Изучали в школе, но как-то позабылось...

Магазин Gtest(R) предлагает широкую номенклатуру токоизмерительных клещей по ссылке в самом конце настоящего Раздела, а также рекомендуемые приборы и статьи для последующего самообразования

Закон Ома – как связаны напряжение, ток и сопротивление

Первая и, возможно, самая важная связь между током, напряжением и сопротивлением называется законом Ома, открыта Георгом Симоном Омом и опубликована в его статье 1827 года «Математическое исследование гальванической цепи».

Напряжение, ток и сопротивление

Электрическая цепь формируется тогда, когда создается проводящий путь, позволяющий электрическому заряду непрерывно перемещаться. Это непрерывное движение электрического заряда по проводникам цепи называется током, и его часто называют «потоком», точно так же, как поток жидкости через полую трубу.

Сила, побуждающая носители заряда «течь» в цепи, называется напряжением. Напряжение — это определенная мера потенциальной энергии, которая всегда относительна между двумя точками.

Когда мы говорим об определенном количестве напряжения, присутствующего в цепи, мы имеем в виду измерение того, сколько потенциальной энергии существует для перемещения носителей заряда из одной конкретной точки этой цепи в другую конкретную точку. Без ссылки на два конкретных заряженных потенциальной энергией элемента, термин «напряжение» не имеет смысла.

Ток имеет тенденцию двигаться по проводникам с некоторой степенью трения или противодействия движению. Это противодействие движению правильнее называть сопротивлением. Величина тока в цепи зависит от величины напряжения и величины сопротивления в цепи, противодействующего протеканию тока.

Как и напряжение, сопротивление — это величина, относительная между двумя точками. По этой причине величины напряжения и сопротивления часто указываются как находящиеся «между» или «поперек» двух точек цепи.

Единицы измерения: Вольт, Ампер и Ом.

Чтобы иметь возможность делать осмысленные утверждения об этих величинах в схемах, нам нужно уметь описывать их величины так же, как мы могли бы количественно определять массу, температуру, объем, длину или любой другой вид физических величин. Для массы мы можем использовать единицы «килограмм» или «грамм».

Для температуры мы можем использовать градусы Фаренгейта или градусы Цельсия.

Вот стандартные единицы измерения электрического тока, напряжения и сопротивления:

«Символ», указанный для каждой величины, представляет собой стандартную букву алфавита, используемую для представления этой величины в алгебраическом уравнении. Подобные стандартизированные буквы распространены в физике и технике и признаны во всем мире.

«Аббревиатура единицы измерения» для каждой величины представляет собой буквенный символ, используемый в качестве сокращенного обозначения конкретной единицы измерения. И да, этот странный символ «подкова» — это заглавная греческая буква Ω, всего лишь символ иностранного алфавита (приносим извинения всем греческим читателям).

Каждая единица измерения названа в честь известного экспериментатора в области электричества: усилитель — в честь француза Андре М. Ампера, вольт — в честь итальянца Алессандро Вольта, а ом — в честь немца Георга Симона Ома.

Математический символ каждой величины также имеет значение. Буквы «R» для обозначения сопротивления и «V» для напряжения говорят сами за себя, тогда как «I» для тока кажется немного странным. Считается, что буква «I» обозначала «Интенсивность» (потока заряда), а другой символ напряжения, «E», означает «Электродвижущую силу». Судя по тем исследованиям, которые мне удалось провести, похоже, существуют некоторые споры по поводу значения слова «I».

Символы «E» и «V» по большей части взаимозаменяемы, хотя в некоторых текстах зарезервировано «E» для обозначения напряжения на источнике (например, аккумуляторе или генераторе), а «V» — для обозначения напряжения на чем-либо еще.

Все эти символы обозначаются заглавными буквами, за исключением случаев, когда величина (особенно напряжение или ток) описывается в терминах короткого периода времени (так называемого «мгновенного» значения). Например, напряжение батареи, стабильное в течение длительного периода времени, будет обозначаться заглавной буквой «Е», тогда как пик напряжения удара молнии в тот самый момент, когда она попадает в линию электропередачи, скорее всего, будет обозначаться буквой «Е». со строчной буквой «e» (или строчной «v»), чтобы обозначить это значение как относящееся к одному моменту времени.

То же самое соглашение о строчных буквах справедливо и для тока: строчная буква «i» обозначает ток в некоторый момент времени. Однако большинство измерений постоянного тока (DC), будучи стабильными во времени, будут обозначаться заглавными буквами.

Кулон и электрический заряд

 Одной из основных единиц электрических измерений, которую часто преподают в начале курсов электроники, но редко используют в дальнейшем, является единица кулон, которая является мерой электрического заряда, пропорционального количеству электронов в несбалансированном состоянии. Один кулон заряда равен 6 250 000 000 000 000 000 электронов.

Обозначением количества электрического заряда является заглавная буква «Q», а единица измерения кулонов сокращается заглавной буквой «C». Так получилось, что единица измерения тока, ампер, равна 1 кулону заряда, проходящего через данную точку цепи за 1 секунду. В этом смысле ток — это скорость движения электрического заряда через проводник.

Как указывалось ранее, напряжение — это мера потенциальной энергии на единицу заряда, доступной для направления тока из одной точки в другую. Прежде чем мы сможем точно определить, что такое «вольт», мы должны понять, как измерить эту величину, которую мы называем «потенциальной энергией». Общей метрической единицей энергии любого вида является джоуль, равный количеству работы, выполняемой силой в 1 ньютон, совершаемой при движении на 1 метр (в том же направлении).

В имперских единицах это чуть меньше 3/4 фунта силы, действующей на расстоянии 1 фут. Проще говоря, требуется около 1 джоуля энергии, чтобы поднять груз массой 3/4 фунта на высоту 1 фут от земли или перетащить что-то на расстояние 1 фут, используя параллельное тяговое усилие в 3/4 фунта. В этих научных терминах 1 вольт равен 1 джоулю потенциальной энергии на 1 кулон заряда (деленный на). Таким образом, 9-вольтовая батарея выделяет 9 джоулей энергии на каждый кулон заряда, пройденный по цепи.

Знание этих единиц и символов для электрических величин станет очень важным, когда мы начнем исследовать взаимосвязи между ними в схемах.

Уравнение закона Ома

 Основное открытие Ома заключалось в том, что величина электрического тока, проходящего через металлический проводник в цепи, прямо пропорциональна приложенному к нему напряжению при любой заданной температуре. Ом выразил свое открытие в форме простого уравнения, описывающего взаимосвязь напряжения, тока и сопротивления:

E = 1 R

 В этом алгебраическом выражении напряжение (E) равно току (I), умноженному на сопротивление (R). Используя методы алгебры, мы можем превратить это уравнение в два варианта, решая для I и R соответственно:

I = E/R   R = E/I

Анализ простых цепей с помощью закона Ома

Давайте посмотрим, как эти уравнения могут помочь нам анализировать простые схемы:

В приведенной выше схеме имеется только один источник напряжения (батарея слева) и только один источник сопротивления току (лампа справа). Это позволяет очень легко применять закон Ома. Если мы знаем значения любых двух из трех величин (напряжения, тока и сопротивления) в этой цепи, мы можем использовать закон Ома для определения третьей. В этом первом примере мы рассчитаем величину тока (I) в цепи, учитывая значения напряжения (E) и сопротивления (R):

 Какова сила тока (I) в этой цепи?

I = E/R = (12 V) / (3 Ω) = 4 A

Во втором примере мы рассчитаем величину сопротивления (R) в цепи, учитывая значения напряжения (E) и тока (I):

 Каково сопротивление (R) лампы?

R = E/I = (36 V) / (4 A) = 9 Ω

В последнем примере мы рассчитаем количество напряжения, подаваемого батареей, учитывая значения тока (I) и сопротивления (R):

 Какое напряжение выдает аккумулятор?

E = I R = (2 A)(7 Ω) = 14 V

Методология треугольника закона Ома

Закон Ома — очень простой и полезный инструмент для анализа электрических цепей. Он так часто используется при изучении электричества и электроники, что серьезному студенту необходимо запомнить его. Для тех, кто еще не знаком с алгеброй, есть хитрость, позволяющая запомнить, как найти любую одну величину, зная две другие.

Сначала расположите буквы E, I и R в треугольнике вот так:

Если вы знаете E и I и хотите определить R, просто исключите R из рисунка и посмотрите, что осталось:

Если вы знаете E и R и хотите определить I, исключите I и посмотрите, что останется:

Наконец, если вы знаете I и R и хотите определить E, исключите E и посмотрите, что останется:

В конце концов, чтобы серьезно изучать электричество и электронику, вам придется быть знакомым с алгеброй, но вышеприведённый совет может немного облегчить запоминание ваших первых расчетов. Если вы хорошо разбираетесь в алгебре, все, что вам нужно сделать, это запомнить E=IR и вывести из нее две другие формулы, когда они вам понадобятся!

Итоговый Обзор:

• Напряжение измеряется в вольтах и обозначается буквами «E» или «V».

• Ток измеряется в амперах и обозначается буквой «I».

• Сопротивление измеряется в Омах и обозначается буквой «R».

• Закон Ома: E = I R;  I = E/R; R = E/I

Магазин Gtest® - авторизованный поставщик токовых клещей: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/tokovye-kleshchi