Введение в схемотехнику/Электрический ток
Школьный курс физики включает изучение электрических и магнитных явлений. В этом разделе мы повторим школьный материал, необходимый для перехода к изучению схемотехники. Кроме того, поскольку общая физика и схемотехника — различные области знаний, мы сделаем акцент на том, какие положения особенно важны для схемотехники, и какие представляют интерес только для физики.
Определение
[править]Общефизическое
[править]Электри́ческий ток — направленное движение электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Такими частицами могут являться: в проводниках — электроны, в электролитах — ионы и так далее.
Разберём это определение более подробно:
- «направленное движение»: чтобы говорить о наличии электрического тока, необходимо, чтобы большое число заряженных частиц двигалось в каком-либо одном направлении. В противном случае (например, при хаотичном броуновском движении заряженных частиц) электрического тока нет, поскольку в целом перемещение заряда равно нулю.
- «электрически заряженных частиц»: носителем заряда могут быть электроны или другие частицы (либо квазичастицы — «дырки») в зависимости от того, в какой среде имеет место электрический ток. С точки зрения схемотехники обычно не важно, каковы носители заряда, интерес представляют лишь количественные показатели: какой заряд перенесён и за какое время.
В рамках схемотехники
[править]Приведенное выше определение описывает электрический ток как физическое явление, но для схемотехники оно несколько «избыточно». В рамках схемотехники не рассматриваются отдельные частицы, несущие заряд, поскольку математический аппарат для рассмотрения отдельных частиц был бы слишком сложен. Поэтому определение с частицами оставляем для общей физики (раздел электричество), а при изучении схемотехники будем понимать электрический ток как перемещение некоторого количества заряда, не акцентируя внимание на том, чем этот заряд переносится.
Итак, в рамках схемотехники будем понимать электрический ток как перетекание заряда из одного места в другое. При этом заряд можно понимать как некую «жидкость», имеющую нулевую массу и объем, которая может течь по проводникам.
Численное описание электрического тока
[править]Электрический заряд
[править]Для любого тела можно рассматривать различные его количественные характеристики: массу, объем и т.п. Одной из таких характеристик является электрический заряд. Электрический заряд — это количественная характеристика тела, которая определяет, насколько сильно тело будет участвовать в электромагнитных взаимодействиях.
Заряд — знакопеременная величина (в отличие от массы, объёма, длины и других характеристик), то есть значения заряда могут быть как положительными, так и отрицательными.
Носителями заряда являются заряженные элементарные частицы:
Это значит, что если тело имеет положительный заряд, то в нем число протонов чуть больше, чем электронов; если тело заряжено отрицательно, то в нем больше электронов. Если же заряд тела нулевой, то в нём количество электронов и протонов одинаково, такое тело никак не проявляет себя в электромагнитных взаимодействиях.
Электрическое напряжение
[править]В общей физике используется такое определение напряжения:
Напряже́ние между точками и электрической цепи или электрического поля — отношение работы электрического поля при переносе пробного электрического заряда из точки в точку к величине пробного заряда.
Знать и понимать это определение желательно, но не обязательно. В определении напряжение выражается через механическую работу и электрическое поле (а это понятия из разделов механика и электростатика общей физики), поэтому определение может быть слишком сложным для неподготовленного читателя.
К счастью, для начального понимания схемотехники нет необходимости использовать общефизическое определение напряжения. Можно начать с такого упрощенного определения:
Напряжение между точками и электрической цепи — скалярная величина, измеряемая вольтметром. Один щуп вольтметра должен быть подключен к точке , другой — к точке .
Таким образом, мы не интересуемся физическим смыслом напряжения, а рассматриваем его как некую первичную величину, которую можно непосредственно измерить. Для схемотехники важен не физический смысл напряжения, а то, как напряжение преобразуется в электрических схемах и как другие параметры (токи и заряды) связаны с напряжением.
Очень важно понимать, как именно измеряется напряжение и от какого уровня оно отсчитывается:
- Напряжение всегда измеряется между двумя точками электрической схемы
- Нужно понимать, какая из точек принята за начальную, и какая за конечную
Аналогия напряжение-высота
[править]
Часто для лучшего понимания физических понятий используются аналогии, то есть подобие описываемой сущности и какой-либо другой, хорошо известной. Для лучшего понимания электрического напряжения рассмотрим одну из таких аналогий: напряжение-высота. Аналогия заключается в том, что отсчет напряжений подобен отсчету разности высот.
На рисунке 1 изображены 5 горизонтальных линий (обозначены буквами D, G, A, B, C). Линии находятся на разной высоте над поверхностью Земли, высота отсчитывается по синей шкале; кроме того, линии находятся под разным напряжением, которое отсчитывается по зеленой шкале. Рассмотрим различные утверждения в терминах высот и напряжений:
| № | Высота | Напряжение | Комментарий |
|---|---|---|---|
| 1 | Перепад высот от линии A к линии B равен 4 см. | Напряжение между линиями A и B равно 4 В. | |
| 2 | Перепад высот от линии B к линии A равен -4 см. | Напряжение между линиями B и A равно -4 В. | |
| 3 | Линия C на высоте 7 см (относительно уровня земли). | Напряжение на линии C равно 7 В (относительно земли). | Начальная точна не указана, значит от уровня нуля |
| 4 | Линия D на высоте -2 см (относительно уровня земли). | Напряжение на линии D равно -2 В (относительно земли). | Начальная точна не указана, значит от уровня нуля |
Сила тока
[править]Определение силы тока из общей физики:
Сила тока (часто просто «ток») в проводнике — скалярная величина, численно равная заряду , протекающему в единицу времени через сечение проводника. Обозначается буквой :
