Введение

Электроника, как инженерная отрасль, сосредоточена на создании хитроумных схем из отдельных компонент. Разработка, выдумывание таких схем часто называется "схемотехникой". Схемами мы зачастую называем не только абстрактный чертеж поясняющий как предполагается соединить компоненты - но и воплощение этого чертежа - некое реальное электронное устройство.

Результатом работы любой схемы (устройства) является обычно манипуляция электрическими сигналами "на выходе". Этот выход может быть например подключен к индикаторам (вроде светодиодов или разнообразных пищалок), к управляющим цепям каких-то сложных агрегатов (реле, двигателей и т.п.), а может быть подключен ко входу следующей схемы (например, выход магнитофона может быть подключен ко входу радиопередатчика - или между собой могут быть соединены оперативная память и центральный процессор компьютера).

Главное, что во всех случаях схема управляет сигналами. А сигналы эти представляют собой изменяющиеся токи или напряжения. Cейчас мы попробуем уяснить разницу между током и напряжением.

Проведем аналогию с движением воды в трубах (инженерных сетях). Электрический ток - это движение неких электрических зарядов (мы никогда их не видели, но верим что они существуют). Водяной ток - это движение частиц воды. Типичный пример устройства водопровода показан на рисунке:

Здесь есть водонапорная башня D и здание, снабжаемое водой B (например, это баня). Башня - это большой резервуар который находится выше чем снабжаемые здания - и благодаря ей в подключенной сети всегда поддерживается определенный напор воды.

Напор воды - это аналог электрического "напряжения". Оно присутствует независимо от того, открыл ли кто-то в бане кран или нет. Точно так же в электрической розетке, на стене в квартире - напряжение есть независимо от того, включили мы в розетку, например, пылесос или нет.

Что же такое ток? Допустим, в бане (подключенной к водонапорной башне) кто-то открыл кран и вода стала набираться со скоростью 1 тазика в минуту. Объём воды за единицу времени - это и есть мера тока (потока) воды. Если открыть 3 крана, ток будет в 3 раза больше.

Точно так же электрический ток - это количество зарядов, протекающих в проводе за единицу времени.

Источники напряжения и тока

Для чего нужна водонапорная башня? Почему нельзя подключить баню, например, к водяному насосу? Представим, что мы так и сделали. И насос подает воду со скоростью 3 таза в минуту. Если 3 человека открыли 3 крана, то каждый наполнит свой таз за 1 минуту. Если же открыт только один кран, то струя воды из него будет хлестать втрое сильнее и таз наполнится всего за 20 секунд. Если теперь этот беспечный человек попытается закрыть кран, то скорее всего часть системы выйдет из строя - либо кран сорвет, либо трубы лопнут.

Таким образом насос, качающий воду с постоянной скоростью - это пример источника тока (тока постоянной, заданной величины). Башня же - это пример источника напряжения. Она обеспечивает нам возможность наполнять тазики со скоростью 1 таз в минуту независимо от того сколько кранов сейчас открыто - конечно, это гораздо удобнее.

На самом деле в системе обычно используются и насос и башня. Насос накачивает воду в башню, например, из озера - а в резервуаре башни устроен поплавок, соединенный с выключателем насоса. Когда воды становится достаточно - насос останавливается. При этом нам не требуется придумывать сложную систему управления производительностью насоса - достаточно лишь включать и выключать его периодически с помощью поплавка.

В электронике (и электротехнике) точно так же порой нам требуется заданное напряжение, порой заданный ток. Например, яркость свечения светодиода определяется проходящим через него током. В то же время многие законченные устройства требуют для питания источник с заданным напряжением (например, аккумулятор).

Связи напряжения и тока

Мы интуитивно себе представляем что поток воды из крана связан с напором (от башни). Чем больше напор, тем быстрее льется вода, особенно это заметно если кран открыт лишь частично. В этом смысле кран является преобразователем напряжения в ток. Аналогично в электронике, например, подключив к источнику напряжения резистор, мы можем судить о напряжении по величине протекающего тока (если умеем ее измерять). Или наоборот, зная напряжение, мы можем угадать какой ток потек.

Кроме того большинство источников напряжения неидеальны и если потреблять от них очень много тока, напряжение на них "проседает". Представим например что в бане кто-то открыл сразу 100 кранов - если водонапорная башня подключена не слишком толстой трубой, то напор воды на стороне бани ощутимо уменьшится и каждый из 100 тазиков наполнится уже не за 1 минуту, а медленнее. Аналогичный эффект наблюдается при подключении мощной (много потребляющей) нагрузки к электрической сети. Например когда мы выдергиваем из розетки утюг или электрочайник - мы часто замечаем что провод или вилка немного нагрелись. Это свидетельствует о том что проходящий ток частично истратил свою энергию в проводах и соединителях, а не в утюге - из-за этого напряжение дошедшее до самого утюга оказалось меньше.