Падение напряжения
В книгах по электротехнике или описаниях радиосхем можно встретить фразу: «падение напряжения на резисторе или диоде». А почему резистор вообще вызывает падение напряжения и что это на самом деле означает? Давайте разбираться…
Электрические заряды не перемещаются по проводникам добровольно, им нужен какой-то стимул для создания электрического тока (потока). В мире электричества стимулом является напряжение – чем оно выше, тем большая сила толкает электроны, заставляя их двигаться быстрее и создавать больший ток. Но электрического напряжения как бы и нет. Это не физическое явление само по себе и не потенциальное. Напряжение и потенциал – это математические понятия, изобретенные людьми, которые не могли видеть энергию глазами, но хотели как-то ее описать.
Электрический ток – это не электроны, бесцельно перетекающие от одного полюса батареи к другому. Суть в энергии, которую они могут дать этим движением. И хотя в этом здесь важнее всего энергия, о напряжении и потенциале почему-то обычно пишут больше. Это просто отличное и очень четкое описание этой энергии. Зная о напряжении, сразу понимаем, с чем имеем дело и сколько из этого можно извлечь.
Можно предположить, что батарея на 1,5 вольта никогда не будет выделять такую энергию как удар молнии с напряжением в несколько миллионов вольт. Также знаем, что небольшой светодиод лучше не вставлять в электрическую розетку, потому что 220 В сразу его сожгет. Такое напряжение отлично подойдет для питания обычной лампочки, которая не загорится при подключении к обычному аккумулятору АА.
Это соотношение напряжения и энергии чрезвычайно простое – больше вольт означает больше энергии, которую несет с собой каждый отдельный электрон. Коэффициент преобразования прост – например, напряжение 220 В равно 220 Дж / Кл (джоуль в кулон), то есть один кулон несет энергию 220 джоулей. А поскольку мы знаем, что 1 кулон равен примерно 6 триллионам электронов, можем сказать, что при напряжении 220 В поток из 6 триллионов электронов через лампочку даст ей ровно 220 Дж энергии. Хотя конечно взаимосвязь между напряжением и энергией идет намного глубже, чем простое преобразование единиц.
Когда падает напряжение?
Казалось бы, раз в розетке 220 В, а батарея это 3 В, эти значения постоянные. А вот и нет. Напряжение падает, и попробуем понять, почему это происходит.
Существует три основных причины падения напряжения:
- Истощение источника – если имеем дело с источником напряжения, который может быть исчерпан (например, аккумулятор или батарейка), это истощение проявляется в падении напряжения. И неудивительно – напряжение описывает энергию элемента, поэтому при потреблении этой энергии уровень напряжения также должен падать. Это явление тесно связано с так называемым внутренним сопротивлением аккумулятора.
- Слишком большая нагрузка на источник – выключите все приборы в доме и измерьте мультиметром напряжение в розетке. Затем включите электродуховку, чайник и стиральную машину и снова измерьте напряжение – разница в обоих измерениях составит несколько вольт. Это связано с упомянутым ранее внутренним сопротивлением.
- Падение напряжения на потребителе – два предыдущих примера говорят о ситуации, когда источник напряжения «перестает работать». А вот падение напряжения на потребителе – это совсем другая тема. У нас может быть лучший в мире источник напряжения, который практически невозможно просадить, и все же каждый подключенный к нему потребитель вызовет так называемые «падение напряжения».
Объясним почему на основе электрических цепей. Например есть батарея, несколько резисторов, лампочка и описание: Напряжение батареи составляет 9 В. Падение напряжения на каждом резисторе составляет 2 В. Падение напряжения через лампочку 1 В. Но почему резистор и лампочка вообще вызывают падение напряжения?
Стрелки «падение напряжения» всегда указывают в направлении, противоположном напряжению аккумулятора.
Падение напряжения лампочки
Давайте возьмем 3-х вольтовую батарею и подключим ее к маленькой лампочке, которая точно соответствует этому напряжению. Лампочка будет светиться благодаря электричеству, идущему от батареи. Чтобы узнать, сколько тока проходит через него, можем либо подключить амперметр, либо измерить сопротивление лампочки. Предположим оно составляет 60 Ом, следовательно, применив закон Ома, получим значение тока 0,05 А.
То что в такой схеме светит лампочка, не должно удивлять. Есть напряжение, значит есть энергия. Электричество течет, поэтому энергия поступает в лампочку. Колба получает энергию, поэтому светит и нагревается.
Когда цепь замкнута, то есть создается проводящий путь между отрицательной и положительной клеммами батареи, именно здесь начинает течь ток. Электроны в цепи начинают ускоряться и толкать друг друга, поскольку каждый из них хочет достичь положительного полюса. Обычно они могут добраться туда за доли секунды, но есть что-то, что их останавливает. Речь идет о препятствии в виде лампочки.
Нить лампы накаливания – большое препятствие для ускорения электронов, несущих энергию. Не случайно она изготовлена из чрезвычайно тонкой и плохо проводящей вольфрамовой проволоки. Втекая в нить, электроны сжимаются и сталкиваются с ее атомами и даже друг с другом. Эти столкновения заставляют электроны на мгновение замедляться и терять энергию.
Атомы нити накала все больше и больше вибрируют, и нить нагревается до белизны. Вот так лампочка начинает светиться за счет маленьких электронов. Далее они с помощью остатка своих сил и их коллег, давящих сзади, наконец достигают положительного вывода батареи, где могут спокойно завершить свою миссию.
Весь процесс – это преобразование одного типа энергии в другой. Химическая энергия хранящаяся в батарее, преобразуется в электроны кинетической энергии, отправляемые в цепь. При столкновении с атомами нити та же кинетическая энергия преобразуется в тепловую энергию, количество которой настолько велико, что нить нагревается и светится – вылетают фотоны. Таким образом, лампочка светит потому что получает энергию от входящих электронов.
Когда у электронов много энергии, это высокое напряжение, а если мало энергии, напряжение низкое. Итак, поскольку нить накала – это место, где энергия электронов уменьшается, это означает что также должно быть место, где каким-то образом падает напряжение.
Напряжение батареи составляет 3 В. Электроны движутся от отрицательного полюса, потенциал которого обычно принимается равным 0 В, к положительному полюсу с потенциалом +3 В. Если подключим вольтметр на обе стороны батареи, он покажет разность потенциалов 3 В.
Если бы нить накала была достаточно большой, чтобы могли приложить один из щупов вольтметра посередине ее длины, оказалось бы что напряжение составляет только половину напряжения батареи, то есть 1,5 В. Поскольку электроны, протекающие через нить, отдают ей всю свою энергию, логично что преодолев половину ее длины, они отдадут ей ровно половину этой энергии. Половина энергии = половина напряжения, показанного на вольтметре.
Если продвигать щуп дальше, напряжение будет падать, пока не окажется за нитью накала, и измеритель покажет значение 0 В. То есть вначале напряжение составляло 3 В. Перемещая щуп вольтметра по нити накала, оно постепенно упало до 0 В. Таким образом можем сказать, что падение напряжения на лампочке составляет 3 В. На «физическом» уровне говорят, что количество энергии, подводимой к лампочке, составляет ровно 3 джоуля на кулон.
Падение напряжения на нескольких резисторах
Убедились, что одна лампочка может поглотить всю энергию, выделяемую электронами, что приводит к падению напряжения, равному напряжению батареи. Но что, если в цепи две или более лампочки одна за другой? Поскольку одна лампочка «съедает» всю энергию, останется ли что-нибудь для других?
Напряжение нити составляет 1,5 вольта. Что, если разрежем нить в этой точке и соединим обе части проволокой? Что-нибудь изменится?
Теоретически, вместо одной лампочки у нас теперь две с сопротивлением по 30 Ом. Но на практике ничего не изменилось. После прохождения половины исходной нити накала, то есть первых 30 Ом, напряжение составляет 1,5 В, и этот кусок вставленного провода не добавляет здесь ничего нового.
Конечно нить можно разделить на любое количество частей и ситуация останется прежней. Итак, давайте изменим подход. Оставьте нить накала целиком, чтобы она имела сопротивление 60 Ом, и положите рядом другую такую ??же. Как будет себя вести схема? Поскольку знаем, что 60 Ом может забрать всю энергию, останется ли от нее для второй нити накала? Измеряем напряжение между ними.
Хотя каждая нить имеет по 60 Ом, по какой-то причине они решили разделить энергию поровну. Как это возможно? Раньше одна 60-омная нить накала потребляла всю энергию, но теперь она отдает половину другой. Откуда такое сотрудничество?
Все происходит из-за того, что закон Ома действительно сложно обмануть. Он не влияет на сопротивление лампы или напряжение, подаваемое батареей, но может управлять током, протекающим в цепи. Когда была одна лампочка, она забирала всю энергию, а ток, протекающий в цепи, составлял 0,05 А. После вставки второй лампочки общее сопротивление цепи увеличивается в два раза, и снова применяя закон Ома находим, что текущее значение уменьшается до значения всего 0,025 А. Это в корне меняет ситуацию.
Во-первых, удвоение тока означает, что электроны текут в цепи вдвое медленнее. А поскольку они текут вдвое медленнее, сила столкновения с атомами нити в два раза меньше. В результате электроны больше не оставляют всю энергию в нити 60 Ом, а только ее половину. С одной стороны это хорошо, потому что на прохождение второй лампочки остается еще половина энергии. Обратной стороной этого является то, что обе лампочки будут светить заметно меньше.
Подтвердить слова можно измерив напряжение за первой лампочкой. Тогда заметим, что это всего лишь 1,5 В, а одна лампочка «забирала» полные 3 В.
Если бы было три лампочки, каждая из них получала бы 1 вольт, или 1/3 всей энергии. Четыре лампочки – это деление энергии на четыре и так далее. Такое идеально равномерное распределение энергии, конечно имеет место только тогда, когда лампочки имеют одинаковое сопротивление. Если бы в цепи были лампочки с сопротивлением 30 Ом и 60 Ом, то падение напряжения было бы пропорционально распределено – 1 В на первой и 2 В на второй.
Подведем итоги
В общем падение напряжения – одна из самых важных проблем в электротехнике, и ее следует хорошо понимать. Итак, давайте подытожим полученные знания в нескольких моментах:
- Напряжение определяет количество энергии каждого электрона – чем выше напряжение, тем больше энергии будет обеспечивать каждый электрон. Но будьте осторожны, потому что хотя энергии может быть слишком мало, она также может быть слишком большой. Слишком высокое напряжение – основная сила, разрушающая хрупкую электронику.
- Напряжение падает только тогда, когда течет электричество – падение напряжения отражает потребляемую энергию, и энергия может быть использована только тогда, когда ее физически доставляют электроны. Следовательно, падение напряжения происходит только тогда, когда цепь замкнута и течет ток.
- Энергия распределяется между всеми приемниками тока – один резистор берет на себя все – два и более должны уже делиться. Их сопротивление определяет, сколько энергии они получают. Большее сопротивление означает большее падение напряжения, меньшее сопротивление означает меньшее потребление энергии.
- Провода также вызывают падение напряжения – все кабели имеют определенное сопротивление, поэтому их правильный выбор так важен для электриков. Дело в том, что падение напряжения на кабелях должно быть как можно меньше, чтобы энергия могла доходить до потребителей без больших потерь.
Иногда люди не совсем понимают, что отвечает за движение электронов к батарее, так как напряжение между ней и нитью накала равно 0. Поскольку у электронов остаточная сила, это также означает, что у них осталась некоторая кинетическая энергия. Электроны, которые прижимаются к передним в цепной реакции, также должны иметь некоторую оставшуюся энергию. Значит ли это, что напряжение, которое потребляют нити, не будет равно напряжению аккумулятора?
Дело в том, что утверждения «Между лампочкой и аккумулятором напряжение 0 В» и «После выхода из лампочки у них еще есть энергия» немного спорны. Если есть энергия, почему напряжение 0 В? Объясняем: лампочка забирает энергию у электронов, потому что у нее есть сопротивление, но и провода от батареи к лампочке тоже. Анализируя всю схему выясняется, что лампочка забирает 99,8% энергии, провод с одной стороны – 0,1% энергии, а провод с другой стороны – тоже 0,1% энергии.
Теперь: электроны выходят из батареи. Дойдя до лампочки, они уже потеряли 0,1% из-за проводников. В лампочке они теряют еще 99,8% энергии, а оставив ее, у них остаются последние 0,1% энергии, чтобы покрыть другую половину цепи и достичь батареи. И хотя измеритель показывает что там уже 0 В, если бы он был очень точным, это означало бы, что на самом деле существует какое-то напряжение в 0,0001 В. Это остаточная энергия, которая осталась чтобы пересечь последний участок провода и достичь батареи.
Итак, подведем итог – лампочка никогда не будет потреблять ровно столько напряжения, сколько обеспечивает батарея, потому что это напряжение также съедается проводами. В действительности сопротивление проводов по сравнению с лампочкой настолько низкое, что для простоты предполагаем, что оно равно 0 В. Если лампочка не находится в нескольких километрах от батареи, когда сопротивление лампы провода будут играть важную роль.
Уверены, что теперь тема падения напряжения перестанет быть для вас малопонятной, а если что осталось неясным – вопросы как обычно на форум.
Источник