Урок 1: Основы электричества

Электричество — это поток электрических зарядов через проводящий материал. Понимание основных понятий электричества необходимо для работы с электронными схемами.

Электрический заряд

Электрический заряд — это фундаментальное свойство частиц. Существует два типа зарядов: положительные (+) и отрицательные (-).

Протоны — имеют положительный заряд
Электроны — имеют отрицательный заряд
Одноименные заряды — отталкиваются
Разноименные заряды — притягиваются

Электрический ток

Электрический ток — это упорядоченное движение электрических зарядов. Измеряется в амперах (А).

        I = Q / t

Где:
I — сила тока (А - ампер)
Q — заряд (Кл - кулон)
t — время (с - секунда)

1 А = 1 Кл/с
    

1 ампер — это 6.24 × 10¹⁸ электронов в секунду
Миллиампер (мА) — 0.001 А
Микроампер (мкА) — 0.000001 А

Напряжение

Напряжение — это разность электрических потенциалов между двумя точками. Измеряется в вольтах (В).

        U = W / Q

Где:
U — напряжение (В - вольт)
W — работа (Дж - джоуль)
Q — заряд (Кл - кулон)

1 В = 1 Дж/Кл
    

Напряжение — это "давление", которое заставляет ток течь
Аналогия: напряжение похоже на давление воды в трубе
Чем выше напряжение, тем сильнее "толчок" для электронов

Сопротивление

Сопротивление — это свойство материала препятствовать прохождению электрического тока. Измеряется в омах (Ом).

        R = ρ × (L / S)

Где:
R — сопротивление (Ом)
ρ — удельное сопротивление (Ом·м)
L — длина проводника (м)
S — площадь сечения (м²)
    

Проводники — малое сопротивление (медь, алюминий)
Диэлектрики — очень большое сопротивление (резина, пластик)
Полупроводники — среднее сопротивление (кремний, германий)

Закон Ома

Закон Ома — основной закон электрических цепей, связывающий ток, напряжение и сопротивление.

        U = I × R

Или:
I = U / R
R = U / I

Где:
U — напряжение (В)
I — ток (А)
R — сопротивление (Ом)
    

Если увеличить напряжение, ток увеличится
Если увеличить сопротивление, ток уменьшится
Этот закон справедлив для линейных элементов

Электрическая мощность

Мощность — это скорость выполнения работы или передачи энергии. Измеряется в ваттах (Вт).

        P = U × I

Используя закон Ома:
P = I² × R
P = U² / R

Где:
P — мощность (Вт)
U — напряжение (В)
I — ток (А)
R — сопротивление (Ом)
    

1 ватт — 1 джоуль в секунду
Мощность показывает, сколько энергии рассеивается в виде тепла
Важно учитывать мощность при выборе резисторов

Практический пример

Рассчитаем параметры простой цепи: батарейка 9В и резистор 1кОм.

        Дано:
U = 9 В
R = 1000 Ом (1 кОм)

Найти: I и P

Решение:
I = U / R = 9 В / 1000 Ом = 0.009 А = 9 мА

P = U × I = 9 В × 0.009 А = 0.081 Вт = 81 мВт

Или:
P = U² / R = 81 В² / 1000 Ом = 0.081 Вт = 81 мВт
    

Через резистор течет ток 9 мА
На резисторе рассеивается мощность 81 мВт
Можно использовать резистор мощностью 0.125 Вт (1/8 Вт)

Последовательное и параллельное соединение

Элементы в цепи могут быть соединены последовательно или параллельно.

        Последовательное соединение резисторов:
R_total = R1 + R2 + R3 + ...

Параллельное соединение резисторов:
1/R_total = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...

Для двух резисторов:
R_total = (R1 × R2) / (R1 + R2)
    

Последовательно — сопротивления складываются
Параллельно — общее сопротивление меньше наименьшего
Последовательно — один и тот же ток через все элементы
Параллельно — одинаковое напряжение на всех элементах