Напруга струму - важливе поняття електротехніки

Електрика - найбільш використовуваний людиною вид енергії. Без перебільшення можна сказати, що визначення електричного струму як упорядкованого руху електронів добре відомо ще зі шкільного підручника фізики. Але от що таке напруга струму і яким чином забезпечується це «впорядкований рух», відповість далеко не кожен. Згадаймо, що електрон, елементарний електричний заряд, сам по собі по провіднику нерухома. З іншого боку, тільки рух зарядів по ланцюгу супроводжується виконанням корисної роботи у вигляді перетворення енергії з одного виду в інший. Саме завдяки цим перетворенням електричний струм в одних випадках розпалює нитка лампочки, а в інших - обертає ротор електродвигуна. У першому випадку маємо перетворення електричної енергії в теплову, а в другому - в магнітну. Енергія рухомих зарядів витрачається за рахунок джерела, яке підтримує електричний струм в ланцюзі. Протікаючи по провіднику, ток переносить енергію джерела ЕРС до споживача - нитки напруження, обмоток електродвигуна і т.д.

Якщо визначити струм як кількість зарядів, що протікають по провіднику, то можна сказати, що робота струму залежить від кількості цих зарядів в одиницю часу. А від чого залежить електричний струм в ланцюзі? Розглянемо модель протікання струму на прикладі водяного струменя, що випливає з отвору в нижній частині циліндра, заповненого вщерть. Уявімо, що в нашій моделі циліндр - це провідник, а вода - це велике число крапельок-електронів. Тоді цілком зрозуміло, що випливає за одиницю часу кількість води залежить від двох параметрів - тиску стовпа води, яка в електричних ланцюгах іменується як напруга струму, і діаметра отвору - аналога електричного опору. Висота водяного стовпа в даній моделі визначає верхній потенціал джерела енергії, крапельки-заряди схожі на потік електронів, які переміщуються від верхнього шару до нижнього. Потенційна енергія водяний маси, тобто здатність виконати деяку корисну роботу, на верхньому і нижньому рівнях різна. Завдяки наявності різниці потенціалів вода може витікати з отвору і з перетворенням потенційної енергії стовпа води в кінетичну енергію струменя води. Якщо висоту водяного стовпа збільшувати, то різниця потенціалів, або напруга струму, збільшується, і сила струму, точніше, маса витікає в одиницю часу води, також зростає. Таким чином, запропонована модель показує прямо пропорційну залежність сили струму від напруги.

У теорії електрики цей висновок записується таким чином: I = f (U) * K, де I - струм, U - напруга, а K - індивідуальна характеристика реакції електричного кола на що проходить струм - провідність. У техніці зазвичай застосовують величину, зворотну провідності R = 1 / K, і називається вона «опір». Опір зазвичай трактується як корисне навантаження ланцюга. У нашій моделі таким «опором» виступає площа отвору для зливу води: чим вона більше, тим більше її прохідність, або, кажучи мовою електротехніки, провідність, а значить, опір потоку води зменшується.

На моделі наочно видно, як потенційна енергія потоку крапельок-зарядів перетворюється в кінетичну енергію витікає струменя. Чим менше опір (або більше провідність), тим більша механічна робота виконується над масою води. Інакше кажучи, корисні навантаження різних видів - це перетворювачі струму, наприклад, нитка розжарення перетворює електричну енергію в теплову і світлову, котушка реле перетворює електричну енергію в магнітну і т.д.

Повертаючись до електричних ланцюгів, можна зробити висновок, що сила струму I і напруга струму U є електричними параметрами, що визначають роботу струму А (А = U * I).

При цьому сила струму визначається кількістю перенесеного заряду, а напруга і є та причина, яка змушує електрони «упорядоченно» переміщатися від більшого потенціалу до меншого. Якщо напруга струму відсутня, то ніяка кількість вільних електронів в речовині не приведе до руху зарядів. Це означає, що відсутність напруги струму не призводить до передачі енергії.

Доброю демонстрацією отриманих висновків є гідроелектростанції: їх будують з використанням великого перепаду рівнів (потенціалів) води. Тут маса падаючої води подібна току, а різниця рівнів верхнього і нижнього б`єфів грає роль перепаду потенціалів.