Електрично заряджена частинка — це елементарна частинка, яка має електричний заряд, тобто властивість притягувати або відштовхувати інші заряджені частинки. У природі є два типи електричного заряду, які ми називаємо: позитивний і негативний. Позитивний заряд мають, наприклад, протони. Негативний заряд мають електрони. Частинки з однаковим зарядом відштовхуються, а з протилежним — притягуються. Саме ця властивість лежить в основі багатьох електричних явищ у природі й техніці.
Струмом ми називаємо потік електрично заряджених частинок, частіше електронів. Середовище, по якому рухаються електрони називається провідником. Важливе значення має сила струму - кількість частинок, що проходять через 1 мм2 площі перетину провідника за 1 секунду. Вимірюється сила струму в амперах (А) і позначається літерою I (велика і). Просто для загального уявлення - сила струму в 1 ампер це приблизно 6 241 000 000 000 000 000 електронів за секунду. Також важливим є напрямок струму. Так історично склалося, що напрямком струму вважається напрямок протилежний реальному руху електронів. Цей момент важливий, запам'ятайте.
Навколо кожної зарядженої частинки існують так звані електромагнітні поля, вони складаються і разом утворюють єдине електромагнітне поле. Це поле не є однорідним і в окремих точках середовища може мати різну силу, яку фізики назвали потенціалом. Потенціал поля вимірюється в вольтах (В), за початок відліку взято потенціал Землі - 0 вольт. Потенціал, нижчий за потенціал Землі - від'ємний (наприклад, -10В), а потенціал вищий за потенціал Землі - додатній. Практичне значення потенціал має невелике, але пояснює наступне дуже потрібне нам поняття:
Напруга - це різниця між потенціалами в двох точках провідника, вона також вимірюється в вольтах (В) і позначається літерою U. Наприклад, коли в одній точці потенціал 10 вольт, а в іншій 4, то напруга між ними 10 - 4 = 6 вольт. Саме під дією напруги електрони утворюють впорядкований, спрямований рух - струм. Таким чином напруга - це рушійна сила для струму.
Примітка: в іноземних статтях та схемах напругу часто позначають літерою V (voltage).
Коли електрони рухаються через деяке середовище, вони зіштовхуються з молекулами, потрапляють під дію полів в атомах даного середовища, зустрічаючи таким чином деякий "спротив" на своєму шляху і витрачають певну кількість енергії на проходження. Кожний матеріал має власні фізичні властивості які впливають так чи інакше на можливість електронів рухатись в ньому. Матеріали які несильно "опираються" струму ми називаємо провідниками (залізо, мідь, срібло, золото), а які не проводять струм - діелектриками (повітря, скло, ізоляція проводів). "Сила спротиву" яку струм вимушений подолати при проходженні через певну ділянку провідника називається електричним опором. Опір вимірюється в омах(Ом) і позначається літерою R. Чим більший опір провідника, тим більше енергії потрібно для проходження через нього і навпаки.
Ми розглянемо два типи провідних середовищ: дріт та резистор. Дроти виготовлені з міді, мають опір близький до 0 Ом і дозволяють струму відносно вільно протікати і грають роль провідників що поєднують різні електронні прилади в єдину схему. Резистор - це електронний прилад який має певний значний опір і використовується для обмеження струмів і розподілення напруг в електронних схемах. Опір є головною властивістю резисторів і їх існує дуже велика кількість самих різних номіналів в широкому діапазоні, від кількох ом до мільйонів ом.
Закон Ома
Під дією напруги електрично заряджені частинки починають рухатись - утворюється струм. Чим більша напруга - тим більшим буде сила струму. Але опір середовища обмежує цей струм і чим більший опір - тим меншим буде сила струму. Ці співвідношення між напругою, опором і струмом є фундаментальними і описуються законом Ома:
Сила току прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна опору. Розраховується за формулою:
Наприклад, якщо напруга 400В і опір 40Ом то сила струму буде 400/40 = 10А.
Цю формулу можна "обертати" як нам потрібно і так ми можемо вирахувати будь який параметр з двох інших якщо вони відомі:
I = U / R (Струм = Напруга / Опір)
R = U / I (Опір = Напруга / Струм)
U = I * R (Напруга = Струм * Опір)
Для того щоб використовувати електричну природу в своїх власних потребах, хитре людство розробило апарати, які штучно створюють напругу на спеціальних виводах - генератори, батарейки, акумулятори, блоки живлення. Узагальнено ці апарати називаються джерелами електроенергії.
На малюнку нижче схематично зображений резистор, підключений провідниками до виводів деякого джерела енергії. Виводи зображені кружечками, провідники лініями, а сам резистор - прямокутник.
Щоразу, коли ми визначаємо на схемах напругу, ми повинні чітко вказати дві точки, через які подається напруга. Зазвичай ми позначаємо точки живлення знаками "+" та "–", визначаючи напругу U як рушій для створення струму від позитивної точки до негативної. Визначаючи струм, ми малюємо стрілку, що позначає напрямок струму - в даному випадку струм через резистор проходить вправо. Пам'ятаємо, що електрони мають негативний заряд, і насправді тут вони рухаються через резистор вліво.
На наступному рисунку показано електричне коло з резистором 1 кОм (кілоом), підключеним до батареї на 3,7 В. 1 кОм дорівнює 1000 Ом.
Згідно з законом Ома, через резистор протікає струм 3,7 / 1000 = 0,0037 А. 1 мА(міліампер) дорівнює 0,001 ампера. Тож, в цьому прикладі сила току 3,7 мA. У цьому колі струм протікає за годинниковою стрілкою від позитивного виводу акумулятора, вниз по резистору, а потім назад до негативного виводу акумулятора. Таким чином акумулятор наче "перекачує" електрони по колу.
Ще одним важливим параметром, який виникає під час протікання струму через резистор, є потужність. Потужність вимірюється у ватах (Вт) і позначається літерою P. Цікаво, що хоча напруга має полярність (+ та –), а струм має напрямок, потужність не має ні полярності, ні напрямку. Розраховується вона декількома формулами:
P = V * I Потужність = Напруга * Струм
P = V2 / R Потужність = Напруга2 / Опір
P = I2 * R Потужність = Струм2 *Опір
На проходження струму через резистор витрачається певна енергія, яка розсіюється у вигляді тепла. Ми говоримо в такому випадку що резистор споживає електроенергію, а сам резистор є споживачем.
Енергію (E у джоулях), що розсіюється на резисторі можна розрахувати за потужністю та часом проходження струму через резистор (t у секундах). Подібно до потужності, енергія не має ні полярності, ні напрямку.
E = P * t Енергія = Потужність * час
E = V * I * t Енергія = Напруга * Струм * час
"Розсіювання електроенергії" означає що електроенергія під час проходження через середовище перетворюється в інший вид енергії - найчастіше це тепло, але це може бути світло, магнітне поле, механічна енергія тощо. Таким чином можна сказати що прилади, які розсіюють електроенергію, споживають її. Такі прилади називаються споживачами.
