Ток, напрежение, съпротивление

Веригата

Източникът на напрежение (батерията), проводниците и консуматорът (крушка или резистор) образуват затворена електрическа верига. Ако веригата е прекъсната някъде, ток няма.

• Електричният ток I се мери в ампери (A) с амперметър. Амперметърът се свързва последователно – токът минава през него.
• Електричното напрежение U се мери във волтове (V) с волтметър. Волтметърът се свързва успоредно на консуматора – „от двете му страни“.

Изненада: амперметърът преди крушката и амперметърът след нея показват едно и също. Токът не „се изразходва“ в крушката. Изразходва се енергията – крушката свети и се нагрява.

Съпротивление

Колко силно консуматорът „пречи“ на тока, показва неговото електрично съпротивление R. То е отношението на напрежението към тока:

R = U / I

Мерната единица е ом (Ω): 1 Ω = 1 V / 1 A. Например крушка, през която при 3,5 V тече ток 0,25 A, има съпротивление 3,5 V / 0,25 A = 14 Ω.

Какво ще видиш в опита

• Същият консуматор, по-голямо напрежение: токът расте толкова пъти, колкото пъти расте напрежението. Графиката на тока спрямо напрежението е права линия през нулата – без напрежение няма ток.
• Същото напрежение, по-голямо съпротивление: токът намалява. При двойно съпротивление токът е наполовина. Графиката е крива, която пада, но никога не стига точно нула.
• Двойно напрежение и двойно съпротивление: токът не се променя.
• Една и съща батерия дава различен ток на различни консуматори. Батерията не дава „постоянен ток“ – постоянно е нейното напрежение.

Мощност, топлина и енергия

Мощността на тока в консуматора показва колко енергия той получава за 1 секунда:

P = U · I

Мери се във ватове (W). За време t консуматорът получава енергия E = U · I · t (в джаули, J) и отделя топлина Q = I² · R · t. Сметките за ток вкъщи са в киловатчасове: 1 kWh = 3 600 000 J.

Аха! При двойно напрежение и токът става двоен, затова мощността става четири пъти по-голяма.

Защо крушката изгаря

Всяка крушка е направена за определено напрежение. Крушката за фенерче в симулацията е за 3,5 V и 0,25 A – тогава мощността ѝ е 0,875 W и тя свети нормално.

• С 3 батерии по 1,5 V (4,5 V) тя свети много ярко – мощността е около 1,45 W – но издържа.
• С 4 батерии (6 V) мощността е около 2,57 W, почти 3 пъти над нормалната, и крушката изгаря. Изгорялата крушка прекъсва веригата и токът спира.

В симулацията крушката изгаря, ако мощността ѝ остане поне два пъти над нормалната за 0,3 секунди. Това е правило на играта: истинските крушки нямат точна граница – нишката им прегрява по-бързо при по-голяма мощност.

Знаеш ли, че… съпротивлението на истинската крушка расте, когато нишката ѝ се нагрее? Затова при истинска крушка графиката на тока спрямо напрежението не е съвсем права. В симулацията крушката има постоянно съпротивление, за да се вижда ясно основната зависимост.

Безопасност

Опитите с батерии от училищния комплект са безопасни. С контактите вкъщи никога не се експериментира. Ако амперметър се свърже успоредно на консуматора, се получава късо съединение – много голям ток, който нагрява проводниците. Затова веригите имат предпазители, а проводниците – изолация.