Ток – это упорядоченное движение заряженных частиц, для металлов это электроны.

Напряжение – это отношение электрического поля к величине заряда.

Такое объяснение встречается в большинстве научных источников, но совершенно непригодно к визуальному моделированию движения носителей заряда. Не смотря на то, что в понимании схемотехники, и электроники в целом это никак не скажется, так как затрагиваются фундаментальные процессы, которые лежат в основе большинства явлений, которые используются не только в электронике.

Для начала вспомним несколько вполне пригодных к визуализации явлений – кристаллическая решётка атомов металла, который является проводником в подавляющем большинстве схем.

Как мы видим, ядра атомов – положительного заряда,  электроны – негативного, расстояние между ядрами атомов очень значительное, но из-за разных потенциалов они склонны притягиваться, поэтому при интенсивном движении заряженных частиц они могут время от времени сталкиваться с ядрами.

 Так же немало важную роль играет скорость движения ядер атомов, которая зависит от температуры проводника,  они начинают быстро двигаться, и натыкаться на большее количество электронов, и больше отпускает электронов назад, таким образом, больше количество электронов передаёт свою кинетическую энергию ядру атома, вызывающее большую вибрацию, и как следствие больший нагрев. Тем самым меньше электронов может пробегать по проводнику. Заряженные частицы двигаются под действием напряжения, это та сила, которая заставляет носители заряда двигаться в одном направлении, чем больше напряжение, тем больше электронов может преодолеть притяжение ядер атомов. Но при этом, давая электронам больше кинетической энергии, можно повысить вибрацию ядер атомов, как следствие – ещё больший нагрев проводника. Сопротивление так же зависит от площади сечения проводника, чем больше сечение – тем больше ядер атомов могут одновременно принимать и отпускать носителей заряда, что не только уменьшает сопротивление, но так же и увеличивает теплоёмкость проводника, значит, он легче может выдержать перегрев.

Но стоит отметить, что охладить такой провод сложнее, понадобится больше мощности затратить на его охлаждение, хотя на практике провод подбирают так, что бы при номинальном токе, он не грелся, и это правило применимо только к резисторам, где сопротивление больше, и мощность выделяемая больше. Так как при движении электронов, они на некоторое время задерживаются у ядер атомов, пока их не выбьет с поля ядра другой электрон, то на участке проводника, при протекании через него тока будет определённая разница в количестве заряженных частиц. Это зовётся падением напряжения, как правило, наибольшее падение напряжения происходит на самом высокоомном участке цепи, падение напряжения зависит от тока в цепи и сопротивления участка, на котором производится замер. Только что мы на уровне движения элементарных частиц объяснили некоторые аспекты закона Ома, и мощности выделяемой на резисторе, и почему она превращается в тепло. С напряжением всё проще, для начала вспомним, что источником напряжения могут быть как химические батареи (аккумуляторы, батарейки, и т.д.) так и магнитно-динамические (генераторы, электродвигатели). Принцип работы разный, но результат одинаков – это разница потенциалов на выводах. Если говорить совсем просто, то это банально разница свободных электронов, то есть на одном выводе их значительно больше чем на другом. Свободные электроны – это те электроны, которые не прикреплены на определённой орбите возле ядра атома, они под воздействием магнитных полей хаотично двигаются по всему проводнику, поэтому напряжение одинаково во всех частях проводника (пока через него не протекает ток). А источник напряжения можно представить как насос, который перекачивает ток с одного вывода в другой.

Ну и под конец в видео приводится аналогия заряженных частиц с автомобилями, а проводника с дорогой.

Статья специально подготовлена для конкурса на канале АКА

Автор - Ростислав Михайлов