Закон Ома для участка цепи
Пожалуй, закон Ома для участка цепи является основой электротехники и электроники.
Любое
Пособие по физике для поступающих в вузы
описывает Закон Ома и любой инженер должен его знать. Этот закон настолько прост, что его, по идее,
должен знать и понимать каждый школьник. Однако я встречал людей с высшим техническим
образованием, которые не знали как рассчитать простейшую электрическую цепь из
двух резисторов. И это не шутка. Именно поэтому я решил написать небольшую статью,
посвящённую Закону Ома для участка цепи. Постараюсь сделать это понятными словами.
Закон Ома для участка цепи определяет зависимость между силой тока в проводнике и
напряжением (разностью потенциалов) между двумя точками этого проводника. Эти точки
ещё называют сечениями. Почему? Проводник, каким бы он ни был (круглым, квадратным
или любой другой формы) можно мысленно рассечь (см. рис. 1). Это и будет сечение.
А ещё есть понятие площадь поперечного сечения (обычно, когда говорят «сечение» по отношению
к проводнику, то как раз и подразумевают площадь поперечного сечения, но это уже другая тема).
Рис. 1. Сечение проводника.
В 1826 г. немецким учёным Георгом Омом (1787-1854) было замечено, что отношение разности
потенциалов (напряжения) на концах металлического проводника к силе тока является величиной
постоянной, то есть:
U/I = R = const
Эта величина зависит от геометрических свойств проводника (то есть от его размеров,
в частности, от площади поперечного сечения), а также от его электрических свойств
и температуры. Эта величина называется омическим (активным) сопротивлением,
или просто сопротивлением.
Определение закона Ома для участка цепи следующее
Сила тока прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) на концах участка
цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка:
I = U/R
- Где
- U – напряжение на данном участке цепи
- R – сопротивление данного участка цепи
|
Омическое сопротивление проводника
Сопротивление проводника – это основная электрическая характеристика проводника.
Эта характеристика определяет упорядоченное перемещение носителей тока в этом проводнике
(или на участке цепи).
Единица измерения омического сопротивления в СИ – ом (Ом). Проводник имеет сопротивление
1 Ом, если при силе тока в этом проводнике 1 А разность потенциалов (напряжение)
на его концах равна 1 В, то есть
1 Ом = 1 В / 1 А
Иными словами, если взять проводник, по которому течёт ток силой 1 А,
отмерить отрезок этого проводника таким образом, чтобы напряжение на концах
этого отрезка было равно 1 В, то сопротивление этого отрезка будет 1 Ом (рис. 2).
Рис. 2. Сопротивление проводника.
Немного практики
Как говаривал один известный товарищ – теория без практики мертва. Надеюсь, что всё прочитанное выше вы поняли. Но остался один вопрос – зачем это надо? Где можно применить полученные знания на практике?
Приведу два простых примера, которые, однако, используются очень часто в электронике.
Делитель напряжения
Довольно часто приходится сталкиваться с необходимостью понизить напряжение,
например, с 12 до 3 вольт. Сделать это можно с помощью двух резисторов (см. рис. 3).
Если вы не знаете, что такое резисторы, то советую ознакомиться со статьёй
РЕЗИСТОРЫ.
Ну а если знаете, то дальше можете прочитать о том, как это сделать.
Задача, в общем-то, не сложная. Требуется подобрать два резистора таким образом,
чтобы падение напряжения на одном из них составляло 3 вольта, а на втором – (12 – 3) = 9
вольт (для нашего примера). Кроме того, необходимо знать ток, который должен
протекать в цепи. Допустим, что в нашем случае ток должен быть равен 50 мА (0,05 А).
Тогда, используя закон Ома для участка цепи, вычислим полное сопротивление цепи,
то есть общее сопротивление резисторов R1 и R2:
R = U/I = 12 В / 0,05 А = 240 Ом
Напомню, что все единицы измерения должны соответствовать принятым в СИ,
то есть напряжение измеряется в ВОЛЬТАХ, ток – в АМПЕРАХ, а сопротивление – в ОМАХ.
Поскольку на любом участке цепи из последовательно включенных элементов ток одинаков, то вычислить сопротивление резисторов
R2 и R1 не составит труда:
R1 = U1 / I = 9 / 0,05 = 180 Ом
R2 = U2 / I = 3 / 0,05 = 60 Ом
Ну вот и всё. Задача решена. Однако использовать такой делитель нужно с умом.
Ведь любая нагрузка имеет своё сопротивление, которое называется входным сопротивлением.
Это значит, что, подключив нагрузку к выходу делителя, мы тем самым уменьшим сопротивление
цепи, а это, в свою очередь, увеличит ток в цепи и падение напряжения на резисторе R1
увеличится, а на нагрузке, соответственно, уменьшится. Что из этого следует? А следует
из этого тот печальный факт, что сколь-нибудь мощную нагрузку подключать к выходу
делителя нецелесообразно. Поэтому такие делители используются в основном, в электронных схемах,
где протекают относительно небольшие токи.
Если интересно, то вы можете немного поэкспериментировать с делителем напряжения при
помощи представленного ниже флэш-ролика (рис. 3). Для изменения входного напряжения и сопротивления
резисторов воспользуйтесь соответственными "ползунками" или непосредственно введите
данные в поля жёлтого цвета. Если флэш-ролик не отображается или не работает, то вам
придётся настроить (или заменить) ваш браузер и/или установить (обновить) флэш-плеер.
Рис. 3. Делитель напряжения.
Как зажечь (но не сжечь) светодиод?
Светодиоды в наше время применяются очень широко – от простых устройств индикации
до автомобильных фонарей и светофоров. Возможно, у вас возникала мысль поменять
лампочки в автомобиле на светодиоды. Как бывалый автомобилист я вам этого делать
не советую – возни много, а смысла мало. А вот как электронщик – помогу разобраться
в премудростях включения светодиодов в электрическую цепь. Дело это несложное,
но многие просто понятия не имеют, что и здесь нужно всё делать «по науке».
А потом говорят, что светодиоды – вещь ненадёжная, хотя, как правило, выходят
из строя светодиоды при правильной эксплуатации очень и очень редко. А вот при
неправильной – ещё как. При желании сжечь светодиод можно моментально.
Надо сказать, что сейчас в магазинах довольно много разных «мигающих» и прочих
светодиодов, которые на самом деле являются электронными устройствами,
встроенными в корпус светодиодов. Такие устройства можно подключать непосредственно
к источнику питания, без гасящего резистора. Однако мы здесь будем говорить об
обычных светодиодах.
Схема включения светодиода показана на рис. 4. При включении светодиода в цепь
постоянного тока необходимо соблюдать полярность (см. документацию на светодиод).
Итак, главное, что нам нужно знать:
- Максимальное напряжение
- Максимально допустимый ток светодиода
Максимально допустимый ток светодиода – это ток, при котором гарантируется долговременная
работа светодиода без выхода его из строя. Не надо путать с кратковременным максимальным
током. Эти данные берутся из справочных материалов. Но обычно ток светодиода составляет 10…20 мА.
Итак, допустим, что мы зачем-то хотим установить светодиод на автомобиль. Напряжение
бортовой сети автомобиля при исправном оборудовании не может превышать 15 В. На это
напряжение и будем рассчитывать. Допустим, что максимальный ток нашего светодиода
составляет 20 мА (0,02 А). Далее нам необходимо учесть тот факт, что на любом
полупроводнике (коим является и светодиод) падает какое-то напряжение. Для светодиодов
это обычно 1,5…2 В. Примем его для нашего случая равным 2 В.
Поскольку резистор и светодиод будут подключены последовательно, то максимально
возможное напряжение на резисторе для нашего примера будет
U1 = U – Ud = 15 – 2 = 13
- Где
- U1 – напряжение на гасящем резисторе R1
- U – входное напряжение
- Ud – напряжение, падающее на светодиоде
Теперь остаётся рассчитать резистор таким образом, чтобы через него протекал ток
20 мА при напряжении 13 В. Делаем это с помощью известного нам закона Ома для участка цепи:
R = U1 / I = 13 / 0,02 = 650 Ом
Ну вот и всё. Задача решена – для включения светодиода с заданными характеристиками
нам потребуется резистор сопротивлением 650 Ом. Однако сопротивление – это не единственный
параметр резистора. Резистор ещё должен иметь подходящую мощность. Кроме того, промышленностью
не выпускаются резисторы сопротивлением 650 Ом (точнее, выпускаются, но для особых случаев).
Но это уже другая история. Хотите знать больше?
Читайте статью
РЕЗИСТОРЫ.
Ну и кроме того предоставлю вам возможность закрепить полученный материал с помощью флэш-ролика
(рис. 4).
Рис. 4. Подключение светодиода.
См. также:
