Напряжение

Напряжение (условное обозначение U, иногда Е). Напряжение между двумя точками – это энергия (или работа), которая затрачивается на перемещение единичного положительного заряда из точки с низким потенциалом в точку с высоким потенциалом (т. е. первая точка имеет более отрицательный потенциал по сравнению со второй). Иначе говоря, это энергия, которая высвобождается, когда единичный заряд «сползает» от высокого потенциала к низкому. Напряжение называют также разностью потенциалов  или электродвижущей силой (э.д.с).
Единицей измерения напряжения служит вольт. Обычно напряжение измеряют в вольтах (В), киловольтах (1 кВ = 103В), милливольтах (1 мВ = 10‑3 В) или микровольтах (1 мкВ = 10‑6 В)
Для того чтобы переместить заряд величиной 1 кулон между точками, имеющими разность потенциалов величиной 1 вольт, необходимо совершить работу в 1 джоуль. (Кулон служит единицей измерения электрического заряда и равен заряду приблизительно 6·1018 электронов.)
Напряжение всегда измеряется между двумя точками схемы.
Говорить «напряжение в резисторе» нельзя – это неграмотно. Однако часто говорят о напряжении в какой‑либо точке схемы. При этом всегда подразумевают напряжение между этой точкой и «землей», т. е. такой точкой схемы, потенциал которой всем известен.
Напряжение создается путем воздействия на электрические заряды в таких устройствах, как батареи (электрохимические реакции), генераторы (взаимодействие магнитных сил), солнечные батареи (фотогальванический эффект энергии фотонов) и т. п.
   Ток (условное обозначение I) – это скорость перемещения электрического заряда в точке. Единицей измерения тока служит ампер. Обычно ток измеряют в амперах (А), миллиамперах (1 мА = 10‑3 А), микроамперах (1 мкА = 10‑6 А), наноамперах (1 нА = 10‑9 А) и иногда в пикоамперах (1 пкА = 10‑12 А).
Ток величиной 1 ампер создается перемещением заряда величиной 1 кулон за время, равное 1 с. Условились считать, что ток в цепи протекает от точки с более положительным потенциалом к точке с более отрицательным потенциалом, хотя электрон перемещается в противоположном направлении.
Ток всегда протекает через точку в схеме или через какой‑нибудь элемент схемы.
Ток мы получаем, прикладывая напряжение между точками схемы.
Не нужно называть ток силой тока – это неграмотно.

Мощность

Мощность (работа, совершенная за единицу времени), потребляемая схемой, определяется следующим образом:
Р = U ·I.
Вспомним, как мы определили напряжение и ток, и получим, что мощность равна: (работа/заряд) x (заряд/время). Если напряжение U  измерено в вольтах, а ток I  – в амперах, то мощность Ρ  будет выражена в ваттах. Мощность величиной 1 ватт – это работа в 1 джоуль, совершенная за 1 с (1 Вт = 1 Дж/с).
Пользуясь законом Ома, эту формулу можно записать в эквивалентном виде:
Ρ  = I 2R  и Ρ  = U 2/R .
Мощность рассеивается в виде тепла (как правило) или иногда затрачивается на механическую работу (моторы), переходит в энергию излучения (лампы, передатчики) или накапливается (батареи, конденсаторы). При разработке сложной системы одним из основных является вопрос определения ее тепловой нагрузки.

Сопротивление

Электрическое сопротивление — физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему.
В электронике сопротивление обозначается буквой R.  Единицей измерения служат Омы.  Если пропустить по проводнику электрический ток в 1 Ампер, а на концах этого провода будет напряжение в 1 Вольт, то это значит, что проводник обладает сопротивлением 1 Ом.
Некоторые вещи имеют большое сопротивление, а некоторые малое.
Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.
Чем толще проводник и чем он короче, тем меньше его сопротивление. 
Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т. е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.
Медный провод длиной 1 метр и сечением в 1 мм кв. имеет сопротивление 0,1 Ом.
Удельное сопротивление. На сопротивление также влияет материал, из которого изготовлен проводник.
Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.
Таким образом сопротивление проводника описывается формулой

R = ρ  l / S,

где — R — сопротивление проводника, ом,
 l — длина в проводника, м, 
S — площадь поперечного сечения проводника, мм2,
 ρ  – удельное сопротивление проводника, Ом·м.
Удельное сопротивление произвольного вещества, численно равно сопротивлению участка электрической цепи, выполненного из данного вещества, длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м².
Применяется также устаревшая внесистемная единица Ом·мм²/м, равная 10−6 от 1 Ом·м. Данная единица равна такому удельному сопротивлению вещества, при котором однородный проводник длиной 1 м с площадью поперечного сечения 1 мм², изготовленный из этого вещества, имеет сопротивление, равное 1 Ом.

Удельное электрическое сопротивление некоторых веществ (при температуре 20 градусов)

Возможен разброс значений, обусловленный разной химической чистотой металлов, способом изготовления образцов, изученных разными учеными и непостоянством состава сплавов.
Материал проводникаУдельное сопротивление, Ом·мм²/мУдельное сопротивление, Ом·м
Фехраль (сплав железа, хрома и алюминия)1.31.3E-6
Угольные щетки404.0E-5
Серебро0.0161.6E-8
Свинец0.2082.08E-7
Ртуть0.969.6E-7
Нихром (сплав никеля, хрома, железа и марганца)1.121.12E-6
Никелин (сплав меди, никеля и цинка)0.424.2E-7
Медь0.01721.72E-8
Манганин (сплав меди, никеля и марганца)0.434.3E-7
Константан (сплав меди, никеля и алюминия)0.55.0E-7
Золото0.0222.2E-8
Железо0.11.0E-7
Графит88.0E-6
Вольфрам0.0555.5E-8
Алюминий0.0272.7E-8
Иридий0.04744.74E-8
Сталь0.131.3E-7
Магний0.0444.4E-8
Молибден0.0545.4E-8
Нейзильбер (сплав меди, никеля и цинка)0.333.3E-7
Никель0.0878.7E-8
Олово0.121.2E-7
Платина0.1071.07E-7
Чугун серый11.0E-6
Цинк0.0595.9E-8
Висмут1.21.2E-6
Материал изолятораУдельное сопротивление, Ом·мм²/мУдельное сопротивление, Ом·м
Эбонит1.0E+23100000000000000000
Фарфор1.0E+211000000000000000
Земля влажная100000000100
Вода дистиллированная1000000000010000
Вода морская3000000.3
Бумага1.0E+2210000000000000000
Бакелит1.0E+23100000000000000000
Бензол1.0E+2210000000000000000
Дерево сухое10000000000000000001000000000000
Кварцевое стекло1.0E+23100000000000000000
Керосин10000000000000000001000000000000
Мрамор10000000000000001000000000
Парафин1.0E+2210000000000000000
Парафиновое масло1.0E+211000000000000000
Плексиглас1.0E+20100000000000000
Полистирол1.0E+23100000000000000000
Полихролвинил1.0E+20100000000000000
Полиэтилен1.0E+1910000000000000
Силиконовое масло1.0E+20100000000000000
Слюда1.0E+211000000000000000
Стекло10000000000000000001000000000000
Трансформаторное масло100000000000000000100000000000
Шифер1.0E+211000000000000000
Янтарь1.0E+251.0E+19
Площадь поперечного сечения круглого проводника вычисляется по формуле:

S = πd2 / 4

где π — постоянная величина, равная 3,14; d — диаметр проводника.

Проводимость

Некоторые считают, что для того чтобы скорее научиться оценивать величину сопротивления, полезно вводить понятие проводимость , G  = 1/R . Ток, протекающий через элемент с проводимостью G , к которому приложено напряжение U , определяется как I  = G ·U  (это закон Ома).
Чем меньше сопротивление проводника, тем больше его проводимость и тем больше ток, протекающий под воздействием напряжения, приложенного между концами проводника.
С этой точки зрения формула для определения сопротивления параллельно соединенных проводников вполне очевидна: если несколько резисторов или проводящих участков подключены к одному и тому же напряжению, то полный ток равен сумме токов, протекающих в отдельных ветвях. В связи с этим проводимость соединения равна сумме отдельных проводимостей составных элементов: G  = G1  + G2  + G 3 +…, а это выражение эквивалентно выражению для параллельно соединенных резисторов.
Инженеры неравнодушны к обратным величинам, и в качестве единицы измерения проводимости они установили 1 сименс (1 См = 1/1 Ом), который иногда называют «мо» («ом» наоборот). Хотя понятие проводимости и помогает развить интуицию в отношении сопротивления резисторов, широкого применения оно не находит, и большинство предпочитает иметь дело с величинами сопротивления, а не проводимости.

Изменение амплитуды в децибелах

Как сравнить амплитуды двух сигналов? Можно, например, сказать, что сигнал X  в два раза больше, чем сигнал Y. Во многих случаях именно так и производят сравнение. Но очень часто подобные отношения достигают миллионов, и тогда удобнее пользоваться логарифмической зависимостью и измерять отношение в децибелах (децибел составляет одну десятую часть бела, но единицей «бел» никогда не пользуются). По определению отношение двух сигналов, выраженное в децибелах, это дБ = 20·lg(A2 /A1 ), где А 1 и А 2  – амплитуды двух сигналов.
Например, если один сигнал имеет амплитуду вдвое большую, чем другой, то отношение первого сигнала ко второму составляет +6 дБ, так как lg2 = 0,3010. Если один сигнал в 10 раз больше другого, то отношение первого ко второму составляет +20 дБ, а если один сигнал в 10 раз меньше другого ‑ то ‑20 дБ. Отношение мощностей двух сигналов определяется так:
дБ = 10·lg(P2 /P1 ),
где Р 1 и Р2  – мощности двух сигналов.
Если оба сигнала имеют одну и ту же форму, т. е. представлены синусоидами, то оба способа определения отношения сигналов (через амплитуду и мощность) дают одинаковый результат. Для сравнения сигналов разной формы, например, синусоидального и шумового следует использовать мощность (или эффективные значения).
Хотя децибел служит для определения отношения двух сигналов, иногда эту единицу используют для измерения абсолютного, а не относительного значения амплитуды. Дело в том, что можно взять некоторую эталонную амплитуду и определять любую другую амплитуду в децибелах по отношению к эталонной.
Известно несколько стандартных значений амплитуды, используемых для такого сравнения (эти значения не указываются, но подразумеваются); приведем некоторые из них: а) дБВ – эффективное значение 1 В; б) дБВт – напряжение, соответствующее мощности 1 мВт на некоторой предполагаемой нагрузке, для радиочастот это обычно 50 Ом, для звуковых частот – 600 Ом (напряжение 0 дБВт на этих нагрузках имеет эффективное значение 0,22 В и 0,78 В); в) дБп – небольшой шумовой сигнал, генерируемый резистором при комнатной температуре.
Помимо перечисленных существуют эталонные сигналы для измерений в других областях. Например, в акустике уровень звукового давления 0 дБ соответствует сигналу, среднее квадратурное давление которого составляет 0,0002 мкбар (1 бар равен 106 дин на квадратный сантиметр или приблизительно 1 атмосфере); в связи уровни определяются в дБС (относительный шум в полосе частот с весовой функцией С). Стоит обратить внимание на эталонную амплитуду 0 дБ: пользуясь этим значением, не забывайте его оговорить, например «амплитуда 27 дБ относительно эффективного значения 1 В», или в сокращенной форме «27 дБ относительно 1 Вэфф», или пользуйтесь условным обозначением дБВ.
К началу ↑