1n (для России 1 н) = 0,000 000 001 = 1 · 10−9 = один нано
1р (для России 1 п) = 0,000 000 000 001 = 1 · 10−12 = один пико
Для больших величин мы имеем:
1k = 1000 = 1 · 103 = один кило
1М= 1 000 000 = 1 · 106 = один мега
Напряжение и разность потенциалов
Сколько раз мы задавали себе такие вопросы, как: «При каком напряжении работает этот прибор?» – «220 вольт», или «Какую батарейку нужно вставить в эту игрушку?» – «Батарейку на 9 вольт». Приведем в пример воду, которая может течь, используя неровность или разницу в высоте. Схожим образом, электрический ток может течь, если существует разница в уровнях, или, лучше сказать, разность потенциалов, как будто две точки расположены на разной высоте.
Рис. 1.11. Вода стекает в трубе, если есть разность в высоте между двумя концами трубы
Если мы возьмем очень длинную трубу, положим ее на землю и наполним трубу водой, вода выйдет из другого конца с небольшой силой. Если мы поднимем один из двух концов трубы, то вода выйдет с большей силой. Чем больше разница в высоте, тем больше сила (или давление) на выходе из трубы. Напряжение можно сравнить с высотой, с которой падает вода, например с высотой водопада.
Представим себе, что можно накопить несколько положительных зарядов в одном месте и поставить на некотором расстоянии вторую группу отрицательных зарядов. Между этими двумя группами зарядов будет создано электрическое поле, так что, если мы приложим небольшой положительный заряд в этой области, он будет двигаться по направлению к группе с отрицательным знаком, изменяя при этом ее энергию. Электрический заряд, расположенный в электрическом поле, обладает определенным уровнем потенциальной энергии, потому что находится в определенной точке поля и является в ней неподвижным. Потенциальная энергия зависит только от положения точки (поэтому напоминает высоту, на которую мы помещаем трубу с водой). Напряжение получается путем деления потенциальной энергии на величину заряда частицы и выражает количество энергии, необходимой для перемещения частицы. Мы говорим о разности потенциалов, таким образом, используя относительные величины.
Единицей измерения напряжение является вольт (В), в честь одного из основоположников учения об электричестве, итальянского ученого, графа Алессандро Вольта, жившего на рубеже XVIII–XIX веков, также известного изобретением первого гальванического элемента, так называемого Вольтового столба.
Рис. 1.12. Алессандро Вольта (1745–1827)
Разность потенциалов измеряют с помощью вольтметра. Существуют электромеханические вольтметры со стрелкой, каковые вы можете увидеть в промышленных электрических щитах. Мы будем использовать мультиметр или тестер, инструмент, который может выполнять различные типы электрических измерений, в том числе и напряжения. Если мы хотим использовать очень длинную трубу, чтобы выпускать воду с силой и на большое расстояние, необходима значительная разница в высоте между концами трубы. Так происходит на электростанциях, генерирующих ток высокого напряжения (даже в сотни тысяч вольт), а затем выводящих его в линии электропередач, которые протянуты на сотни километров. На концах линий электропередач напряжение уменьшено при помощи трансформаторов, перед тем как будет перенесено в дома или на предприятия.
Рис. 1.13. Для прохождения больших расстояний необходимо, чтобы напряжение было очень высоким
Сетевое напряжение, поступающее в наши дома, которое мы используем для бытовых электроприборов, составляет 220 вольт. Малые электроприборы используют более низкое напряжение, 12 или 5 вольт. Подключенный к компьютеру USB-кабель может дать напряжение 5 вольт. Большая разница потенциалов очень опасна (хотя, как правило, учитывается сочетание силы тока и напряжения), потому что ток высокого напряжения может преодолевать препятствия, проникая даже сквозь слои изолирующего материала. Например, молния может преодолеть километры атмосферы перед тем, как достигнет земли.
Чтобы предотвратить повреждение цепи и обезопасить себя, необходимо удостовериться, что:
• напряжение в сети правильное;
• сила тока достаточна.
Питание в цепи подается от генератора. Этот термин обозначает источник питания, батарею или другой объект, способный обеспечить ток и напряжение. Напряжение от генератора должно совпадать требованиями вашей цепи. Представим себе, что источник питания – это струя воды, а ваша цепь представляет собой водяную мельницу. Если мельничное колесо слишком велико, маленькая струя воды не сможет его сдвинуть. Если же струя воды будет слишком высока по сравнению с маленьким мельничным колесом, то падающая вода может повредить или даже полностью его разрушить.
Рис. 1.14. Чтобы повернуть колесо мельницы, струя воды должна иметь соответствующую высоту
Цепь не будет работать, если напряжение источника питания ниже, чем требуемое для цепи. Если мы попытаемся запитать одной батарейкой электрическое устройство, требующее три батарейки, это устройство вряд ли покажет какие-либо признаки жизни. Если мы подключим к этому устройству четыре или пять батареек, мы рискуем сжечь его.
Рис. 1.15. Каждое устройство требует для работы подходящего напряжения
Каждая цепь потребляет определенное количество электрического тока. Если обеспечить ее малым током, цепь не будет работать или включится неправильно. Представьте себе, что вы находитесь на берегу полноводной реки. Допустим, мы установим трубу, из которой будет поступать вода, вращающая мельницу. Что произойдет? Труба наполнится водой, которая будет вращать мельничное колесо.
Рис. 1.16. Река с большой скоростью потока может обеспечить всю необходимую воду
Теперь представьте, что мы на берегу небольшой и ленивой речки, текущей с маленькой скоростью. Если мы установим водозаборную трубу в эту речку, ей будет сложно заполнить трубу, и мельничное колесо не будет вращаться. В моей лаборатории есть регулируемый источник питания, позволяющий выставлять нужное напряжения или ток. Чтобы включить цепь, которая требует 5 В и 1 А тока, я должен выставить напряжение ровно на 5 В (или чуть меньше). Если я повышу напряжение до 7 В, то цепь сгорит (не делайте этого!). Источник питания также имеет регулировку для тока. Если ток установлен на 0 А, то цепь выключена, даже если напряжение правильное, так как ток не поступает (в нашем примере с реками, я будто бы кладу трубу в высохшую реку без воды). Если повысить силу тока до 0,5 А, цепь может начать включаться. Некоторые устройства могут начать работать неправильно или даже повредиться! Доведя ток до одного ампера, цепь будет работать должным образом. Что произойдет, если довести ток до 15 А? Все взорвется? Нет! Это как если бы я опустил трубу в полноводную реку: труба полностью заполнится, и к мельнице будет поступать вся необходимая вода.
