Прибор проградуирован так, чтобы можно было отсчитывать энергию, отдаваемую каждым кулоном в струйке тока, текущего через вольтметр. «Энергия, отдаваемая единицей заряда», — слишком длинное наименование для величины — объекта измерения, поэтому мы будем называть ее разностью потенциалов, или электрическим напряжением. «Разность потенциалов» — старый термин, введенный в связи с изучением неподвижно распределенных электрических зарядов. Инженеры употребляют, кроме того, жаргонный термин «вольтаж» от слова «вольт» вместо термина «напряжение».
Вольтметры как «электрические манометры»
Вольтметры покажутся вам еще более простыми в употреблении приборами, если представлять их себе как электрические манометры. Воспользуемся аналогией между электрическим током и течением воды по трубам и рассмотрим обоснование для такого представления о вольтметрах. Вольтметры изготовляют таким образом, чтобы они показали энергию, отдаваемую каждым кулоном на некотором выбранном участке цепи. Эта величина равна отношению
ОТДАВАЕМАЯ ЭНЕРГИЯ (на некотором участке цепи) / ЧИСЛО ПРОТЕКАЮЩИХ КУЛОНОВ
или
ОТДАВАЕМАЯ ЭНЕРГИЯ (в джоулях) / полный заряд (в кулонах)
Разность давлений на каком-либо участке водяного контура можно выразить таким же образом:
ОТДАВАЕМАЯ ЭНЕРГИЯ (в джоулях) / ПОЛНЫЙ ОБЪЕМ ПРОТЕКШЕЙ ВОДЫ (в кубических метрах)
Правильность проводимой аналогии легко установить путем следующих рассуждений. Предположим, что мы проталкиваем воду по длинной тонкой трубе с помощью поршня Р1, находящегося в начале трубы, заставляя воду толкать поршень Р2 на другом конце трубы. Труба обладает сопротивлением, поэтому давление р1 в точке Р1 должно быть больше давления р2 в Р2. Разность давлений р1 — р2 и движет воду, преодолевая силы сопротивления.
Как установил Джоуль, вода на выходе имеет несколько более высокую температуру, приобретая тепло за счет некоторой доли энергии, подводимой при помощи поршня Р1. Пусть площадь поршня Р1 равна А1 квадратных метров; поршень перемещают на расстояние s1 метров, преодолевая давление воды р1 ньютон/квадратный метр. Сила, которую необходимо приложить к поршню р1 чтобы его толкать, равна произведению: ДАВЛЕНИЕ∙ПЛОЩАДЬ, или р1А1 ньютон, а энергия, передаваемая от источника движения поршня воде, равна произведению: СИЛА∙ПРОХОДИМОЕ РАССТОЯНИЕ, или р1∙А1∙s1 дж. Точно так же энергия, передаваемая водой телу, испытывающему действие поршня Р2, равна р2∙А2∙s2. Но произведение: ПЛОЩАДЬ ПОРШНЯ∙ПРОХОДИМОЕ РАССТОЯНИЕ представляет собой объем воды, проталкиваемой по трубе, равный V кубических метров.
А1∙s1 = V = А2∙s2, поскольку вода несжимаема. В таком случае разность между обоими количествами передаваемой энергии, которая представляет собой механическую энергию, отдаваемую воде, равна
р1∙А1∙s1 — р2∙А2∙s2 = p1V — p2V = (р1 — р2)∙V.
Следовательно, энергия, выделяющаяся в виде тепла в пределах рассматриваемого участка трубы, равна (р1 — р2)∙V дж. Значит,
ОТДАВАЕМАЯ ЭНЕРГИЯ (в джоулях) / ПЕРЕМЕЩАЕМЫЙ ОБЪЕМ (в кубических метрах) =
= (р1 — р2)∙V/V = (р1 — р2) (в ньютон/квадратный метр).
Таким образом, в гидравлической системе разность давлений р1 — р2 ньютон/квадратный метр дается отношением: отдаваемая энергия/перемещаемый объем. Это аналогично соотношению
«ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РАЗНОСТЬ ДАВЛЕНИЙ» = ОТДАВАЕМАЯ ЭНЕРГИЯ / ПЕРЕМЕЩАЕМЫЙ ЗАРЯД.
Физики никогда, правда, не говорят об «электрической разности давлений», употребляя для выражения этого понятия термин «разность потенциалов».
Фиг. 29. Передача энергии в гидравлической цепи.