Введение в электронику. Закон Ома

Серия статей известного автора множества радиолюбительских публикаций  Дригалкина В.В.  для начинающих радиолюбителей

Доброго дня уважаемые радиолюбители!
Приветствую вас на сайте “Радиолюбитель“

Закон Ома

В школе Вы, несомненно, проходили, а, если еще нет – обязательно будете изучать Закон Ома. Он определяет соотношение между напряжением, силой тока и сопротивлением проводника в электрической цепи. Назван в честь его первооткрывателя Георга Ома.

Суть закона следующая: порождаемый напряжением ток обратно пропорционален сопротивлению, которое ему приходится преодолевать, и прямо пропорционален порождающему напряжению.

Именно такое определение содержит учебник по физике. Я же попробую объяснить этот процесс на примере с водопроводной трубой. Припоминаете, что такая же аналогия использовалась, когда мы говорили о токе? Представьте себе, что вода – некое подобие электрического тока, образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение – аналог давления (напора) воды.

Сопротивление – это та сила противодействия среды их движению, которую приходится преодолевать электронам (воде), в результате выделяется теплота. Именно такая модель представлялась Георгу Ому в 1820-е годы, когда он занялся исследованием природы происходящего в электрических цепях. Чем выше давление воды в трубе, тем относительно большая доля энергии расходуется на преодоление сопротивления, поскольку в трубах усиливается турбулентность потока. Из этого исходил Ом, приступая к опытам по измерению зависимости силы тока от напряжения. Очень скоро выяснилось, что ничего подобного в электрических проводниках не происходит: сопротивление вещества электрическому току вовсе не зависит от приложенного напряжения. В этом, по сути, и заключается закон Ома, который (для отдельного участка цепи) записывается так:
I = V/R
,
В этой формуле I – сила тока, V – напряжение, приложенное к участку цепи, а R – электрическое сопротивление участка цепи  (см. Рис. 1).

На этой схеме V иногда называют электродвижущей силой (ЭДС) , которая создает ток I. Этот ток, протекая по сопротивлениям, создает на них падения напряжения. Так если сопротивлений два, то XJ1 + U2 = ЭДС. Причем XJ1 = IRx, U2 = IR2. В реальных условиях эта схема содержит целых три сопротивления: R (сопротивление участка цепи), внутреннее сопротивление амперметра и внутреннее сопротивление источника тока.

Сегодня мы понимаем, что электрическая проводимость обусловлена движением свободных электронов, а сопротивление – столкновением этих электронов с атомами кристаллической решетки. При каждом таком столкновении часть энергии свободного электрона передается атому, который, начинает колебаться более интенсивно, и в результате мы наблюдаем нагревание проводника под действием электрического тока. Повышение напряжения в цепи никак не сказывается на доле тепловых потерь такого рода, и соотношение напряжения и электрического тока остается постоянным.

Однако, когда Георг Ом сформировал свой закон, атомная теория строения вещества находилась в зачаточном состоянии, а до открытия электрона было еще несколько десятилетий. Таким образом, для него формула I = V/R была чисто экспериментальным результатом. Сегодня мы имеем достаточно стройную и одновременно сложную теорию электропроводности и понимаем, что закон Ома в его первозданном виде – всего лишь грубое приближение. Однако это не мешает нам с успехом использовать его для расчета самых сложных электрических цепей, применяющихся в промышленности и быту. Так как же применить Закон Ома на практике? Возьмем, к примеру, светодиод, который необходимо “запитать” от 9 В. Источником питания будет батарейка типа РРЗ, известная в народе как “Крона” (см. Рис. 2).
Если светодиод подключить в “Кроне” напрямую, он попросту сгорит. Светодиод имеет определенное напряжение и силу тока, которая через него может проходить . В большинстве случаев ток ограничивается несколькими десятками мА (миллиампер) и напряжение 2. .4,5 В. Яркие светодиоды обычно рассчитаны на напряжение 3 В и ток 30 мА, т.е. при данном токе потребления светодиод находится под напряжением 3 В. Следовательно, напряжение на светодиоде зависит от тока и по Закону Ома, для нормальной работы светодиода нужно подобрать всего лишь сопротивление (R) в цепи светодиода (см. Рис. 2).

Для начала необходимо получить разность напряжения питания цепи от напряжения светодиода: 9 – 3 = 6 В. Переводим ток светодиода в амперы: 30 мА = 0,03 А. И находим сопротивление, поделив полученное напряжение на ток светодиода: 6/0,03 = 200 Ом. Отсюда следует, что резистор R в данной цепи должен иметь сопротивление 200 Ом. Вот так мы применили на практике Закон Ома. Понятное дело, что более сложные цепи требует сложнейших расчетов. Здесь мы сделает отступление, чтобы получше узнать батарейку. Батарейка – источник электричества для автономного питания разнообразных устройств, который делится на солевые, щелочные и литиевые (Рис. 3). Солевые батарейки предназначены для использования в приборах с низким потреблением энергии, например, в пультах дистанционного управления.

Щелочные элементы (Alkalin) идеально подходят для питания настольных часов. Литиевые батарейки обычно имеют напряжение, кратное 3 В, и нашли применение в компьютерных системных платах (материнских) для сохранения настроек BlOSa. Цилиндрические батарейки имеют несколько типов: “AAA” (мизинчиковые), “АА” (пальчиковые) , “С” и “D” . Чем больше размером батарейка, тем большей мощностью она обладает. 3R12 пришла к нам из XX века и сегодня практически не применяется в устройствах, ведь ее можно составить из трех последовательно соединенных полторовольтовых батареек: 1,5В + 1,5В + 1,5В = 4,5В. Старение батареек приводит к химической реакции, которая разрушает корпус источника питания. Поэтому батарейки текут. Хотя производители и заявляют, что герметизация корпуса стала идеальной, даже дорогие батарейки протекают. Предупредить этот процесс можно периодической проверкой срока годности.

Какие только детали не потребуются для изготовления электронных схем. Здесь и резисторы, и транзисторы, и конденсаторы, и диоды… Из всего разнообразия деталей необходимо выбрать по внешнему виду нужную, расшифровать надпись на ее корпусе, определить выводы и распознать ее на принципиальной схеме.

О том, как это сделать, и будет рассказано далее. Принципиальная схема – изображение устройства в виде значков, которые в реальности представляют радиодетали, и связующих между ними линий (соединений). Рядом с каждым из таких элементов указывают их буквенно-цифровой индекс и номинал . Например, прямоугольником обозначают резистор, а надпись рядом с ним Rl lO kOm расшифровывается так: R – резистор; 1 – его индекс; lO kOm – сопротивление.


Перейти к следующей статье: “Резисторы”



09-д. Закон Ома для участка цепи

      § 09-д. Закон Ома для участка цепи

В § 8-и мы начали знакомство с физической величиной «электрическое сопротивление». Продолжим его – проделаем опыт. Нам потребуются источник электроэнергии, амперметр, вольтметр, реостат и два резистора (две нихромовые спирали) с различными сопротивлениями.

Соберём цепь, как показано на рисунке слева или на схеме в конце параграфа. Перемещая движок реостата, поочерёдно установим значения силы тока 0,4 А, 0,6 А, 0,8 А, 1 А. Запишем показания амперметра и вольтметра в таблицу. Повторим опыт, заменив резистор, и дополним таблицу:

Примеры экспериментальных значений силы тока и напряжения на двух различных проводниках: равным силам токов соответствуют различные напряжения.

  Первый резистор Второй резистор
I , A 0,4 0,6 0,8 1,0 0,4 0,6
0,8
1,0
U , В 1,6 2,4 3,2 4,0 2,4 3,6 4,8 6,0
Поделив напряжение на силу тока, обнаружим закономерность:
R = U/I 4 4 4 4 6 6 6 6

Закономерность в том, что вне зависимости от значений напряжения и силы тока их частное остаётся постоянным для каждого резистора.

Проверьте: после деления каждого числа строки (U, В) на расположенное над ним число строки (I, А) получаются одинаковые результаты во всех колонках левой половины таблицы: 4 В/А и во всех колонках правой половины таблицы: 6 В/А. Это показывает, что величина R является характеристикой именно изучаемого участка цепи – резистора.

Заметим, что эта закономерность всегда справедлива для металлических проводников в твёрдом или жидком состоянии; для других проводников она справедлива не всегда. Однако величину R, равную отношению U/I, всегда называют электрическим сопротивлением проводника независимо от его материала и состояния, а 1 В/А называют 1 Ом. Следовательно, 1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором возникнет ток 1 А, если на концах проводника напряжение 1 В.

Связь между величинами U, I, R обычно записывается в виде формулы, известной как закон Ома для участка цепи

:

Закон Ома для участка цепи: сила тока в твёрдом металлическом проводнике прямо пропорциональна приложенному к его концам напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника.

              I   =    U                

I   – сила тока в участке цепи, А
U – приложенное напряжение, В
R – сопротивление участка цепи, Ом

R

Чтобы выяснить, как следует прочитать эту формулу, вспомним знания по алгебре о видах пропорциональности величин.

Пояснение прямой и обратной пропорциональностей величин в законе Ома для участка цепи.

прямая пропорциональность:     Y  =  k · X     →    I  =  1/R · U
   
обратная пропорциональность: Y  =  k / X     →    I  =  U / R

Из первой строки следует: при постоянном сопротивлении величина 1/R тоже постоянна, поэтому сила тока прямо пропорциональна напряжению на концах участка цепи. Из второй строки: при постоянном напряжении сила тока обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи. Объединяя это, получаем формулировку закона Ома для участка цепи: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.

Примечание. С точки зрения алгебры, формулу закона Ома можно записать в такой форме: U=I·R. Применим её для изучения цепи, изображённой на схеме. Допустим, клеммы A и B присоединены к источнику с напряжением 10 В, однако вольтметр позволяет измерить напряжение не более 6 В (см. рисунок в начале параграфа). Поэтому нам нужно создать падение напряжения на реостате на 4 В или более. Как это сделать? Чем правее мы смещаем движок, тем больше сопротивление реостата, и, согласно формуле U=I·R, больше напряжение на реостате, которое и называют падением напряжения. В результате на резисторе напряжение снижается и может стать менее 6 В, что нам и нужно.

В вашем браузере отключен Javascript.
Чтобы произвести расчеты, необходимо разрешить элементы ActiveX!