А вы знали что сила тока, напряжение и сопротивление зависят друг от друга?
ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ
Рассмотрим водонапорную башню:
Напряжение - это уровень воды в башне. Сопротивление - это труба или шланг. Сила тока - это объем воды за какой-то промежуток времени.
Давайте рассмотрим такой случай. Вместо башни у нас есть сосуд с водой, в котором пробиты три одинаковых отверстия на разной высоте сосуда. Так как сосуд у нас наполнен водой, следовательно, на дне сосуда давление будет больше, чем на его поверхности. Или по аналогии с электричеством, напряжение на дне будет больше, чем на его поверхности.
Как вы видите, нижняя струя, которая находится ближе ко дну, стреляет дальше, чем средняя струя. А средняя струя стреляет дальше, чем верхняя. Заметьте, отверстия у нас везде одинакового диаметра. То есть можно сказать, что сопротивление каждого отверстия одинаковое. За одинаковое время, объем воды, вытекаемый с самого нижнего отверстия намного больше, чем объем воды, вытекаемый со среднего и самого верхнего отверстия. А что у нас такое объем воды за какое-то время? Да это же сила тока!
Итак, какую закономерность мы тут видим? Учитывая, что сопротивление везде одинаковое, получается что с увеличением напряжения увеличивается и сила тока!
Думаю, у многих из вас есть садовый участок, где вы выращиваете картошку, огурчики и помидорчики. Где-то недалеко от вас есть водонапорная башня:
Для чего нужна водонапорная башня? Чтобы контролировать уровень расхода воды, а также создать давление в трубах, по которым на ваш садовый участок приходит вода. Никогда не замечали, что башню строят где-нибудь на возвышенности? Для чего это делается? Чтобы создать давление. Предположим, что ваш садовый участок находится выше, чем верхушка водобашни. Да вода просто-напросто не дойдет до вас! Физика, закон сообщающихся сосудов.
Вроде бы отвлеклись. У всех на кухне и в ванной есть краник, через который бежит вода. Вы решили помыть руки. Для этого вы на полную катушку включаете воду, и она начинает течь бурным потоком из краника:
Но вас не устраивает такой поток воды, поэтому, покрутив ручку для крана, вы уменьшаете поток:
Что произошло? Поменяв сопротивление для потока воды с помощью ручки краника, вы добились того, что этот поток воды стал течь очень слабо.
Давайте же проведем аналогию этой ситуации с электрическим током. Итак, что имеем? Напряжение потока мы не меняли. Где-то там вдалеке стоит водобашня и создает давление в трубах. Мы ведь не имеем права трогать водобашню. Следовательно, напряжение у нас
постоянное
и не меняется. Закрутив обратно ручку краника, мы поменяли сопротивление трубы. Сопротивление мы увеличили. А что у нас получилось с потоком воды? Она у нас стала бежать медленнее и ее стало меньше! То есть, можно сказать, что количество молекул воды за какое-то время при полностью открытом и полузакрытом кранике получилось разное. Вспоминаем, что такое сила тока. Кто забыл, напомню - это количество электронов протекающих через поперечное сечение проводника за какой-то промежуток времени. И что у нас стало с этой силой тока? Она уменьшилась!
Делаем ВЫВОД:
При увеличении сопротивления сила тока уменьшается
.
Итак. Имеем вот такую схему водоснабжения:
Теперь представьте, что вы поливаете огород и вам надо наполнить ведерко с водой из шланга за 10 минут. У вас в огороде вода бежит примерно вот так:
Допустим, с водобашни у нас идет простой резиновый шланг. Сосед случайно припарковал свой авто прямо на шланге и чуть-чуть придавил его
У вас поток воды стал убывать. Идти ругаться с соседом? Он уже ушел по делам, а ведерко за 10 минут наполнить не успеете. Потребуется больше времени. Как же быть? А почему бы нам не открыть краник перед водобашней чуток побольше? А это хорошая идея! Открываем краник на полную катушку и добиваемся, чтобы уровень воды в башне стал больше, чем был до этого (хотя в башнях стоят защиты от переполнения максимального уровня, но для примера упустим этот момент). Поток воды постепенно увеличивается все больше и больше и наше ведерко уже почти переполнено. Нужно бежать и крутить краник обратно, добиваясь, чтобы поток воды из шланга был как раньше.
Теперь
проведем аналогию
. Итак, что у нас получается? Сосед придавил шланг, значит увеличил сопротивление. Поэтому сила тока у нас стала меньше. Чтобы силу тока восстановить, мы для этого увеличивали напряжение, то есть уровень воды в башне.
Второй момент
: Уровень воды (напряжение) на водобашне стал увеличиваться из-за того, что насос не отключался и все время качал воду. Поэтому поток воды (сила тока) у нас тоже стал расти. Чтобы выровнять силу тока, мы увеличили сопротивление краника, тем самым привели в норму уровень воды в водобашне (напряжение).
Увидели закономерность? Немецкий физик Георг Симон Ом связал эти три величины между собой и получилась до боли простая формула:
где
I - сила тока (в Амперах), U - напряжение (в Вольтах), R - сопротивление (в Омах).
Как дважды два, не так ли? Это закон носит свое название в честь его открывателя и называется законом Ома. Это самый-самый важный закон в электронике, и поэтому вы ОБЯЗАНЫ его знать.
ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ
Что такое ЭДС? Помню как-то на уроке физики в 8 классе учитель спросил:
- Что написано на пальчиковой батарейке?
- Напряжение батарейки, - хором ответили мы.
- А вот и нет! Это ЭДС!
- !?
- На батарейках указано именно ЭДС!
После этих гордых слов учитель начал урок. Он ставил какие-то опыты, зажигал лампочки, писал что-то на доске. Но я все равно ничего не понял, потому что весь урок играл с товарищем по парте в морской бой! Только спустя годы, прочитав советский словарь радиолюбителя, наконец-то понял, что ничего сложного в этом нету. И если закон Ома для участка цепи знают почти все, то сложности возникают именно по закону Ома для полной цепи. Но оказывается, все до боли просто!
Итак, знакомьтесь, автомобильный аккумулятор!
Для дальнейшего его использования, припаяем к нему два проводочка: красный на плюс, черный на минус:
Наш аккумулятор готов к бою.
Берем автомобильную лампочку-галогенку и тоже припаяем к ней два проводка с крокодилами. Я припаялся к клеммам на «ближний» свет.
Первым делом давайте замеряем напряжение на клеммах аккумулятора:
12,09 Вольт (подразряжен, но для наших экспериментов пойдет и такой). Да, аккумулятор у нас на 12 Вольт. Забегу чуток вперед и скажу, что сейчас мы замерили именно ЭДС нашего акуумулятора.
Подключаем галогенку к аккумулятору и снова замерям напряжение:
Видели, да? Напряжение на акуумуляторе просело до 11,79 Вольт!
А давайте замеряем, сколько кушает наша лампа в Амперах. Для этого составляем вот такую схемку:
Желтый мультиметр у нас будет замерять напряжение, а красный мультиметр у нас будет замерять силу тока. Смотрим на показания приборов:
Как мы видим, наша лампа потребляет 4,35 Ампер, напряжение просело до 11,79 Вольт.
Давайте вместо галогенки поставим простую лампочку накаливания от поворотника:
Смотрим показания:
Лампочка потребляет силу тока в 0,69 Ампер. Напряжение просело до 12 Вольт ровно.
Какие выводы можно сделать? Чем больше нагрузка потребляет ток, тем больше просаживается напряжение на аккумуляторе. Вместо аккумулятора может быть простая батарейка 1.5 Вольт или какая-нибудь другая батарейка. Суть от этого не меняется.
Ну а теперь немного теории.
Источник ЭДС на схеме выглядит вот так:
Давайте вспомним,
что такое ЭДС
. ЭДС - это что-то такое, что создает напряжение. Если к такому источнику напряжения подцепить нагрузку (хоть миллиард галогеновых ламп, включенных параллельно), то он все равно будет выдавать такое же напряжение, какое бы он выдавал, если бы мы вообще не цепляли никакую нагрузку.
Или проще:
Короче говоря, какая бы сила тока не проходила через цепь резистора, напряжение на концах источника ЭДС будет всегда одно и тоже. Такой источник ЭДС называют идеальным источником ЭДС.
Но как вы знаете, в нашем мире нет ничего идеального. То есть если бы в нашем аккумуляторе был идеальный источник ЭДС, тогда бы напряжение на клеммах аккумулятора никогда бы не проседало. Но оно проседает и тем больше, чем больше тока потребляет нагрузка. Что-то здесь не так. Но почему так происходит? Этот вопрос задавал себе и немецкий физик Георг Ом и все-таки наконец-то он нашел объяснение этому процессу.
Дело все в том, что в аккумуляторе «спрятано» сопротивление, которое условно говоря, цепляется последовательно с источником ЭДС аккумулятора. И оно называется
внутренним сопротивлением
или выходным сопротивлением. Обозначается маленькой буковкой «r». Выглядит все это в аккумуляторе примерно вот так:
Цепляем лампочку:
Итак, что у нас получается в чистом виде?
Лампочка - это нагрузка, которая обладает сопротивлением. Значит, еще больше упрощаем схему и получаем:
Что имеем? Идеальный источник ЭДС, внутреннее сопротивление
r
и сопротивление нагрузки
R
. Вспоминаем статью делитель напряжения. Там говорится, что напряжение источника ЭДС равняется сумме падений напряжения на каждом резисторе.
Это означает, что на каждом сопротивлении падает какое-то напряжение:
На резисторе R падает напряжение UR, а на внутреннем резисторе r падает напряжение Ur.
Теперь вспоминаем статью делитель тока (в той же статье про делитель напряжения). Кто не помнит, напомню. Сила тока, протекающая через последовательно соединенные сопротивления везде одинакова.
Вспоминаем алгебру за 5-ый класс и записываем все то, о чем мы с вами сейчас говорили. Из закона Ома для участка цепи получаем, что:
Далее:
Последнее выражение носит название
закона Ома для полной цепи
. Из этого выражения мы можем найти внутреннее сопротивление аккумулятора - r.
Давайте снова вернемся к этой фотографии:
Так как у нас в этом случае цепь разомкнута (нет внешней нагрузки), следовательно, сила тока в цепи I равняется нулю. Значит, и падение напряжение на внутреннем резисторе Ur тоже будет равняться нулю. В итоге, у нас остается только источник ЭДС, у которого мы и замеряем напряжение. В нашем случае ЭДС = 12,09 Вольт.
Как только мы прицепили нагрузку, то у нас сразу же упало напряжение на внутреннем резисторе и на нагрузке, в данном случае на лампочке:
Сейчас на нагрузке (на галогенке) у нас упало напряжение
UR = 11,79
Вольт, следовательно, на внутреннем резисторе падение напряжения составило
Ur = E-UR = 12,09-11,79 = 0,3
Вольта. Сила тока в цепи равняется
I = 4,35
Ампер. Как я уже сказал, ЭДС у нас равняется
E = 12,09
Вольт. Следовательно, из закона Ома для полной цепи высчитываем, чему у нас будет равняться внутреннее сопротивление r:
Внутреннее сопротивление бывает не только у различных химических источников напряжения. Внутренним сопротивлением также обладают и различные измерительные приборы. Это в основном вольтметры и осциллографы. Дело все в том, что если подключить нагрузку R, сопротивление у которой будет меньше или даже равно r, то у нас очень жестко просядет напряжение. Это можно увидеть, если замкнуть клеммы аккумулятора толстым медным проводом и замерять в это время напряжение на клеммах. Но я
не рекомендую
этого делать ни в коем случае! Поэтому, чем высокоомнее нагрузка (то есть чем выше сопротивление нагрузки R), тем меньшее влияние оказывает эта нагрузка на источник напряжения.
Вольтметр и осциллограф при замере напряжения тоже чуть-чуть просаживают напряжение замеряемого источника напряжения, потому как являются нагрузкой с большим сопротивлением. Именно поэтому самый точный вольтметр и осциллограф имеют ну очень большое сопротивление между своими щупами.