Об электро- и путепроводах: простое объяснение электрических терминов

Напряжение: электрическое и социальное

Представим, что в нашем городе есть река, разделяющая город на две неравные части: на правом берегу – доступное жилье и свежий воздух; на левом – высокие зарплаты и деловые центры. Возникает неравенство потенциалов: те, кто живет на правом берегу, регулярно хотят перебраться на левый. А те, кто оказался на левом, мечтают вернуться на правый.

Но вот беда: мостов в городе нет вовсе. Тогда произойдет классическая картина напряжения: люди готовы переехать на другой берег по первому же мосту, стоит тому появиться. Они хотят этого. Они напряженно ждут. Но пока моста нет – никто никуда не едет. К берегу и то не подходят.

Вот эту «боевую» готовность мы и будем называть напряжением. Так и в розетке есть два моста-провода – фаза и ноль. Электричество постоянно норовит перетечь с фазы на ноль и обратно.  Но пока в розетку ничего не вставлено, сделать это ему негде. Поэтому напряжение в розетке есть, а тока нет.

Измеряют напряжение в вольтах. Один вольт – это немного. Чтобы почувствовать масштаб:

Автомобильного зажигания уже хватает, чтобы пробить искрой пару миллиметров воздуха; искры катушки Тесла тянутся на несколько метров; ну а про молнию я вообще молчу!

Получается, что для тех, кому не очень-то нужно на другой берег, даже мелкая лужа – уже препятствие. А вот если приспичило, то человек и через бурный поток вброд полезет! С электричеством так же: чем выше напряжение, тем легче оно преодолевает препятствия. При достаточном напряжении ток пройдет даже по воздуху. Но как именно это происходит?

Взгляд из кустов: электрическое поле и искровой пробой

Вот мы говорим – искры. Но как так выходит: только что никакой искры не было, а потом – бах! – и она есть? Сразу, без всяких видимых переходных процессов?

Все дело в электрическом поле. Представим две параллельные дороги. На одной – глухая пробка, вторая же пока пуста. Понятно, что водители из пробки с радостью свернули бы на свободную трассу: у нас есть напряжение. Но пока дороги разделяет поле с кустами, никто не решается пересечь неасфальтированный промежуток. То есть напряжение есть, а тока нет.

Время идет, пробка тянется. И вот у кого-то не выдерживают нервы: плюнуть на все и рвануть через кусты? Водитель еще сомневается, еще сдерживается, а потом решается. И стоит одному свернуть в поля, как за ним тут же устремляются десятки таких же сомневающихся. Если первопроходцы проскочили благополучно – по их накатанной колее поедут и остальные. Если застряли в бурьяне, то, извините, тогда мы поедем дальше по своей полосе.

С электрическими зарядами все то же самое. Вокруг каждого заряда есть электрическое поле, которое тянет его к любому противоположному заряду. Пока расстояние велико – никто никуда не движется. Но стоит зарядам сблизиться, и они устремляются навстречу друг другу, пробивают воздушный промежуток и прокладывают в воздухе дорожку из ионов. Эти ионы создают уже свое поле, и оно притягивает все новые и новые заряды. Именно эту ионную дорожку мы и видим как искру. Воздух, кстати, проводит электричество плохо, а вот ионная дорожка прекрасно. Поэтому, стоит пробою образоваться, ток течет по нему, пока не иссякнет.

Продолжим аналогию. Чем ближе параллельные дороги, тем быстрее водители решаются пересечь разделяющие их кусты. Так и в электричестве: чем ближе провода друг к другу, тем при меньшем напряжении проскакивает искра. Даже один вольт способен создать искру – просто крохотную, которую мы не разглядим.

Еще одна неожиданная параллель. Пока обе дороги идут прямо, водители до последнего терпят и едут по своей полосе. Но стоит одной из них резко повернуть – и сразу находятся те, кто решает срезать через поле: кто-то испугался, что упускает последний шанс, кто-то просто не вписался в поворот и махнул рукой. Удивительно, но электрическое поле ведет себя так же: искры охотнее срываются там, где провод резко обрывается или изгибается под острым углом. Кстати, именно поэтому антенный провод положено загибать как можно плавнее.

Есть красивые формулы, описывающие силу электрического поля, но мы обойдемся без математики. В нашей аналогии электрическое поле – это взгляды водителей: взгляд расходится во все стороны; он становится слабее от того, насколько далеко смотришь. Так и поле: расходится от заряда и с расстоянием слабеет. А то, насколько сильным поле оказалось в конкретной точке, называют напряженностью электрического поля – это как бы сумма жадных взглядов всех водителей, которым видна эта точка.

Но что это мы все о напряжении да напряженности? Пора поговорить и о токе.

Поток машин и электрический ток: закон Ома в большом городе 

С напряжением разобрались. В модели нашего города это сила, с которой автомобилисты рвутся на другой берег. Чтобы они смогли туда попасть, нужен мост. В электричестве точно так же: чтобы появился ток, нужен провод, по которому потечет электричество, и провод этот должен соединять два разных полюса источника питания. По проводу, который никуда не подключен, ток не идет – как по недостроенному мосту никто не ездит.

Достроим мост – и тысячи автомобилистов хлынут на другой берег, если, конечно, у них есть в этом потребность. Чем сильнее людям надо за реку, тем плотнее движение; а если сегодня туда никому не хочется, мост так и простоит пустым.

Поток машин – это и есть электрический ток, а желание водителей – напряжение. Чем выше приложенное к концам провода напряжение, тем больше ток. В нашей аналогии ток – это число машин, проезжающих по мосту за минуту. В реальном электричестве – число зарядов, пересекающих сечение проводника за единицу времени.

Правда, это еще не весь закон Ома: у него три действующих лица, а мы пока свели вместе только двух – ток и напряжение. Третье, сопротивление, выйдет на сцену чуть позже – тогда и соберем картину целиком.

Ток измеряют в амперах. Один ампер – это довольно много: пропусти такой ток через грифель карандаша, и грифель тут же вспыхнет. Поэтому чаще имеют дело с миллиамперами, тысячными долями ампера. Светодиод, например, зажигается уже от двух-трех миллиампер, а при двадцати горит ослепительно ярко. Но есть и прожорливые приборы! Телефон в режиме быстрой зарядки тянет полтора-два ампера, микроволновка – около четырех, а электроплита способна забрать и все двадцать.

Нетрудно заметить: чем больше тока потребляет прибор, тем сильнее он греется. И это не случайно – но об этом чуть позже. А пока вспомним про такую штуку, как запас заряда.

Количество машин и емкость источника питания

А могут ли автомобилисты закончиться? Если их было немного – определенно да: все, кому хотелось, уехали, и мост снова пуст. В электричестве это аналогия статического заряда.

Потри воздушный шарик о пышную шевелюру соседки – часть электронов с ее волос переберется на шарик! Задерживаться на нем электронам лень, они тут же хотят вернуться к хозяйке. Протяни ей шарик, и легкий разряд кольнет протянутую руку. Но электронов на шарике скопилось мало, так что заканчиваются они мгновенно:

«Ой!» — а все уже позади!

В батарейке или аккумуляторе заряда куда больше – лампочка может гореть от них часами. Правда, если напрямую замкнуть контакты батарейки проводом, она разрядится за считанные минуты. Этот запас заряда – сколько электричества источник хранит и сколько готов отдать – и есть аналогия числа машин в районе. Измеряют его в ампер-часах: источник на один ампер-час способен целый час выдавать ток в один ампер. Или два часа – по половине ампера. Раньше в ходу были миллиампер-часы, но телефонов, которым такого запаса хватило бы хоть на день, уже не осталось.

А вот со словом «емкость» стоит быть осторожнее: им называют сразу две родственные, но разные вещи. Одна – тот самый запас заряда в ампер-часах, о котором мы только что говорили. Другая – емкость конденсатора, ее измеряют в фарадах. Фарада показывает не «сколько всего заряда влезет», а насколько охотно заряд накапливается с каждым добавленным вольтом напряжения: конденсатор на 1 фараду под напряжением 1 вольт хранит заряд, которого хватит на 1 ампер в течение 1 секунды. Для микроэлектроники это очень много, поэтому там считают в микро-, нано- и пикофарадах; а для телефона или игрушечной машинки – наоборот, мало, и тут удобнее ампер-часы.

И еще одно наблюдение. Наш шарик разрядился за долю секунды от одного прикосновения. Батарейка тоже разрядится, если тронуть одним пальцем плюс, а другим – минус; просто на это уйдет куда больше времени – чуть больше двух лет для пальчиковой. Значит, заряда в батарейке несравнимо больше, чем в шарике. Но стоит соединить ее плюс и минус не пальцами, а проводом – и она сядет за несколько секунд. Почему? Разберемся.

Автомобильные пробки и удельное электрическое сопротивление
Насколько быстро машина пересечет мост, зависит от нескольких вещей.

Длина. Чем длиннее мост, тем больше бензина уйдет на переезд – а это и дорого, и лениво. Значит, длинной дорогой поедет меньше водителей, чем короткой. В электричестве все так же: ток предпочитает короткий путь.

Ширина. Одно дело – шестиполосное шоссе, другое – полоса уже трех метров. Как ни рвись, а по узкому мосту толком не проедешь. Электричество тоже охотнее идет по толстым проводам. Тонкость вот в чем: если напряжение низкое и машин мало, то по узкому и по широкому мосту проедет примерно поровну. А когда желающих много и все торопятся – на узком мосту неизбежен затор. Поэтому, кстати, мозг и гоняет свои сигналы по микроскопическим нервам без потерь – напряжение там доли вольта; а в розетке уже нужны провода сечением в несколько квадратных миллиметров. Да и те при коротком замыкании легко перегреваются.

Качество асфальта – та самая вторая беда. Если покрытие гладкое, поедут даже те, кто не особо и собирался. А если яма на яме – только те, кому деваться некуда. В электричестве этому соответствует удельное электрическое сопротивление: оно показывает, насколько тяжело заряду пройти всего один метр по выбранному проводу. Медь и серебро сопротивляются почти незаметно, золото и алюминий – чуть заметнее. По коже электричество идет уже с явным трудом. Пройдет оно и по деревянному столу, и по сухой штукатурке, но сопротивление там такое, что пальчиковая батарейка, забытая в куске штукатурки, будет разряжаться лет пять.

Кстати, если у кожи сопротивление такое большое, почему шарик из опыта с соседкой разрядился почти мгновенно? Потому что электронов на шарике было мало (маленький запас), зато напряжение – тысячи вольт. А высокое напряжение создает большой ток, и этот ток мигом растратил и без того скромный запас.

Подведем итог. Сопротивление – это то, насколько тяжело электричеству пройти сквозь проводник. При одинаковом напряжении через провод с низким сопротивлением пройдет больше тока, с высоким – меньше. А чтобы протолкнуть тот же ток через «неудобный» провод, приходится поднимать напряжение. Ровно как с машинами: по плохому мосту проедет меньше, чем по хорошему, – но если водителей как следует раззадорить, поток и по плохому мосту будет приличным.

Вот теперь на сцене все трое – и можно собрать закон Ома целиком: ток тем больше, чем выше напряжение и чем меньше сопротивление. Больше «хотелки» – гуще поток; хуже дорога – поток слабее. (Кстати, помнишь батарейку, которая садится за секунды, стоит замкнуть ее проводом? Вот и разгадка: провод – это путь с малым сопротивлением, и ток по нему рванул огромный, оттого заряд и кончился мигом).

Сопротивление и удельное сопротивление: история двух мостов 

Выше я говорил про сопротивление вообще и про удельное сопротивление так, будто это две разные вещи. Так и есть – и вот почему.

Представь два моста. Первый – узкий и длинный, зато с идеальным асфальтом. Второй – широкий и короткий, но весь в ямах. По какому поедет большинство? По тому, где в итоге быстрее.

Иногда выгоднее длинный путь, зато с ветерком. Ямы хоть и мучительны, но участок настолько короче, что проще проползти по ним – а бывает, что по времени выходит поровну, и тогда водители распределяются по обоим мостам примерно одинаково.

Насколько долго и муторно водителю пробираться по конкретному мосту целиком – это и есть аналогия сопротивления вообще. А если вырезать из каждого моста кусок одинаковой длины и сравнить между собой – получится удельное сопротивление. Иначе говоря: удельное сопротивление показывает, как тяжело заряду продраться через каждый метр провода, а полное – насколько трудно ему добраться до конца.

Полное сопротивление измеряют в омах. Один ом – это мало: сквозь него пройдет и ток батарейки, и электричество из розетки. Тысячи ом (килоомы) – уже серьезнее: тут надо приложить заметное напряжение, чтобы получить хоть сколько-нибудь ощутимый ток. А есть сопротивления в миллионы ом – сухое дерево, фарфор, стекло. У изоленты – десятки миллионов.

«В смысле, сопротивление изоленты?» — обычно перебивают меня здесь. — «Она что, тоже проводит ток?» 

И да, и нет. Электричество проходит везде, вопрос лишь в количестве. Через сопротивление в десять миллионов ом пальчиковая батарейка разряжалась бы тысячелетиями (если бы не истек срок годности). Один слой изоленты дает около пятидесяти миллионов ом, два слоя – соответственно сто. Вот и суди сам, проводит изолента ток или нет.

При этом и медный провод можно довести до миллионов ом – надо лишь сделать его предельно тонким и длинным. Медная жила толщиной с волос и длиной в десятки тысяч километров будет сопротивляться току не хуже тонюсенького слоя ПВХ-изоленты.

Электрики в такие тонкости предпочитают не вдаваться и считают: все, что выше мегаома, – уже изоляция. Домашний счетчик такую микроскопическую утечку попросту не заметит, а утечку через изоляцию нормальных проводов и дорогим прибором засечь непросто.

В общем, как с мостом: каким бы он ни был узким, кривым и покосившимся, всегда найдется хоть один герой, готовый рискнуть. И ведь проедет! Вопрос лишь – какой ценой.

Езда «впритирку» и теплые ламповые потери

Пора наконец понять: а зачем вообще различать ток и напряжение?

Вернемся к мосту и в предвкушении потрем ладони друг о друга. Чувствуешь, как теплеет? Пока машин на мосту мало, ничего подобного не происходит: они едут на приличном расстоянии друг от друга – водителям, в сущности, не так уж и надо на работу или за покупками. Совсем другое дело – детский картинг: вот где все по-настоящему рвутся пройти дистанцию побыстрее, и машинки то и дело трутся бортами. Впрочем, если бы на том берегу бесплатно раздавали новые хорошие автомобили, то и обычные водители на мосту терлись бы будь здоров – особенно на узком.

С электричеством ровно так же: чем выше сопротивление проводника и чем больше идущий через него ток, тем сильнее материал греется. Отсюда два пути. Можно снизить сопротивление – и тот же ток будет греть слабее. А можно оставить материал прежним, но пустить меньший ток – и нагрев опять-таки уменьшится.

Аналогия с ладонями полная. Прижали плотнее – «сопротивление» выросло, и при трении ладони греются сильнее; ослабили нажим – греются меньше. А есть и аналогия с током: чем быстрее трешь (больше ток), тем сильнее нагрев.

На практике это и используют. Чтобы зажечь лампу накаливания, ток к ней подводят медными проводами с низким сопротивлением – они почти не греются. А внутри лампы стоит тонкая вольфрамовая нить с большим сопротивлением. Ток в ней тот же, что и в проводах, но из-за высокого сопротивления нить раскаляется добела и начинает светиться.

Лампе нужно немного тока. А вот электроплитка потребляет куда больше, и если провода к ней тонковаты, то и они начинают греться.

«Погоди, – тут вправе перебить меня внимательный читатель. – Ты же в начале статьи вот этими самыми буквами написал, что тока в розетке нет, а есть только напряжение. И оно всегда 230 вольт. Откуда тогда „больше тока", „меньше тока"?» Отличный вопрос – сейчас отвечу.

Законы Кирхгофа для уличного движения

Начнем с мысленного эксперимента. Пусть у нас есть бесконечно широкий и бесконечно короткий мост и тысячи желающих его пересечь. Понятно, что в отсутствие преград они проскочат мгновенно.

С током то же самое: соедини вход и выход источника питания коротким проводом с низким сопротивлением – и весь ток, какой источник в силах выдать, немедленно ринется по этому проводу. Именно так происходит, когда суешь в розетку ножницы или перерубаешь ножом провод, замыкая фазу на ноль.

Напомню: в розетке есть напряжение, электроны отчаянно хотят перейти с фазы на ноль и обратно. Замкни эти провода – и между ними хлынет огромный ток. Не бесконечный: и медь, и стальные ножницы все же имеют какое-то сопротивление. Но и такого тока хватит, чтобы расплавить провода, – да и от ножниц с рукой немного останется. Хорошо, что на входе в квартиру стоит автомат: он вырубает электричество сразу, едва по проводам пойдет слишком большой ток.

Другое дело – лампочка или плита. Возьмем лампочку: внутри у нее тонкая вольфрамовая нить с большим сопротивлением. Получается цепочка:

• сначала медный провод – широкий, удобный участок моста;

• потом нить – участок сплошных ям;

• потом снова медный провод – опять удобный участок.

Сразу ясно: машины поедут ровно так быстро, как позволяет худший участок. В электричестве то же: ток через прибор ограничен его внутренним сопротивлением, и именно такой ток пойдет по проводам к прибору. (Напомню, ток – это не скорость машин, а их число, проезжающее за единицу времени.)

Правило Кирхгофа как раз об этом: в цепи без разветвлений ток одинаков в любой точке. С машинами так же – пусть в начале моста они неслись с ветерком, но, упершись в плохой участок, встанут в пробку, и весь путь проедет ровно столько машин, сколько пропускает худшее место.

Теперь добавим плиту. Нить в ней толще, а значит, сопротивление меньше – и, как ты уже знаешь, тока пройдет больше. Так и есть: плита потребляет заметно больший ток, хотя подключена к тому же напряжению, к той же розетке на 230 вольт.

Кстати, о перекрестках. Если в одну розетку воткнуть и лампочку, и плиту, то к розетке пойдет ток, равный сумме их токов, – тут все очевидно. Но есть нюанс.

Пусть мы протянули для освещения тонкие медные провода. Сопротивление лампочки много больше, чем даже у тонких проводов, поэтому греется только лампочка, а в проводах потерь почти нет: ток-то ограничен самой лампочкой.

А теперь подключим к тем же тонким проводам плиту. Она пропускает куда больше тока – и этому току по тонким проводам уже тесно, он начинает их греть. Как шоссе на въезде в город: вроде и гладкое, и ровное, но если полос всего две, вечерней пятничной пробки не миновать.

Бывает, через тонкие провода удлинителя пытаются прогнать столько тока, что медь раскаляется докрасна. Не заметишь вовремя – и до пожара недалеко.

Реверсивное движение и переменный ток

Прежде чем добраться до мощности, разберемся с разницей между переменным и постоянным током.

Переменный ток похож на реверсивное движение по мосту: какое-то время машины едут в одну сторону, потом – в другую. В нашей розетке направление тока меняется пятьдесят раз в секунду – как раз про это и говорит надпись «частота 50 Гц». В США, к примеру, обычно 60 герц.

Постоянный ток – это движение в одну сторону: машины едут только на левый берег и никогда не разворачиваются.

Нетрудно догадаться, что мост с реверсивным движением всегда пропустит меньше машин, чем мост с ровным односторонним потоком: часть времени уходит на смену направления, и в эти моменты никто толком не едет. С током похоже: при одинаковом «пике» напряжения переменный ток в среднем совершает меньше работы, чем постоянный.

Так почему же в розетках повсюду именно переменный ток?

Источники тока

Первым доступным источником тока стал гальванический столб – стопка монеток из разных металлов, переложенных влажной тканью. Такие «батарейки» давали стабильный постоянный ток. Современные батарейки и аккумуляторы устроены похоже и тоже выдают постоянный ток. Но у всех у них общая беда: они недолговечны – батарейки разряжаются, аккумуляторы изнашиваются, – да и стоят недешево.

Когда электричество понадобилось в промышленных масштабах, инженеры придумали генераторы. Они бывают и постоянного, и переменного тока, но генератор постоянного тока из-за особенностей конструкции получается дорогим, громоздким и капризным. А генератор переменного тока способен десятилетиями штамповать электричество тоннами.

При этом внутри всех сложных приборов – телефонов, компьютеров, систем наведения – работает все-таки постоянный ток: переменный из розетки попадает в блок питания и там выпрямляется. Ставить же мощные выпрямители прямо на электростанциях невыгодно – поэтому в дом к нам приходит именно переменное напряжение.

Электрическая мощность и груз в кузове 

Итак, напряжение – это то, насколько сильно электричество стремится перейти с одного проводника на другой. Ток – это количество зарядов, уже спешащих по проводнику. А что же тогда мощность?

Мощность – это груз, который автомобили успевают перевезти.

Чем быстрее едет каждая машина, тем больше груза она довезет. И чем больше машин едет разом, тем больше груза они перевезут вместе. Вот и выходит, что мощность – это напряжение, помноженное на ток:

P = U × I

Ну вот, добрались и до первой формулы. Пожалуй, на ней пока и остановимся.

Подумай на досуге: у какого прибора мощность окажется выше – у того, чье собственное сопротивление больше, или у того, чье меньше?