Что такое напряжение и почему вольт равен джоулю на кулон

Напряжение между двумя точками показывает, сколько энергии приходится на единицу электрического заряда при его перемещении между этими точками. Поэтому напряжение — не сама энергия и не сам ток. Для простого участка цепи постоянного тока его удобно понимать через соотношение U = W/q, где W — переданная энергия, а q — прошедший заряд.

Почему единица называется вольтом

Один вольт означает один джоуль на один кулон: 1 В = 1 Дж/Кл. Например, если при прохождении заряда 2 Кл через некоторый элемент передаётся 12 Дж энергии, напряжение на элементе равно 6 В. При прохождении большего заряда общая энергия будет больше, хотя напряжение может остаться тем же.

Единицы напряжения, энергии, тока и заряда и их связи определены в брошюре Международного бюро мер и весов о системе СИ. Название «вольт» дано единице измерения; оно не означает, что напряжение является особым веществом внутри провода. Это физическая величина, которую определяют между точками, а не «в одной точке» без выбранного отсчёта.

Чем напряжение отличается от тока

Ток — скорость переноса заряда: I = q/t. Ампер равен кулону в секунду. Поэтому ваше понимание «количество электронов за секунду» близко по идее, но точнее говорить именно о заряде: носителями могут быть не только электроны. В металле электроны дрейфуют против условного направления тока. Условное направление выбрано как направление движения положительного заряда.

Батарейка может иметь напряжение между выводами при разомкнутой внешней цепи, когда ток через нагрузку отсутствует. После подключения подходящего резистора возникает ток. Для резистора в пределах применимости закона Ома I = U/R. Поэтому одинаковое напряжение создаёт разный ток при разных сопротивлениях; ток не «записан» в напряжении заранее.

Где здесь ЭДС, работа и аналогия с водой

ЭДС характеризует работу источника по переносу единицы заряда силами неэлектростатического происхождения. У батарейки эту роль выполняют химические процессы. ЭДС тоже измеряется в вольтах, но при протекании тока напряжение на внешних выводах может отличаться от неё из-за внутренних потерь. В простой модели разряжающейся батареи U = ЭДС − I×r, где r — внутреннее сопротивление.

Сравнение с давлением воды помогает представить разность условий, вызывающую поток, но не является определением. Давление не измеряется в вольтах, и электрическая цепь не обязана вести себя как водопровод. Если аналогия запутывает, достаточно связки: напряжение — энергия на заряд, ток — заряд за время, мощность — энергия за время.

При постоянных величинах из этих определений получается P = U×I. Например, 12 В и 2 А соответствуют мощности 24 Вт, то есть передаче 24 Дж каждую секунду. Этот пример соединяет четыре понятия без противоречия: источник поддерживает напряжение, по замкнутой цепи идёт ток, нагрузка получает энергию, а скорость её передачи называется мощностью.