Вивчали у школі, але якось забулося...

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру струмовимірювальних кліщів за посиланням у самому кінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади та статті для подальшої самоосвіти

Закон Ома – як пов'язані напруга, струм та опір

Перший і, можливо, найважливіший зв'язок між струмом, напругою та опором називається законом Ома, відкритий Георгом Симоном Омом і опублікований у його статті 1827 року «Математичне дослідження. 

Напруга, струм та опір

Електричний ланцюг формується тоді, коли створюється провідний шлях, що дозволяє електричному заряду безперервно переміщатися. Цей безперервний рух електричного заряду по провідниках ланцюга називається струмом, і його часто називають потоком, так само, як потік рідини через порожню трубу.

Сила, що спонукає носії заряду «текти» в ланцюзі, називається напругою. Напруга - це певна міра потенційної енергії, яка завжди відносна між двома точками.

Коли ми говоримо про певну кількість напруги, що є в ланцюгу, ми маємо на увазі вимірювання того, скільки потенційної енергії існує для переміщення носіїв заряду з однієї конкретної точки цього ланцюга в іншу конкретну точку. Без посилання два конкретних заряджених потенційної енергією елемента, термін «напруга» немає сенсу.

Струм має тенденцію рухатися провідниками з деяким ступенем тертя або протидії руху. Це протидія руху правильніше називати опором. Величина струму в ланцюзі залежить від величини напруги та величини опору в ланцюзі, що протидіє перебігу струму.

Як і напруга, опір це величина, відносна між двома точками. З цієї причини величини напруги і опору часто вказуються як «між» або «поперек» двох точок ланцюга.

Одиниці виміру: Вольт, Ампер та Ом.

Щоб мати можливість робити осмислені твердження про ці величини у схемах, нам потрібно вміти описувати їх величини так само, як ми могли б кількісно визначати масу, температуру, об'єм, довжину чи будь-який інший вид фізичних величин. Для маси ми можемо використовувати одиниці кілограм або грам.

Для температури ми можемо використовувати градуси Фаренгейта чи градуси Цельсія.

Ось стандартні одиниці вимірювання електричного струму, напруги та опору:

«Символ», вказаний для кожної величини, є стандартною буквою алфавіту, яка використовується для представлення цієї величини в рівнянні алгебри. Подібні стандартизовані літери поширені у фізиці та техніці та визнані у всьому світі.

 «Абревіатура одиниці виміру» для кожної величини є буквеним символом, який використовується як скорочене позначення конкретної одиниці виміру. І так, цей дивний символ «підкова» — це велика грецька буква Ω, лише символ іноземного алфавіту (просимо вибачення всім грецьким читачам).

 Кожна одиниця виміру названа на честь відомого експериментатора в галузі електрики: підсилювач – на честь француза Андре М. Ампера, вольт – на честь італійця Алессандро Вольта, а ом – на честь німця Георга Сімона Ома.

Математичний символ кожної величини також має значення. Літери "R" для позначення опору і "V" для напруги говорять самі за себе, тоді як "I" для струму здається трохи дивним. Вважається, що буква «I» означала «Інтенсивність» (потоку заряду), а інший символ напруги, «E», означає «Електрорушійну силу». Зважаючи на ті дослідження, які мені вдалося провести, схоже, існують деякі суперечки з приводу значення слова «I».

Символи "E" і "V" здебільшого взаємозамінні, хоча в деяких текстах зарезервовано "E" для позначення напруги на джерелі (наприклад, акумуляторі або генераторі), а "V" - для позначення напруги на чомусь ще.

Всі ці символи позначаються великими літерами, крім випадків, коли величина (особливо напруга чи струм) описується термінах короткого періоду часу (так званого «миттєвого» значення). Наприклад, напруга батареї, стабільна протягом тривалого періоду часу, буде позначатися великою літерою «Е», тоді як пік напруги удару блискавки в той самий момент, коли вона потрапляє в лінію електропередачі, швидше за все, позначатиметься літерою «Е». з малою літерою «e» (або рядкової «v»), щоб позначити це значення, що відноситься до одного моменту часу.

Те саме угоду про малих літерах справедливо й у струму: рядкова буква «i» позначає струм у певний час. Однак більшість вимірювань постійного струму (DC), будучи стабільними в часі, позначатимуться великими літерами.

Кулон та електричний заряд

Однією з основних одиниць електричних вимірювань, яку часто викладають на початку курсів електроніки, але рідко використовують надалі, є одиниця кулон, яка є мірою електричного заряду, пропорційного кількості електронів у незбалансованому стані. Один кулон заряду дорівнює 6250000000000000000 електронів.

 Позначенням кількості електричного заряду є велика буква «Q», а одиниця виміру кулонів скорочується великою буквою «C». Так вийшло, що одиниця вимірювання струму, ампер дорівнює 1 кулону заряду, що проходить через дану точку ланцюга за 1 секунду. У цьому сенсі струм — швидкість руху електричного заряду через провідник.

 Як зазначалося раніше, напруга - це міра потенційної енергії на одиницю заряду, доступною для спрямування струму з однієї точки в іншу. Перш ніж ми зможемо точно визначити, що таке "вольт", ми повинні зрозуміти, як виміряти цю величину, яку ми називаємо "потенційною енергією". Загальною метричною одиницею енергії будь-якого виду є джоуль, рівний кількості роботи, що виконується силою в 1 ньютон, що здійснюється під час руху на 1 метр (у тому ж напрямку).

 В імперських одиницях це трохи менше 3/4 фунта сили, що діє на відстані 1 фут. Простіше кажучи, потрібно близько 1 джоуля енергії, щоб підняти вантаж масою 3/4 фунти на висоту 1 фут від землі або перетягнути щось на відстань 1 фут, використовуючи паралельне тягове зусилля в 3/4 фунта. У цих наукових термінах 1 вольт дорівнює 1 джоулю потенційної енергії на 1 кулон заряду (поділений на). Таким чином, 9-вольтова батарея виділяє 9 джоулів енергії на кожен кулон заряду, пройдений ланцюгом.

 Знання цих одиниць та символів для електричних величин стане дуже важливим, коли ми почнемо досліджувати взаємозв'язки між ними у схемах.

 Рівняння закону Ома

 Основне відкриття Ома полягало в тому, що величина електричного струму, що проходить через металевий провідник у ланцюзі, прямо пропорційна прикладеному до нього напрузі при будь-якій заданій температурі. Ом висловив своє відкриття у формі простого рівняння, що описує взаємозв'язок напруги, струму та опору:

E = 1 R

У цьому виразі алгебри напруга (E) дорівнює струму (I), помноженому на опір (R). Використовуючи методи алгебри, ми можемо перетворити це рівняння на два варіанти, вирішуючи для I і R відповідно:

I = E/R   R = E/I

Аналіз простих кіл за допомогою закону Ома

Погляньмо, як ці рівняння можуть допомогти нам аналізувати прості схеми:

У наведеній вище схемі є лише одне джерело напруги (батарея зліва) і лише одне джерело опору струму (лампа праворуч). Це дозволяє легко застосовувати закон Ома. Якщо ми знаємо значення будь-яких двох із трьох величин (напруги, струму та опору) у цьому ланцюзі, ми можемо використовувати закон Ома для визначення третьої. У цьому першому прикладі ми розрахуємо величину струму (I) у ланцюзі, враховуючи значення напруги (E) та опору (R):

   Яка сила струму (I) у цьому ланцюзі?

I = E/R = (12 V) / (3 Ω) = 4 A

У другому прикладі ми розрахуємо величину опору (R) у ланцюгу, враховуючи значення напруги (E) та струму (I):

  Який опір (R) лампи?

R = E/I = (36 V) / (4 A) = 9 Ω

В останньому прикладі ми розрахуємо кількість напруги, що подається батареєю, враховуючи значення струму (I) та опору (R):

   Яку напругу видає акумулятор?

E = I R = (2 A)(7 Ω) = 14 V

Методологія трикутника закону Ома

 Закон Ома – дуже простий та корисний інструмент для аналізу електричних кіл. Він так часто використовується при вивченні електрики та електроніки, що серйозному студенту необхідно запам'ятати його. Для тих, хто ще не знайомий з алгеброю, є хитрість, що дозволяє запам'ятати, як знайти будь-яку одну величину, знаючи дві інші.

Спочатку розташуйте літери E, I і R у трикутнику ось так:

Якщо ви знаєте E та I і хочете визначити R, просто виключіть R з малюнка та подивіться, що залишилося:

  Якщо ви знаєте E та R і хочете визначити I, виключіть I і подивіться, що залишиться:

Нарешті, якщо ви знаєте I та R і хочете визначити E, виключіть E та подивіться, що залишиться:

Зрештою, щоб серйозно вивчати електрику та електроніку, вам доведеться бути знайомим з алгеброю, але вищенаведена порада може трохи полегшити запам'ятовування ваших перших розрахунків. Якщо ви добре знаєтеся на алгебрі, все, що вам потрібно зробити, це запам'ятати E=IR і вивести з неї дві інші формули, коли вони вам знадобляться!

Підсумковий Огляд:

• Вимірюється напруга у вольтах і позначається літерами «E» або «V».

• Струм вимірюється в амперах і позначається буквою «I».

• Опір вимірюється в Омах і позначається буквою «R».

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

Магазин Gtest® - авторизований постачальник струмових кліщів: https://gtest.com.ua/izmeritelnee-pribory/tokovye-kleshchi