Электроника:Постоянный ток/Закон Ома/Закон Ома – Как напряжение, сила тока и сопротивление связаны друг с другом: различия между версиями
Myagkij (обсуждение | вклад) (Новая страница: «{{Панель управления/Электроника}} {{Перевод от Сubewriter}} {{Myagkij-редактор}} {{Черновик}} =См.так…») |
Myagkij (обсуждение | вклад) Нет описания правки |
||
Строка 5: | Строка 5: | ||
{{Черновик}} | {{Черновик}} | ||
= Закон Ома – Как напряжение, сила тока и сопротивление связаны друг с другом <ref>[https://www.allaboutcircuits.com/textbook/direct-current/chpt-2/voltage-current-resistance-relate/ www.allaboutcircuits.com - Ohm’s Law - How Voltage, Current, and Resistance Relate]</ref>= | |||
Первая и, возможно, самая важная связь между силой тока, напряжением и сопротивлением называется «законом Ома» – он был открыт Георгом Симоном Омом и опубликован в 1827 году в научном труде «Гальванические цепи, изученные математически». | |||
== Напряжение, сила тока и сопротивление == | |||
Чтобы сформировать электрическую цепь, необходимо создать замкнутую токопроводящую «тропинку», дающую возможность для непрерывного движения электрического заряда. Непрерывное движение электрического заряда по проводникам цепи – это электроток, и его также часто называют «потоком» по аналогии с жидкостью, текущей в трубе. | |||
Сила, заставляющая носителей зарядов «течь» по цепи – это напряжение. Это специальная величина потенциальной энергии, всегда определяемая относительно двух точек. Когда мы говорим, что в цепи присутствует некоторое напряжение, мы говорим о том, сколько в ней потенциальной энергии для перемещения носителей зарядов из одной точки цепи в другую. Без этих двух точек термин «напряжение» просто не имеет смысла. | |||
При перемещении тока по проводнику возникает некоторое трение, которое препятствует его движению. Правильнее называть его «сопротивлением». Величина тока в цепи зависит от величины напряжения и величины сопротивления, препятствующего движению тока. Как и напряжение, сопротивление – это величина, рассчитываемая относительно двух точек. По этой причине про напряжение и сопротивление часто говорят, что их величина рассчитывается «относительно» или «между» двумя точками цепи. | |||
== Единицы измерения: вольты, амперы и омы == | |||
Чтобы дальнейшие объяснения об этих величинах были более понятными, давайте опишем их так же, как мы описываем массу, температуру, объем, длину и любые другие физические величины. Для массы мы используем «килограммы» и «граммы». Для температуры – градусы Цельсия и Фаренгейта. Ниже – стандартные единицы измерения для силы тока, напряжения и сопротивления: | |||
Величина | |||
Символ | |||
Единица измерения | |||
Аббревиатура единицы измерения | |||
Сила тока | |||
I | |||
Амперы | |||
А (A) | |||
Напряжение | |||
E или V | |||
Вольты | |||
В (V) | |||
Сопротивление | |||
R | |||
Омы | |||
Ω | |||
«Символ», данный каждой величине – это стандартная буква, используемая для того, чтобы представить эту величину в алгебраическом уравнении. Это стандартизированные буквы, используемые в физике и инженерном деле, приняты во всем мире. Столбец «аббревиатура» предназначен для букв, используемых в качестве сокращенного обозначения единиц измерения. И да, вот этот странно выглядящий символ «подковы» – это заглавная греческая буква «Ω» (просто символ иностранного алфавита). | |||
Каждая единица измерения названа в честь знаменитого экспериментатора в науке об электричестве. «Ампер» назван в честь француза Андре-Мари Ампера, «вольт» – в честь итальянца Алессандро Вольта, а «ом» – в честь немца Георга Симона Ома. | |||
Математический символ каждой единицы измерения тоже имеет смысл. Буква «R» – от слова «resistance» (с англ. «сопротивление»), а «V» – от слова «voltage» (с англ. «напряжение»), но выбор символов «E» и «I», на первый взгляд, кажется странным. Считается, что «I» означает «intensity» (с англ. «интенсивность»), и здесь имеется в виду поток зарядов, а «E» означает «electromotive force» (с англ. «электродвижущая сила»). Насколько я знаю, насчет значения «I» все еще есть некоторые споры. По большей части символы «E» и «V» взаимозаменяемы, но в некоторых работах «E» используется для обозначения напряжения в источнике напряжения (вроде батареи или генератора), а «V» – для обозначения напряжения в любом другом месте. | |||
Все эти символы пишутся заглавными буквами, кроме случаев, когда речь о величине (особенно напряжении или силе тока) в короткий момент времени (ее называют «текущей» величиной). Например, напряжение батареи, которое стабильно на протяжении долгого промежутка времени, обозначается заглавной буквой «E», а пик напряжения молнии в момент удара по линии электросети, скорее всего, будет обозначен строчной буквой «e» (или «v»), чтобы показать, что это значение в конкретный момент времени. Аналогичное соглашение используется и для силы тока – строчная «i» означает силу тока в конкретный момент времени. Но при использовании постоянного тока значения этих величин, как правило, стабильны во времени и обозначаются заглавными буквами. | |||
Кулон и электрический заряд | |||
Есть одна фундаментальная единица измерения, которую часто изучают на начальных этапах курсов по электронике, но впоследствии используют нечасто – это «кулон». Это единица электрического заряда, пропорциональная количеству электронов, находящихся в состоянии дисбаланса. Один кулон равен заряду 6250 квадрлн электронов. Символ электрического заряда – это заглавная «Q», а сами кулоны как единица измерения обозначаются заглавной «C». Так вышло, что один ампер (единица измерения силы тока) равен заряду в один кулон, прошедшему через заданную точку в цепи в течение одной секунды. Следовательно, сила тока – это скорость перемещения электрического заряда по проводнику. | |||
Как уже говорилось выше, напряжение – это величина потенциальной энергии на единицу заряда, необходимая для перемещения потока электронов из одной точки в другую. До того, как дать точное определение «вольта», нам нужно понимать, как именно измеряется вот эта «потенциальная энергия». Стандартная единица измерения любой энергии – это джоуль, который равен количеству работы, выполненной для того, чтобы применить силу в 1 ньютон на расстояние в 1 метр в том же направлении. Если говорить научным языком, 1 вольт равен 1 джоулю электрической потенциальной энергии, поделенной на 1 кулон заряда. Следовательно, 9-вольтная батарея будет высвобождать 9 джоулей энергии с каждым кулоном заряда, перемещенным по цепи. | |||
Все эти единицы измерения и символы электрических величин скоро станут очень важны, т.к. мы начнём изучать взаимоотношения между ними в электрических цепях. | |||
Формула закона Ома | |||
Главным открытием Ома было то, что сила тока, прошедшего через металлический проводник в цепи, прямо пропорциональна напряжению в цепи при любой температуре. Ом выразил свое открытие в виде простой формулы, описав в нем, как напряжение, сила тока и сопротивление соотносятся друг с другом: | |||
[Картинка] | |||
В этом алгебраическом выражении напряжение (E) равно силе тока (I), умноженной на сопротивление (R). Используя алгебраические методы, мы можем преобразовать эту формулу в два других ее варианта – чтобы рассчитать I и R. | |||
[Картинка] | |||
Анализ простых цепей с помощью закона Ома | |||
Давайте разберемся, как эти формулы могут помочь нам в анализе простых цепей: | |||
[Картинка «1.jpg»] | |||
На схеме выше есть только один источник напряжения (батарея слева) и только один источник сопротивления (лампа справа). Это сильно упрощает применение закона Ома. Если нам известны любые две из трёх величин (напряжения, силы тока и сопротивления) в этой цепи, то мы при помощи закона Ома можем определить и третью. | |||
Ниже – первый пример, в котором мы рассчитаем силу тока (I) цепи при помощи напряжения (E) и сопротивления (R): | |||
[Картинка «2.jpg»] | |||
Так какова сила тока (I) в этой цепи? | |||
[Картинка] | |||
Во втором примере мы рассчитаем сопротивление (R) цепи при помощи значений напряжения (E) и силы тока (I): | |||
[Картинка «3.jpg»] | |||
И каково же сопротивление (R), производимое лампой? | |||
[Картинка] | |||
В последнем примере мы рассчитаем напряжение, генерируемое батареей, используя значения силы тока (I) и сопротивления (R). | |||
[Картинка «4.jpg»] | |||
И каково же напряжение, генерируемое батареей? | |||
[Картинка] | |||
Треугольник Ома | |||
Закон Ома – это очень простой и полезный инструмент для анализа электрических цепей. Он так часто используется для изучения электричества и электроники, что любой уважающий себя студент должен знать его назубок. Но если вы из тех, кто не очень дружит с алгеброй, то можете воспользоваться мнемоническим трюком, позволяющим быстро узнать напряжение, силу тока или сопротивление, зная лишь две из этих величин. Сначала давайте поместим буквы «E», «I» и «R» в треугольник – вот так: | |||
[Картинка] | |||
Если вы знаете E и I, но хотите рассчитать R, просто уберите R из треугольника и посмотрите, что осталось: | |||
[Картинка] | |||
Если вы знаете E и R, но хотите определить I, уберите I и посмотрите, что осталось: | |||
[Картинка] | |||
И, наконец, если вы знаете I и R, но хотите определить E, уберите E и посмотрите, что осталось: | |||
[Картинка] | |||
В конечном счете вам всё же нужно будет подружиться с алгеброй, т.к. в серьезном изучении электричества и электроники без нее никуда, но этот прием позволит чуть упростить ваши первые расчёты. А если вы уже дружите с алгеброй, просто заучите формулу «E = IR» и, когда необходимо, убирайте нужный элемент. | |||
ИТОГО: | |||
• Напряжение измеряется в вольтах и обозначается буквами «E» и «V» | |||
• Сила тока измеряется в амперах и обозначается буквой «I» | |||
• Сопротивление измеряется в омах и обозначается символом «R» | |||
• Закон Ома: E = IR, I = E/R, R = E/I | |||
=См.также= | =См.также= |
Версия от 20:39, 26 ноября 2019
Черновик |
Закон Ома – Как напряжение, сила тока и сопротивление связаны друг с другом [1]
Первая и, возможно, самая важная связь между силой тока, напряжением и сопротивлением называется «законом Ома» – он был открыт Георгом Симоном Омом и опубликован в 1827 году в научном труде «Гальванические цепи, изученные математически».
Напряжение, сила тока и сопротивление
Чтобы сформировать электрическую цепь, необходимо создать замкнутую токопроводящую «тропинку», дающую возможность для непрерывного движения электрического заряда. Непрерывное движение электрического заряда по проводникам цепи – это электроток, и его также часто называют «потоком» по аналогии с жидкостью, текущей в трубе.
Сила, заставляющая носителей зарядов «течь» по цепи – это напряжение. Это специальная величина потенциальной энергии, всегда определяемая относительно двух точек. Когда мы говорим, что в цепи присутствует некоторое напряжение, мы говорим о том, сколько в ней потенциальной энергии для перемещения носителей зарядов из одной точки цепи в другую. Без этих двух точек термин «напряжение» просто не имеет смысла.
При перемещении тока по проводнику возникает некоторое трение, которое препятствует его движению. Правильнее называть его «сопротивлением». Величина тока в цепи зависит от величины напряжения и величины сопротивления, препятствующего движению тока. Как и напряжение, сопротивление – это величина, рассчитываемая относительно двух точек. По этой причине про напряжение и сопротивление часто говорят, что их величина рассчитывается «относительно» или «между» двумя точками цепи.
Единицы измерения: вольты, амперы и омы
Чтобы дальнейшие объяснения об этих величинах были более понятными, давайте опишем их так же, как мы описываем массу, температуру, объем, длину и любые другие физические величины. Для массы мы используем «килограммы» и «граммы». Для температуры – градусы Цельсия и Фаренгейта. Ниже – стандартные единицы измерения для силы тока, напряжения и сопротивления:
Величина
Символ
Единица измерения
Аббревиатура единицы измерения
Сила тока
I
Амперы
А (A)
Напряжение
E или V
Вольты
В (V)
Сопротивление
R
Омы
Ω
«Символ», данный каждой величине – это стандартная буква, используемая для того, чтобы представить эту величину в алгебраическом уравнении. Это стандартизированные буквы, используемые в физике и инженерном деле, приняты во всем мире. Столбец «аббревиатура» предназначен для букв, используемых в качестве сокращенного обозначения единиц измерения. И да, вот этот странно выглядящий символ «подковы» – это заглавная греческая буква «Ω» (просто символ иностранного алфавита).
Каждая единица измерения названа в честь знаменитого экспериментатора в науке об электричестве. «Ампер» назван в честь француза Андре-Мари Ампера, «вольт» – в честь итальянца Алессандро Вольта, а «ом» – в честь немца Георга Симона Ома.
Математический символ каждой единицы измерения тоже имеет смысл. Буква «R» – от слова «resistance» (с англ. «сопротивление»), а «V» – от слова «voltage» (с англ. «напряжение»), но выбор символов «E» и «I», на первый взгляд, кажется странным. Считается, что «I» означает «intensity» (с англ. «интенсивность»), и здесь имеется в виду поток зарядов, а «E» означает «electromotive force» (с англ. «электродвижущая сила»). Насколько я знаю, насчет значения «I» все еще есть некоторые споры. По большей части символы «E» и «V» взаимозаменяемы, но в некоторых работах «E» используется для обозначения напряжения в источнике напряжения (вроде батареи или генератора), а «V» – для обозначения напряжения в любом другом месте.
Все эти символы пишутся заглавными буквами, кроме случаев, когда речь о величине (особенно напряжении или силе тока) в короткий момент времени (ее называют «текущей» величиной). Например, напряжение батареи, которое стабильно на протяжении долгого промежутка времени, обозначается заглавной буквой «E», а пик напряжения молнии в момент удара по линии электросети, скорее всего, будет обозначен строчной буквой «e» (или «v»), чтобы показать, что это значение в конкретный момент времени. Аналогичное соглашение используется и для силы тока – строчная «i» означает силу тока в конкретный момент времени. Но при использовании постоянного тока значения этих величин, как правило, стабильны во времени и обозначаются заглавными буквами.
Кулон и электрический заряд
Есть одна фундаментальная единица измерения, которую часто изучают на начальных этапах курсов по электронике, но впоследствии используют нечасто – это «кулон». Это единица электрического заряда, пропорциональная количеству электронов, находящихся в состоянии дисбаланса. Один кулон равен заряду 6250 квадрлн электронов. Символ электрического заряда – это заглавная «Q», а сами кулоны как единица измерения обозначаются заглавной «C». Так вышло, что один ампер (единица измерения силы тока) равен заряду в один кулон, прошедшему через заданную точку в цепи в течение одной секунды. Следовательно, сила тока – это скорость перемещения электрического заряда по проводнику.
Как уже говорилось выше, напряжение – это величина потенциальной энергии на единицу заряда, необходимая для перемещения потока электронов из одной точки в другую. До того, как дать точное определение «вольта», нам нужно понимать, как именно измеряется вот эта «потенциальная энергия». Стандартная единица измерения любой энергии – это джоуль, который равен количеству работы, выполненной для того, чтобы применить силу в 1 ньютон на расстояние в 1 метр в том же направлении. Если говорить научным языком, 1 вольт равен 1 джоулю электрической потенциальной энергии, поделенной на 1 кулон заряда. Следовательно, 9-вольтная батарея будет высвобождать 9 джоулей энергии с каждым кулоном заряда, перемещенным по цепи.
Все эти единицы измерения и символы электрических величин скоро станут очень важны, т.к. мы начнём изучать взаимоотношения между ними в электрических цепях.
Формула закона Ома
Главным открытием Ома было то, что сила тока, прошедшего через металлический проводник в цепи, прямо пропорциональна напряжению в цепи при любой температуре. Ом выразил свое открытие в виде простой формулы, описав в нем, как напряжение, сила тока и сопротивление соотносятся друг с другом:
[Картинка]
В этом алгебраическом выражении напряжение (E) равно силе тока (I), умноженной на сопротивление (R). Используя алгебраические методы, мы можем преобразовать эту формулу в два других ее варианта – чтобы рассчитать I и R.
[Картинка]
Анализ простых цепей с помощью закона Ома
Давайте разберемся, как эти формулы могут помочь нам в анализе простых цепей:
[Картинка «1.jpg»]
На схеме выше есть только один источник напряжения (батарея слева) и только один источник сопротивления (лампа справа). Это сильно упрощает применение закона Ома. Если нам известны любые две из трёх величин (напряжения, силы тока и сопротивления) в этой цепи, то мы при помощи закона Ома можем определить и третью.
Ниже – первый пример, в котором мы рассчитаем силу тока (I) цепи при помощи напряжения (E) и сопротивления (R):
[Картинка «2.jpg»]
Так какова сила тока (I) в этой цепи?
[Картинка]
Во втором примере мы рассчитаем сопротивление (R) цепи при помощи значений напряжения (E) и силы тока (I):
[Картинка «3.jpg»]
И каково же сопротивление (R), производимое лампой?
[Картинка]
В последнем примере мы рассчитаем напряжение, генерируемое батареей, используя значения силы тока (I) и сопротивления (R).
[Картинка «4.jpg»]
И каково же напряжение, генерируемое батареей?
[Картинка]
Треугольник Ома
Закон Ома – это очень простой и полезный инструмент для анализа электрических цепей. Он так часто используется для изучения электричества и электроники, что любой уважающий себя студент должен знать его назубок. Но если вы из тех, кто не очень дружит с алгеброй, то можете воспользоваться мнемоническим трюком, позволяющим быстро узнать напряжение, силу тока или сопротивление, зная лишь две из этих величин. Сначала давайте поместим буквы «E», «I» и «R» в треугольник – вот так:
[Картинка]
Если вы знаете E и I, но хотите рассчитать R, просто уберите R из треугольника и посмотрите, что осталось:
[Картинка]
Если вы знаете E и R, но хотите определить I, уберите I и посмотрите, что осталось:
[Картинка]
И, наконец, если вы знаете I и R, но хотите определить E, уберите E и посмотрите, что осталось:
[Картинка]
В конечном счете вам всё же нужно будет подружиться с алгеброй, т.к. в серьезном изучении электричества и электроники без нее никуда, но этот прием позволит чуть упростить ваши первые расчёты. А если вы уже дружите с алгеброй, просто заучите формулу «E = IR» и, когда необходимо, убирайте нужный элемент.
ИТОГО:
• Напряжение измеряется в вольтах и обозначается буквами «E» и «V» • Сила тока измеряется в амперах и обозначается буквой «I» • Сопротивление измеряется в омах и обозначается символом «R» • Закон Ома: E = IR, I = E/R, R = E/I