2. Ток и напряжение: сколько и куда

1. Крючок (10 секунд)

В кармане у тебя телефон на 4 вольта. В розетке — 220 вольт. В молнии — сто миллионов. Спор: что опаснее — вольты или амперы? Люди выживают после удара статики в десятки тысяч вольт, но погибают от долей ампера. Сегодня разведём эти две величины по углам — и ты перестанешь их путать навсегда.

2. Сквозная метафора урока: водонапорная башня

• Напряжение — это высота башни (давление воды). Чем выше — тем сильнее «толкает».
• Ток — это сколько воды льётся через трубу каждую секунду.
• Высокая башня может стоять с закрытым краном: давление есть, потока нет. Значит, напряжение может быть без тока. А вот поток без давления — не бывает: ток без напряжения невозможен.

3. Адаптированное ядро

Блок 1. Заряд: считаем «толпу»

Заряд одного электрона крошечный. Чтобы не тонуть в нулях, ввели крупную единицу — кулон (Кл).

Где $Q$ — электрический заряд, единица — кулон (Кл). Один электрон несёт $1{,}6\times10^{-19}$ Кл.

Блок 2. Ток: скорость потока заряда

Ток — это сколько заряда проходит через сечение провода за секунду.

• $I$ — ток, ампер (А);
• $Q$ — прошедший заряд, кулон (Кл);
• $t$ — время, секунда (с).

1 ампер = 1 кулон в секунду. Если за 1 с мимо точки пробежало 2 Кл — это 2 А.

Ток бывает большой и крошечный, поэтому пользуются приставками: мА ($10^{-3}$ А), мкА ($10^{-6}$ А), нА ($10^{-9}$ А), кА ($10^{3}$ А).

Блок 3. Куда течёт ток: две стрелки

Тут ловушка, которую надо проговорить честно:

• Условный ток (то, как рисуют в схемах и как считают): течёт от «+» к «–».
• Электронный поток (реальные электроны): течёт от «–» к «+» (электрон «–» тянется к «+»).

Они противоположны. На расчёты это не влияет — важно быть последовательным. Все стрелки на диодах, транзисторах, источниках показывают условное направление (от плюса).

Блок 4. Напряжение: движущая сила

Напряжение $V$ — это «давление», разность потенциалов, которая гонит электроны. Строго: сколько работы нужно, чтобы перенести заряд.

• $V$ — напряжение, вольт (В);
• $W$ — работа/энергия, джоуль (Дж);
• $Q$ — заряд, кулон (Кл).

1 вольт = 1 джоуль на кулон. То есть 1 В — это когда на перенос 1 Кл тратится 1 Дж энергии.

Приставки: мВ, мкВ, кВ, МВ.

Блок 5. Постоянное и переменное (DC и AC)

• DC (постоянное) — напряжение держится ровно: батарейка 1.5 В, 5 В, 12 В. На осциллографе — прямая линия.
• AC (переменное) — качается вверх-вниз по времени: розетка 220 В (в UK 230 В, в США 110 В). На осциллографе — волна (синусоида).

Наш прибор — на DC. Но увидеть разницу на экране важно.

4. Концептуальный чек-ап

5. Разбор задачи (пошагово)

Дано: через светодиод за $t = 5$ с прошёл заряд $Q = 0{,}1$ Кл. Найти ток $I$.

6. Практика на верстаке

Сборка A — «Измеряем ток» (базовая)

Что собрать: батарейка → резистор 330 Ω → светодиод, в разрыв включён мультиметр в режиме мА. Что увидеть: ток около 8–15 мА, светодиод горит. Предел: замени резистор на 1 кΩ — ток упал, светодиод потускнел. Убери резистор совсем (кратко!) — ток скакнёт, светодиод рискует сгореть. Вывод: током надо управлять.

Сборка B — «Измеряем напряжение» (базовая)

Что собрать: та же цепь, мультиметр в режиме В, параллельно светодиоду. Что увидеть: на светодиоде ~1.8–3 В (падение), остальное — на резисторе. Сумма = напряжению батареи. Предел: измеряй по очереди на каждом элементе — увидишь, как напряжение «делится» по цепи (мостик к уроку 5).

Сборка C — «DC против AC на осциллографе» (продвинутая)

Что собрать: канал 1 осциллографа Rigol DS804 на батарейку (DC), канал 2 — на генератор сигналов (синус, 1–2 В, 100 Гц). Что увидеть: DC — прямая линия; AC — живая волна. Предел: крути частоту генератора — волна сжимается/растягивается. Крути амплитуду — растёт по высоте. Это первый раз, когда экран показывает твой сигнал, а не чужой ролик.

7. Разноуровневые задания (5 шт.)

8. Итог урока (30 секунд)

Башня и труба. Напряжение — высота башни (давит), ток — сколько воды льётся (течёт). Давление без потока бывает, поток без давления — нет. Мы научились мерить оба сигнала прибора.

Дополнительные вопросы