Нахождение тока, напряжения, мощности

Электричество само по себе невидимо, хотя от этого его опасность ничуть не меньше. Даже наоборот: как раз потому и опаснее. Ведь если бы мы его видели, как видим, например, воду, льющуюся из крана, то наверняка бы избежали множества неприятностей.

Вода. Вот она, водопроводная труба, и вот закрытый кран. Ничего не течет, не капает. Но мы точно знаем: внутри вода. И если система исправно работает, то вода эта там находится под давлением. 2, 3 атмосферы, или сколько там? Неважно. Но давление там есть, иначе система бы не работала. Где-то гудят насосы, гонят воду в систему, создают это самое давление.

А вот наш провод электрический. Где-то далеко, на другом конце тоже гудят генераторы, вырабатывают электричество. И в проводе от этого тоже давление... Нет-нет, не давление, конечно, тут в этом проводе напряжение. Оно тоже измеряется, но в своих единицах: в вольтах.

Давит в трубах на стенки вода, никуда не двигаясь, ждет, когда найдется выход, чтобы ринуться туда мощным потоком. И в проводе молча ждет напряжение, когда замкнется выключатель, чтобы потоки электронов двинулись выполнять свое предназначение.

И вот открылся кран, потекла струя воды. По всей трубе течет, двигаясь от насоса к расходному крану. А как только замкнулись контакты выключателя, в проводах потекли электроны. Что это за движение? Это ток. Электроны текут. И это движение, этот ток тоже имеет свою единицу измерения: ампер.

И еще есть сопротивление. Для воды это, образно говоря, размер отверстия в выпускном кране. Чем больше отверстие, тем меньше сопротивление движению воды. В проводах почти также: чем больше сопротивление провода, тем меньше ток.

Вот, как-то так, если образно представлять себе основные характеристики электричества. А с точки зрения науки все строго: существует так называемый закон Ома. Гласит он следующим образом:

I =U/R.
I - сила тока. Измеряется в амперах.
U - напряжение. Измеряется в вольтах.
R - сопротивление. Измеряется в омах.

Есть еще одно понятие - мощность, W. С ним тоже просто: W = U*I. Измеряется в ваттах.

Собственно, это вся необходимая и достаточная для нас теория. Из этих четырех единиц измерения в соответствии с вышеприведенными двумя формулами можно вывести некоторое множество других:

Задача Формула Пример
Узнать силу тока, если известны напряжение и сопротивление. I = U/R I = 220 в / 500 ом = 0.44 а.
Узнать мощность, если известны ток и напряжение. W = U*I W = 220 в * 0.44 а = 96.8 вт.
Узнать сопротивление, если известны напряжение и ток. R = U/I R = 220 в / 0.44 а = 500 ом.
Узнать напряжение, если известны ток и сопротивление. U = I*R U = 0.44 а * 500 ом = 220 в.
Узнать мощность, если известны ток и сопротивление. W = I2*R W = 0.44 а * 0.44 а * 500 ом = 96.8 вт.
Узнать мощность, если известны напряжение и сопротивление. W = U2/R W = 220 в * 220 в / 500 ом = 96.8 вт.
Узнать силу тока, если известны мощность и напряжение. I = W/U I = 96.8 вт / 220 в = 0,44 а.
Узнать напряжение, если известны мощность и ток. U = W/I U = 96.8 вт / 0.44 а = 220 в.
Узнать сопротивление, если известны мощность и напряжение. R = U2/W R = 220 в * 220 в / 96.8 вт = 500 ом.
Узнать сопротивление, если известны мощность и ток. R = W/I2 R = 96.8 вт / (0,44 а * 0,44 а) = 500 ом.

Есть еще одно обстоятельство, о котором следует упомянуть в контексте этой статьи. В электроэнергетике используется так называемый "переменный" ток. То есть, те самые электроны движутся в проводах не всегда в одном направлении, они постоянно меняют его: вперед-назад-вперед-назад... И эта смена направления движения - 100 раз в секунду.

Погоди, но ведь везде говорится, что частота 50 герц! Да, именно так и есть. Частота измеряется в количестве периодов за секунду, но в каждом периоде ток меняет свое направление дважды. Иначе сказать, в одном периоде две вершины, которые характеризуют максимальное значение тока (положительное и отрицательное), и именно в этих вершинах происходит смена направления.

Не будем вдаваться в подробности более глубоко, но все же: почему именно переменный, а не постоянный ток?

Вся проблема в передаче электроэнергии на большие расстояния. Тут как раз вступает в силу неумолимый закон Ома. При больших нагрузках, если напряжение 220 вольт, сила тока может быть очень большой. Для передачи электроэнергии с таким током потребуются провода очень большого сечения.

Выход здесь только один: поднять напряжение. Седьмая формула говорит: I = W/U. Совершенно очевидно, что если мы будем подавать напряжение не 220 вольт, а 220 тысяч вольт, то сила тока уменьшится в тысячу раз. А это значит, что сечение проводов можно взять намного меньше.

А поднять напряжение перед подачей в линию и опустить его на другом конце можно, применяя трансформаторы. Это всем известные устройства, от которых мы и получаем электроэнергию на местах. Но вообще-то на электростанциях и вырабатывается генераторами не постоянный, а именно переменный ток частотой 50 герц.