Ток и напряжение

Любая плата — это дорожки, по которым бегут заряды, и компоненты, которые этими зарядами управляют. Прежде чем рисовать дорожки, нужно понять две величины, без которых не обходится ни одна схема: ток и напряжение.

Заряд

Всё начинается с электрического заряда. Носители заряда в металле — электроны, они могут свободно двигаться внутри проводника. Заряд измеряют в кулонах (Кл). Один кулон — это заряд примерно 6,24·10¹⁸ электронов: огромное число, поэтому в схемах про отдельные электроны никто не думает, считают сразу кулонами и амперами.

Ток

Ток (current) — это скорость, с которой заряд проходит через сечение проводника:

I = q / t

Единица тока — ампер (А): один кулон в секунду. Обозначение на схемах и в формулах — буква I.

Важное свойство: ток не «расходуется» по дороге. Сколько зарядов вошло в резистор с одной стороны, столько и вышло с другой. Лампочка или резистор забирают у зарядов энергию, а не сами заряды.

💡Совет

Направление тока на схемах — условное: от плюса источника к минусу. Электроны в металле на самом деле движутся наоборот, но так договорились ещё до открытия электрона, и все формулы и обозначения (стрелки у диодов и транзисторов) построены на условном направлении. Пользуйся им и не путайся.

Напряжение

Напряжение (voltage) — это работа, которую нужно совершить, чтобы перенести единичный заряд из одной точки в другую. Его ещё называют разностью потенциалов. Единица — вольт (В): чтобы перенести заряд 1 Кл между точками с разностью 1 В, нужна работа 1 Дж.

Ключевое слово здесь — между. Напряжение всегда измеряется между двумя точками. Фраза «на этом проводе 5 вольт» имеет смысл только тогда, когда понятно, относительно чего.

Водопроводная аналогия

Электричество не видно, поэтому удобно представлять его как воду в трубах:

Рис. 1.1. Разность уровней воды толкает воду по трубе, сужение ограничивает расход. Так же напряжение толкает заряды через проводник, а резистор ограничивает ток.

• Напряжение ≈ давление (разность уровней воды). Чем выше верхний бак над нижним, тем сильнее вода стремится течь.
• Ток ≈ расход воды, то есть сколько литров в секунду проходит через трубу.
• Сопротивление ≈ сужение трубы. Чем уже место, тем меньше расход при том же давлении. Об этом урок 1.2.

У аналогии есть пределы: вода может вытечь из открытой трубы, а ток без замкнутой цепи не течёт вообще. Цепь всегда должна быть замкнута: от источника через нагрузку и обратно к источнику.

«Земля» — точка отсчёта

Раз напряжение измеряется между двумя точками, в схеме нужна общая точка отсчёта. Её называют «земля», общий провод или GND (ground) и договариваются считать её потенциал равным 0 В. Когда на схеме пишут «в точке A +9 В», это означает «+9 В относительно земли».

Рис. 1.2. Напряжения точек A и B отсчитываются от «земли» (0 В). Вольтметр всегда показывает разность между двумя точками: UAB = 9 − 4,5 = 4,5 В.

На рисунке: батарейка 9 В, два одинаковых резистора. Минус батарейки соединён с землёй, значит точка A — это +9 В, а точка B ровно посередине — +4,5 В. Если поставить щупы вольтметра на A и B, он покажет разность: 9 − 4,5 = 4,5 В.

📖Из учебникагл. 1, §1.01, с. 8–10

Хоровиц определяет напряжение как энергию, которая выделяется, когда единичный заряд «сползает» от высокого потенциала к низкому, а ток — как скорость перемещения заряда в точке. На с. 10 сформулированы три правила, которые понадобятся в уроках 1.3 и 1.4: сохранение тока в узле, сумма напряжений в контуре и мощность P = U·I.

🛠Особенность Altium

В Altium «земля» — это не компонент, а порт питания (Power Port) со стилем Ground. Все порты с одинаковым именем (например, GND) Altium считает одной электрической цепью, даже если они нарисованы в разных углах схемы. Подробно — в модуле 7, урок 7.3.

Приставки

Напряжения и токи в электронике бывают очень разными, поэтому всегда используют приставки:

Приставка	Множитель	Пример
мега (М)	10⁶	1 МОм — входное сопротивление мультиметра 10 МОм
кило (к)	10³	4,7 кОм
милли (м)	10⁻³	20 мА — типичный ток индикаторного светодиода
микро (мк)	10⁻⁶	10 мкА — ток спящего микроконтроллера
нано (н)	10⁻⁹	100 нФ — развязывающий конденсатор
пико (п)	10⁻¹²	22 пФ — конденсатор у кварца

Регистр важен: м — милли, М — мега. 1 мВт и 1 МВт отличаются в миллиард раз.

С какими величинами ты будешь работать

Что	Напряжение	Ток
USB-порт компьютера	5 В	до 0,5–0,9 А (USB 2.0/3.x), больше — с USB Power Delivery
Батарейка AA	1,5 В (новая)	сотни мА
Литиевый аккумулятор	3,0–4,2 В	единицы ампер
Логика микроконтроллера	3,3 В или 5 В	мА на вывод
Индикаторный светодиод	~2 В (красный)	2–20 мА

Практика

Altium появится в модуле 6. Пока тренируем то, без чего схему в САПР не нарисуешь, — умение видеть напряжения в цепи.

1. Посмотри на рис. 1.2 и найди напряжение точки A относительно B. (Ответ: +4,5 В. Если перепутать щупы, будет −4,5 В.)
2. Представь, что землю перенесли на точку B. Какими станут напряжения точек A и минуса батарейки? (A = +4,5 В, минус = −4,5 В. Схема та же, поменялась только точка отсчёта.)
3. Переведи: 0,047 А = … мА; 3300 мВ = … В; 2,2 кОм = … Ом. (47 мА; 3,3 В; 2200 Ом.)

🧯 Типичные ошибки

«Напряжение в точке» без точки отсчёта

Почему Напряжение существует только между двумя точками. Без указания второй точки число ничего не значит.

Как исправить Всегда уточняй «относительно чего». По умолчанию на схемах — относительно GND.

Перепутаны м и М

Почему 1 мОм = 0,001 Ом, а 1 МОм = 1 000 000 Ом. Ошибка в регистре — ошибка в миллиард раз.

Как исправить Пиши приставки аккуратно: строчная м — милли, заглавная М — мега.

Кажется, что ток «тратится» в нагрузке

Почему Резистор или светодиод забирают энергию, но не заряды. Ток на входе и на выходе элемента одинаковый.

Как исправить Запомни: в последовательной цепи ток везде один и тот же (это закон Кирхгофа, урок 1.4).

Проверь себя

1. 1. Что такое электрический ток?

   Энергия, запасённая в проводеСкорость, с которой заряд проходит через сечение проводникаРазность потенциалов между двумя точками
2. 2. Вольтметр подключён к точкам с потенциалами +5 В и +3,3 В относительно земли. Что он покажет?

   8,3 В1,7 В3,3 В5 В
3. 3. Зачем на схеме обозначают «землю» (GND)?

   Чтобы ток уходил в землю и не бил токомЭто общая точка отсчёта, относительно которой указывают напряженияЭто обязательный провод для любой платы, иначе она не заработает
4. 4. Через светодиод течёт ток 20 мА. Какой ток выходит из его второго вывода?

   Меньше 20 мА: часть тока ушла в свет20 мАБольше 20 мА

🎯Практическое задание~20 мин

Найди дома три устройства с блоком питания или батарейками: зарядку телефона, роутер, пульт. На наклейке или корпусе обычно написаны выходное напряжение и ток, например 5V ⎓ 2A. Выпиши их в таблицу и для каждого переведи ток в миллиамперы. Знак ⎓ означает постоянный ток (об этом урок 1.7).