Рис. 1.65. При некоторых погодных условиях поток электронов во время молнии может пройти с поверхности земли через ваши ноги, верхнюю часть головы и далее в облака. Бенджамин Франклин был бы этому очень удивлен
Основные измерения
Электрический потенциал измеряется за счет сложения зарядов отдельных электронов. Основной единицей измерения заряда является кулон, который равен заряду примерно 6 250 000 000 000 000 000 электронов.
Если вы знаете, как много электронов проходит через кусок провода каждую секунду, то вы можете определить поток электрических зарядов, который выражается в амперах. Фактически один ампер может быть определен, как один кулон в секунду.
Таким образом:
1 ампер = 1 кулон/сек = примерно 6,25 квинтильонов электронов/сек = 6,25 х 1018 электронов/сек.
Не существует такой возможности непосредственно «увидеть» то количество электронов, которое протекает по проводнику (рис. 1.66), но имеются косвенные методы получения этой информации. Например, когда электрон перемещается по проводу, он создает электромагнитное поле вокруг себя. Это поле может быть измерено, и мы можем рассчитать число ампер на основе этого измерения. Счетчик, установленный в вашем доме электросбытовой компанией, может функционировать именно по этому принципу.
Рис. 1.66. Если вы посмотрите внутрь электрического провода с помощью достаточно мощного увеличительного устройства, а по проводу будет протекать поток электронов силой в 1 А в единицу времени, то вы сможете увидеть примерно 6,25 квинтильона электронов, проходящих мимо вас каждую секунду
Если электроны двигаются свободно, то они не совершают работы. Если у вас имеется замкнутая цепь из провода с нулевым сопротивлением, и вы каким-либо образом создадите в нем поток электронов (электрический ток), то он может перемещаться по проводу бесконечно долго. (Это то, что происходит внутри сверхпроводников — картина почти аналогична.)
В обычных условиях провод имеет то или иное значение сопротивления. Сила, которая нужна, чтобы «проталкивать» электроны по проводу, известна как «напряжение», она создает ток, который может выделять тепло, наблюдаемое вами при закорачивании батареи питания. (Если используемый вами провод имеет нулевое сопротивление, то поток электронов, который по нему движется, не будет создавать какую-либо теплоту). Мы можем использовать тепло напрямую, как это делается при эксплуатации электропечи, или же мы можем использовать электрическую энергию другими способами — для запуска двигателя, например. Тем или иным способом мы отбираем энергию электронов для того, чтобы выполнять какую-либо работу.
Один вольт может быть представлен, как единица напряжения, которая нужна для создания тока величиной 1 А, совершающего работу величиной 1 Вт. Как уже было определено ранее:
1 Вт = 1 В х 1 А. Однако эта формула может быть переписана и по-другому:
1 в = 1 вт/1 а.
Эта форма записи более правильная, поскольку «ватт» в принципе может быть определен, как неэлектрическая единица измерения. Только для расширения ваших знаний мы можем вернуться назад к метрической системе единиц:
1 ватт = 1 джоуль/сек.
1 джоуль — это единица работы (энергии), равная работе силы величиной в 1 ньютон при перемещении тела на расстояние в 1 метр в направлении действия силы; 1 ньютон — это сила, которая необходима, чтобы придать телу массой 1 кг скорость 1 м/сек в течение 1 секунды.
На этой основе электрические единицы могут быть связаны с измерениями массы, времени и заряда электронов.
Рассуждая с практической точки зрения
Для практических задач интуитивное понимание того, что такое электричество, может быть более полезным, чем теория.
Лично я предпочитаю аналогии с водой, которые использовались десятилетиями для объяснения электричества. На рис. 1.67 показан высокий наполовину заполненный водой бак, в котором почти у дна сделано отверстие. Представим, что этот бак электрическая батарейка. Высоту воды можно сравнить с напряжением. Объем воды, который проходит через отверстие в секунду, можно сравнить с силой тока в амперах. Малая величина отверстия сравнима с большим сопротивлением.
Рис. 1.67. Если вы хотите получить больше работы от системы …
А где же прячется мощность на этой картинке? Предположим, что рядом с баком расположено небольшое водяное колесо, которое будет крутиться потоком воды из отверстия. Мы можем подключить какой-либо механизм к этому водяному колесу. Теперь поток будет совершать некоторую работу. Имейте в виду, что мощность это мера работы, иначе говоря, мощность равна отношению работы к промежутку времени, в течение которого она совершается.