме напряжения степень поражения зависит так же от длительности и пути прохождения тока через организм. Самым опасным является путь прохождения тока рука-рука и рука-ноги, при которых ток проходит через область груди.

Чем выше напряжение и ток, тем меньше относительно безопасное время его протекания:

• 65В — 1с;
• 220В — 0,1с.

При более продолжительном нахождении человека под напряжением возрастает вероятность фибрилляции желудочков сердца с его последующей остановкой. В этом случае спасти жизнь пострадавшему могут только искусственное дыхание и непрямой массаж сердца.

Важно! Реанимационные действия производятся только после освобождения человека от воздействия электричества.

Опасный ток и напряжение для человека

Величина опасного для здоровья и жизни тока зависит, прежде всего, от рода тока — постоянный или переменный:

• Постоянный ток менее опасен, ощущается при 12мА. Взявшись рукой за провод, находящийся под напряжением, его можно самостоятельно отпустить при токе до 25мА, остановка дыхания наступает при 110мА.
• Переменный ток промышленной частоты более опасен. Ощущается при 0,6мА, причиняет боль при 15мА, при 50мА останавливается дыхание, смертельным является ток 90мА.
• Переменный ток высокой частоты. Распространяется по поверхности тела, вызывает ожоги кожи, но не повреждает внутренние органы.

Самым высоким сопротивлением обладает верхний ороговевший слой сухой кожи. При низких напряжениях он составляет 40-100кОм, но при повышении происходит электрический пробой изоляции и сопротивление тела падает до 1кОм.

Оно так же понижается во влажных помещениях, поэтому максимально-допустимое напряжение в парных и саунах составляет 12В.

Понизить сопротивление поверхности тела может так же находящиеся на ней пот, загрязнения и другие факторы, в результате опасным может быть напряжение 50В. Поэтому питание переносных светильников ограничено величиной 36В.

При рассмотрении вопроса, что убивает сила тока или напряжение, необходимо учесть, что статическое электричество, за исключением специальных установок типа «лейденской банки» совершенно безопасно.

В бытовых условиях человек с ним сталкивается при ношении шерстяного свитера или поглаживании кошки. Его величина может достигать 35кВ, но из-за малой величины заряда ощущается как кратковременный укол. Это относится так же к пьезоподжигу в карманных зажигалках.

Вывод

Как видно из статьи, ответ на вопрос, что убивает ток или напряжение, не является однозначным. С одной стороны, без напряжения электрический ток отсутствует, а с другой стороны, само по себе высокое напряжение не опасно и при разомкнутой цепи, в том числе через тело человека, ток отсутствует.

Поэтому, несмотря на то, что убивает именно ток, опасным является высокое напряжение.

Похожие материалы на сайте:

• Меры защиты от шагового напряжения
• Каким огнетушителем тушить проводку
• Виды электротравм: причины, помощь

Какой ток опаснее для человека

Мы живем в мире, где все зависит от электроэнергии, и многие забывают о том, насколько она может быть опасной. Что происходит с телом, если оно соприкасается с электрическим током?

Каролина Плавина

Теги:

Здоровье

Профилактика заболеваний

Безопасность

Pixabay.com

Казалось бы, чем меньше напряжение и сила тока, тем реже должны встречаться травмы и поражения, связанные с ними, однако статистика утверждает обратное. Оказывается, на высоковольтных установках (свыше 1000 В) работников реже бьет током — и все потому, что на них работает высококвалифицированный персонал.

Не занимайтесь самолечением! В наших статьях мы собираем последние научные данные и мнения авторитетных экспертов в области здоровья. Но помните: поставить диагноз и назначить лечение может только врач.

Сила тока, который течет в проводах наших квартир, составляет 5 — 10 ампер, что смертельно опасно. Уже при силе тока в 10 милиампер (мА), что в 100 раз меньше одного ампера, ребенок не может самостоятельно отпустить электропровод из-за судорожного спазма мышц. Значения пороговых неотпускающих токов у разных людей различны. Средние значения их составляют: для мужчин 16 мА при частоте 50 Гц и 80 мА при постоянном токе, для женщин (соответственно) 11 и 50 мА, для детей 8 и 40 мА.

Отметим также, что безопасного напряжения не существует. Имеются многочисленные примеры смертельных случаев от поражения электрическим током с напряжением 12 В, а также известны летальные исходы при напряжении менее 4 Вольт.

При систематизации сведений о поражениях электрическим током, были сделаны такие наблюдения:

• переменный и постоянный ток силой до 1. 5 мА вызывает слабые судороги пальцев рук;
• до 3 мА  — дрожание кистей;
• до 7 мА — непроизвольные судорожные сокращения руки и ощущение жжения;
• до 10 мА — у взрослого человека еще есть возможность оторваться от оголенных проводов;
• до 25 мА — отпустить провод нереально, сильные судороги и болезненные ощущения;
• до 80 мА — перебои в работе сердца, затрудненное дыхание.

При воздействии током до 100 мА на протяжении более трех секунд сердце и дыхание останавливаются.

По степени тяжести поражение электрическим током делят на четыре степени:

• I степень — наблюдаются судорожные сокращения мышц без потери сознания.
• II степень — характерны судорожное сокращение мышц и потеря сознания.
• III степень — на фоне судорожного сокращения мышц с потерей сознания имеются нарушения сердечной деятельности или дыхания.
• IV степень — клиническая смерть. Причиной смерти могут быть паралич сердца, остановка дыхания, паралич мозга, тяжелые электроожоги.

Стоит отметить, что полностью безопасных электроприборов не существует, но наибольшую опасность представляют собой те, которые могут контактировать с водой. Известны случаи, когда даже заряжая телефон в ванной комнате и одновременно находясь в воде, люди умирали, получив смертельный удар током. О случаях падения в ванну включенных фенов вы наверняка знаете из фильмов — и это не киноприём. Поэтому соблюдайте инструкцию по использованию приборов и устройств. И будьте здоровы.

Вольт-амперные характеристики: Пояснение | StudySmarter

При изучении электрических цепей мы часто используем закон Ома, который представляет собой соотношение между тремя связанными величинами. Для описания материалов и схем необходимо изучить вольт-амперные характеристики и их поведение для различных устройств и установок.

Прежде всего, что такое закон Ома?

Закон Ома гласит:

Для проводника с постоянной температурой ток, проходящий через него, пропорционален разности потенциалов на нем, учитывая, что физические условия и сопротивление остаются постоянными.

Или, на математическом языке:

В — разность потенциалов (измеряется в вольтах, В), I — электрический ток (измеряется в амперах, А), R — электрическое сопротивление (измеряется в омах, Ω) . Это уравнение отражает линейную зависимость между разностью потенциалов и электрическим током.

Но что такое сопротивление? Короче говоря, сопротивление — это коллективный эффект среды, препятствующей движению зарядов (ток). Сопротивление зависит от многих факторов, таких как тип используемого материала и температура материала.

Поскольку установить разность потенциалов относительно просто, мы можем генерировать определенный электрический ток, изменяя сопротивление. Электрический ток возникает, когда мы устанавливаем разность потенциалов между двумя сторонами проводника. Поскольку мы можем изменять ток, изменяя сопротивление, интересно изучить , как это сопротивление влияет на протекание тока . Поэтому стоит изучить поведение сопротивления материалов и схем для создания устройств, которые служат разным целям.

Закон Ома гласит, что зависимость между напряжением в цепи и током, протекающим через нее, является линейной и, как правило, постоянной. Это приближение к поведению большинства материалов.

Неомические материалы

Как правило, сопротивление не является константой, полученной путем деления разности потенциалов на электрический ток. Сопротивление на самом деле представляет собой произвольную функцию R(V, I) , которая зависит от разности потенциалов и тока. Закон Ома является линейным приближением для небольшой области этого соотношения. В неомических материалах сопротивление не соответствует линейному приближению.

Если у нас есть связь между током I и напряжением V(I), мы можем рассчитать сопротивление следующим образом:

Если связь между напряжением и током линейно пропорциональна, т. , производная показывает, что константой пропорциональности является сопротивление. Для других видов зависимости мы находим другие функции. На графике ниже показано, почему закон Ома примерно справедлив в небольшом диапазоне значений тока и разности потенциалов.

Линейная аппроксимация, commons.wikimedia.org

Для общей функции (зеленой), которая не является прямой линией, мы всегда можем ограничиться очень небольшим диапазоном, где связь может быть оценена линейной зависимостью, т.е. линия. Чем меньше диапазон, тем лучше приближение.

Если зеленая функция выше отражает зависимость между напряжением и электрическим током, мы видим, что для небольшого диапазона, где напряжение и ток изменяются незначительно, функция аппроксимируется красной линией. Затем мы можем использовать закон Ома для определения сопротивления без необходимости дифференцировать.

Вольт-амперные характеристики

Вольт-амперные характеристики – это кривые, определяющие зависимость между электрическим током и разностью потенциалов устройства.

Давайте изучим несколько примеров этих кривых в разных устройствах и выясним, какие выводы мы можем из них сделать.

Вольт-амперные характеристики омического резистора

Вольт-амперные характеристики омических резисторов :

• График ВАХ для омического резистора представляет собой прямую линию .
• Кривая проходит через начало координат , что означает, что при нулевой разности потенциалов мы имеем нулевой ток.
• Ток прямо пропорционален разности потенциалов. Константа пропорциональности – это сопротивление.

График ВАХ для омического резистора представляет собой прямую линию .

Вольт-амперные характеристики нити накала

Нити — это материалы, используемые в лампах , которые состоят из металлов, которые светятся, когда через них проходит определенный ток. Нити накала — это тип электрического устройства, называемого термистором , , который представляет собой материал, сопротивление которого зависит от его температуры.

Поскольку сопротивление чувствительно к теплу, а ток нагревает материал, протекая через него, сопротивление изменится. Этот эффект наблюдается на ВАХ нитей. Технически все материалы ведут себя таким образом, но некоторые ведут себя в очень умеренном масштабе, который мы не можем измерить.

Вольт-амперные характеристики лампы накаливания:

• График I-V показывает рост тока с меньшей скоростью , чем разность потенциалов (напряжение).
• В диапазонах, где напряжение не слишком сильное, ток не очень сильный и температура не очень высокая. Это означает, что сопротивление не высокое и ток может протекать легко.
• В диапазонах с высоким напряжением (положительным или отрицательным) генерируемый ток очень велик и температура быстро растет. Поскольку температура повышается, сопротивление увеличивается и протекание тока уменьшается. При достаточно высоком напряжении достигается максимальный ток.

Для ламп накаливания график I-V показывает увеличение тока с меньшей скоростью , чем разность потенциалов (напряжение).

Вольт-амперная характеристика диода

Диод представляет собой полупроводник , пропускающий ток в определенном направлении (но не в противоположном). Он работает как проводник или очень хороший резистор в зависимости от направления тока.

Вольт-амперные характеристики диодов:

• При протекании тока в направлении работы проводника (положительная разность потенциалов) происходит резкое увеличение тока после определенных значений напряжения, а сопротивления резко снижается. Это делается для порогового значения, которое определяет, когда диод начинает проводить электричество.
• Когда ток пытается течь в направлении, которое ведет себя как резистор (отрицательная разность потенциалов), ток приблизительно отсутствует. Сопротивление близко к бесконечности.

Диоды могут работать как проводник или очень хороший резистор в зависимости от направления тока.

Вольт-амперные характеристики солнечного фотоэлектрического элемента

Солнечный фотоэлектрический элемент представляет собой устройство, преобразующее свет в электрическую энергию . Их работа основана на фотоэлектрическом эффекте: высвобождении электронов материалом под воздействием электромагнитного излучения определенного частотного диапазона. Чем выше частота света, тем интенсивнее индуцируемый электрический ток.

Вольтамперные характеристики солнечных фотогальванических элементов немного отличаются, потому что в этом случае мы имеем контроль над генерируемым током ed , и наша цель состоит в том, чтобы создать разность потенциалов.

• В области положительной разности потенциалов ток может произвольно возрастать и появится постоянная разность потенциалов e . Мы не можем эффективно использовать его в этом регионе. Это область, где материал не получает света.
• По мере того, как количество падающего света начинает расти, ток становится все более и более отрицательным, и появляется отрицательная разность потенциалов , которая может расти произвольно в зависимости от характеристик света и материала.

Графики ВАХ для резистора, диода и батареи, commons.wikimedia.org линейная и, как правило, постоянная. Это приближение к поведению большинства материалов.

Зависимость между напряжением и током не является линейной. Он определяется сопротивлением, которое измеряет препятствие среды протеканию тока.

Полезно изучить вольтамперные характеристики или ВАХ различных устройств и материалов, чтобы понять, как они работают.

Диоды, нити накаливания и фотогальванические элементы являются хорошими примерами неомических устройств, которые служат различным целям.

Заряд, ток, напряжение | Вращающиеся числа

Заряд, ток и напряжение являются краеугольными камнями электричества. Мы создаем наши первые ментальные модели для этих основных электрических величин.

---

Содержимое

• Зарядка
• Проводники, изоляторы, полупроводники
• Текущий
• Напряжение
• Мощность

---

Куда мы движемся

Ток — это поток заряда. Это похоже на течение воды в реке или садовом шланге. Ключевое отличие в том, что есть один тип воды, но есть два типа заряда, движущихся в противоположных направлениях.

Напряжение — почетное название разности электрических потенциалов . Напряжение похоже на изменение потенциальной энергии, которое происходит с массой, когда ее поднимают или опускают.

Электрическая мощность – это произведение напряжения и силы тока, $p = i \, v$, выраженное в ваттах.

---

Зарядка

Мы понимаем, что такое электричество, благодаря внимательному наблюдению за природой. Все началось с статического электричества , также называемого электростатикой , когда вы трете материалы друг о друга, как воздушный шар о свитер. Мы наблюдаем силу между натираемыми предметами. это электрическая сила , кажется, действует на расстоянии (объекты не обязательно должны соприкасаться). Таким образом, электрическая сила имеет сходство с гравитацией. Хотя электрическая сила невидима, мы знаем, что она есть, потому что мы видим, чувствуем и измеряем притяжение или отталкивание. Ученые придумали название тому, что вызывает эту силу. Мы называем это заряд .

Если вы достаточно долго возитесь со статическим электричеством, то в конце концов придете к выводу, что существует два типа электрического заряда. Взаимодействие между двумя типами улавливается этим самым основным правилом электричества,

Противоположные заряды притягиваются; подобные заряды отталкивают .

Сравните это с гравитацией. Гравитация имеет только один тип; это только привлекает. Гравитация никогда не отталкивает. Наш повседневный опыт заставляет нас близко познакомиться с гравитацией, но электричество может показаться странным. Электрический заряд может притягивать и отталкивать . Нужно немного привыкнуть. См. эту статью для получения более подробной информации о том, как измеряется заряд.

Проводники, изоляторы, полупроводники

Проводники — это атомы, внешние электроны которых (валентные электроны) имеют относительно слабые связи с их ядрами, как показано на этом причудливом изображении атома меди. Когда группа атомов металла находится вместе, они с радостью делятся своими внешними электронами друг с другом. Металлы имеют облако или «рой» электронов, не связанных с конкретным ядром. Очень малая электрическая сила может заставить электронный рой двигаться с током. Медь, золото, серебро и алюминий являются хорошими проводниками.

Есть и относительно плохие проводники. Вольфрам — металл, используемый для нити накаливания в лампе накаливания — является относительно плохим проводником по сравнению с медью. Когда вы подаете напряжение на вольфрамовую нить, она сопротивляется потоку тока и сильно нагревается. Углерод в форме графита, используемый в карандашах, является относительно плохим проводником. Электроны в этих материалах с меньшей вероятностью вырвутся из атома. (Экзотическая форма углерода, называемая графеном, оказалась превосходным проводником).

Изоляторы — это материалы, внешние электроны которых прочно связаны с их ядрами. Скромные напряжения не могут вырвать электроны на свободу. Когда к изолятору прикладывается напряжение, электронные облака вокруг атомов растягиваются и деформируются, но электроны не уходят. Стекло, пластик, камень и воздух являются изоляторами. Однако даже для изоляторов электрическая сила всегда может быть достаточно высокой, чтобы оторвать электроны — мы называем это пробоем. Вот что происходит с молекулами воздуха, когда вы видите искру.

Полупроводниковые материалы имеют свойства проводимости, находящиеся между изоляторами и проводниками. Чистые полупроводники действуют как изоляторы. Мы можем заставить их вести себя как проводники, добавляя небольшое количество примесных атомов и прикладывая к ним напряжение. Самым известным полупроводниковым материалом является кремний (атомный номер $14$, сразу после углерода). Мы знаем, как точно контролировать изолирующие и проводящие свойства кремния, что позволяет изобретать современные чудеса, такие как компьютеры и мобильные телефоны. Детали работы полупроводниковых устройств на атомном уровне регулируются теориями квантовой механики.

Ток

Ток — это поток заряда.

Заряд течет током.

Почему ты сказал это дважды?

Обратите внимание на тщательную грамматику. Текущий — это поток. Технически правильнее говорить «течет заряд», чем «течет ток». Однако среди инженеров распространена привычка говорить «течет ток». Это настолько укоренившаяся привычка, что это вполне приемлемая инженерная болтовня, если вы помните, что на самом деле движется заряд.

Когда мы даем число для тока, оно сообщается как количество зарядов в единицу времени, проходящих через границу. Чтобы визуализировать ток, представьте, что по всему проводу проходит граница. Станьте возле границы и посчитайте количество проходящих зарядов. Подсчитайте, сколько заряда прошло через границу за одну секунду, и сообщите это как ток. Мы говорим, что направление тока — это направление, в котором будет двигаться положительный заряд.

Текущее направление и NEETS

Мы указываем текущую стрелку в противоположном направлении движения электронов. Это может показаться неприятным, но мы заставим это работать. Это определение часто вызывает путаницу у новичков и людей, изучавших электричество в военных или некоторых технических школах.

Например, в программе NEETS ВМС США в 1960-х годах использовалось противоположное соглашение, согласно которому ток определялся в направлении движения электрона. Мы не используем его ни здесь, в Spinning Numbers, ни в большей части мира электротехники. Подробнее об этом позже, когда мы будем говорить об обычном направлении тока.

Поскольку ток представляет собой количество заряда, прошедшего через границу за некоторый период времени, его можно выразить в общих чертах с помощью этих обозначений из исчисления:

$i = \dfrac{dq}{dt}$

Термин “ электрический ток» впервые применил Андре-Мари Ампер. Символ тока — «$i$». Оно происходит от первой буквы французской фразы intensité du courant électrique .

Что означает $d$?

$d$ в ${dq}/{dt}$ — это запись из исчисления, это означает дифференциал . Вы можете думать, что $d$ означает «незначительное изменение в…»

Например, выражение $dt$ означает крошечное изменение во времени . Когда вы видите $d$ в соотношении, таком как $dq/dt$, это означает «крошечное изменение в $q$ (плата) за каждое крошечное изменение в $t$ (время)». Выражение типа $dq/dt$ называется производной, и это то, что вы изучаете в дифференциальном исчислении.

В исчислении $d$ представляет небольшую сумму сдачи, настолько малую, что приближается к $0$. Чуть дальше в этой статье вы увидите изменение, обозначенное символом $\Delta$, так как в $\Delta h$ это изменение высоты. Мы используем $\Delta$ для обозначения большого конечного изменения, например, $1$ метра или $1$ секунды. И мы используем $d$ для обозначения крошечного изменения почти нулевого размера.

Модели $q$ заряжаются сплошным веществом

Вам не нужно это читать. Это слишком сложно для начинающих.

При моделировании заряда с непрерывной переменной $q$ мы должны принять небольшое противоречие. В математическом обозначении $dq$ — это бесконечно малая величина заряда. Но вы знаете, что самая маленькая заряженная частица — это электрон или протон. Они малы, но не бесконечно малы. И током на атомном уровне являются эти маленькие кусочки заряда, а не сплошная субстанция, которая может иметь любую ценность.

Когда мы моделируем заряд с помощью математики $(q)$, нет никакого смысла в том, что заряд существует в виде электронов. Так люди думали о заряде до открытия электрона и протона. Считалось, что это непрерывная переменная, не квантованная до электронов или протонов. Когда мы определяем ток в исчислении как $dq/dt$, это моделирует заряд как непрерывное число.

Это похоже на то, как мы думаем о воде. Если у вас есть ведро воды, вы думаете о нем как о сплошной субстанции, а не о наборе молекул. В ведрах воду не «считаешь», меришь чашками или литрами. Но если вы опуститесь на атомный уровень, вода — это молекулы, которые вы можете сосчитать. Если ваше ведро полно песка, частицы крупнее, но вы все равно относитесь к песку как к непрерывной жидкости. Если это ведро с камнями, вы можете относиться к нему так или иначе.

В статье Википедии об электрическом токе вы видите определение $I = Q/t$, а не $i = dq/dt$ (на изображении справа). Автор изо всех сил старается избежать использования исчисления в простом эссе. Точно так же вы можете говорить о наклоне прямой линии, не прибегая к исчислению, подъему/бегу.

Но, как вы знаете, когда речь идет о изогнутых функциях, исчисление лучше описывает «мгновенный наклон». EE часто имеет дело с извилистыми синусоидальными и экспоненциальными волнами, поэтому нам нужны математические обозначения, когда речь идет о схемах $\text{RC}$ и реальных сигналах.

Но давайте признаем, что ток (в проводах) переносится электронами. Предположим, вы выбираете очень короткий интервал времени и измеряете ток. Если за это время через границу не проходит ни один заряд, то технически ток равен $0$ в течение этого интервала.

Технически правильно, но не очень полезно. Вы можете провести тот же мысленный эксперимент со шлангом для воды. Поместите воображаемую границу через конец шланга. Вы можете выбрать настолько короткий временной интервал, что $0$ молекул воды пересекут границу за это время. Верно, но не так полезно. Полезнее начать с большего временного интервала, подсчитать несколько молекул воды, чтобы получить реальный ток, а затем сжать временной интервал до тех пор, пока он не станет настолько малым, насколько это необходимо для вашего исследования. По расчетам это с ограничением .

Путаница возникает, когда вы моделируете заряд как непрерывную величину и берете предел $(\Delta Q$, уменьшающийся до $dq$, и $\Delta T$, уменьшающийся до $dt)$, который игнорирует тот факт, что при очень малых шкала $q$ фактически квантуется (электроны).

В повседневном ЭЭ мы относимся к заряду и току как к непрерывным величинам, как к ведру воды. Мы очень редко считаем отдельные электроны. В большинстве наших цепей миллионы электронов, так что это хорошая модель.

В двух словах это актуально.

Что проводит ток в металле? Поскольку в металлах электроны могут свободно перемещаться, а атомы металлов — нет, ток в металлах состоит из движущихся электронов. Несмотря на то, что электроны выполняют работу в большинстве электронных цепей, мы указываем стрелку тока в том направлении, в котором двигался бы положительный заряд . Это очень старая историческая условность. Это требует некоторого привыкания, но вы можете это сделать. Это просто означает, что текущая стрелка указывает туда, куда приходят электроны 9-$ ионы. Оба иона реагируют на электрическую силу и движутся в соленой воде в противоположных направлениях. В соленой воде ток состоит из движущихся атомов, как положительных, так и отрицательных ионов, а не свободных электронов. Электрические токи внутри наших тел — это движущиеся ионы. То же определение текущих работ: подсчитать количество зарядов, проходящих мимо за фиксированный промежуток времени.

Какова скорость течения? Мы не очень часто говорим о скорости тока. Отвечая на вопрос: «С какой скоростью течет ток?» действительно сложно и редко актуально. Ток измеряется не метрами в секунду, а количеством заряда в секунду. Мы хотим знать: «Как много ток течет?», а не как быстро . Когда мы говорим о том, как быстро что-то движется в электричестве, мы думаем о том, как быстро возмущение движется по проводу или воздуху, а не о том, как быстро физически движутся электроны. Электрические возмущения распространяются со скоростью, близкой к скорости света. Если вы бросите камешек в пруд, вы увидите рябь, движущуюся по его поверхности. Рябь (возмущение) движется быстро, но молекулы воды практически не двигаются.

Как должен говорить о текущем? При обсуждении тока такие термины, как от до и в , имеют смысл. Ток течет через резистор ; ток течет в провод. Если вы слышите «ток через…», это должно звучать смешно (например, смешно/нечетно). Слова «насквозь» и «через» используются для обозначения напряжения, а не тока. Если вы слышите «скорость течения», это тоже должно звучать смешно.

Напряжение

Чтобы получить наше первоначальное представление о концепции напряжения, мы проводим аналогию,

Напряжение похоже на гравитацию.

Вот как работает гравитационная потенциальная энергия:
Для массы $m$ изменение высоты $h$ соответствует изменению потенциальной энергии, $\Delta U = mg\Delta h$.

Вот как работает напряжение:
Для заряженной частицы $q$ напряжение $V$ соответствует изменению потенциальной энергии, $\Delta U = qV$.

Напряжение в электрической цепи аналогично произведению $g\cdot\Delta h$. Где $g$ — ускорение свободного падения, а $\Delta h$ — изменение высоты.

Мяч с вершины холма скатывается вниз. Когда он находится на полпути вниз, он потерял половину своей потенциальной энергии.

Электрон на вершине «холма» напряжения движется «вниз» по проводам и элементам цепи. Он отдает свою потенциальную энергию, совершая по пути работу. Когда электрон находится на полпути вниз по склону, он отказался или «потерял» половину своей потенциальной энергии.

И для шара, и для электрона спуск с горы происходит спонтанно. Шарик и электрон сами по себе переходят в более низкое энергетическое состояние. Во время спуска мяч может столкнуться с препятствиями, такими как деревья или медведи, от которых нужно отскакивать. Мы направляем электроны с помощью проводов и позволяем им течь через электронные компоненты, делая по пути интересные вещи. Мы называем это схемотехникой.

Зачем использовать аналогию?

Почему бы вам просто не описать напряжение в научных терминах?

Напряжение — сложная концепция. Очень трудно придумать простое описание напряжения с точки зрения фундаментальных электрических сил. Я не встречал простого описания , которое предлагало бы это счастливое «Ага!» момент. Электричество — это довольно загадочная сила, так что наберитесь терпения, позвольте этому чуду побыть какое-то время.

Самый распространенный способ получить представление о напряжении — это аналогия. Аналогия сильна, если она имитирует основной принцип и помогает вам предсказывать новые вещи. Аналогия «напряжение похоже на гравитацию» в этой статье не идеальна, но одна из лучших. Это хорошее место для начала.

Границы этой аналогии

Аналогии могут быть натянуты. Аналогия с гравитацией становится натянутой, потому что заряженные частицы — это не то же самое, что катящиеся шары в одном очень важном аспекте. Катящиеся шарики не отталкиваются друг от друга, но электроны сильно отталкиваются друг от друга. Мячи, катящиеся с горки, ведут себя не совсем так, как толпа электронов.

По мере того, как вы будете углубляться в электронику, вы начнете думать о напряжении с точки зрения законов электричества, а не аналогии с гравитацией. Полное определение напряжения довольно сложно. Мы говорим об этом в конце раздела [Электростатика](/t/topic-electrostatics.html).

Если вы встретите аналогию, которая улучшит ваше понимание, обязательно примите ее. Но не любите его слишком сильно или слишком долго.

Я все еще не совсем понимаю понятие напряжения

Понятие тока проще для понимания по сравнению с напряжением. Если напряжение вызывает недоумение, не расстраивайтесь. Все инженеры, которых я знаю, начинали с туманного представления о напряжении, включая меня. Напряжение — это концепция, с которой нужно время, чтобы подружиться.

Мне нравится, как профессор Ричард Фейнман, великий физик и педагог из Калифорнийского технологического института, описывает электричество в этом 9- минутный отрывок из интервью 1983 года Британской радиовещательной корпорации (BBC). Наслаждайтесь этим, когда у вас есть свободное время.

Напряжение между двумя точками математически выражается как изменение потенциальной энергии заряда,

$V = \dfrac{\Delta U}{q}$

Символ $\Delta$ означает «изменение» некоторое количество.

Это краткое интуитивное описание напряжения.

Мощность

Мощность определяется как скорость преобразования или передачи энергии во времени. Мощность измеряется в джоулях в секунду. Джоуль в секунду также известен как Вт .

$1 \,\text{ватт} = 1\,\text{джоуль}/\text{секунда}$

В математических обозначениях мощность записывается так<

$\text{power} = \dfrac{ dU}{dt}$

, где $U$ — энергия, а $t$ — время.

Электрическая цепь способна передавать энергию из одного места в другое. Мощность — это тепло, которое вы чувствуете, когда кладете руку рядом с лампочкой или нагревается ваш мобильный телефон.

Напряжение измеряет энергию, передаваемую на единицу заряда, $dU/dq$. Ток – это скорость движения заряда, $dq/dt$. Если мы подставим эти определения в уравнение для мощности, мы получим

$p = \dfrac{dU}{dt} = \dfrac{dU}{dq} \cdot \dfrac{dq}{dt} = v \,i$

Электрическая мощность есть произведение напряжения на ток, в единицах ватт.