Закон Ома - как напряжение, ток и сопротивление соотносятся
Глава 2 - Закон Ома
Первая, и, возможно, самая важная связь между течением, напряжением и сопротивлением называется законом Ома, обнаруженным Георгом Симоном Омом и опубликованным в его статье 1827 года. Гальваническая схема исследована математически.
Напряжение, ток и сопротивление
Электрическая цепь формируется, когда проводящий путь создается, чтобы позволить свободным электронам непрерывно двигаться. Это непрерывное движение свободных электронов через проводники цепи называется током, и его часто называют «потоком», подобно потоку жидкости через полую трубу.
Сила, мотивирующая электроны «течь» в цепи, называется напряжением. Напряжение - это конкретная 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 электронов из одной конкретной точки в этой схеме в другую конкретную точку. Без ссылки на две конкретные точки термин «напряжение» не имеет смысла.
Свободные электроны стремятся двигаться через проводники с некоторой степенью трения или против движения. Эта оппозиция движению более правильно называется сопротивлением. Количество тока в цепи зависит от количества напряжения, доступного для мотивирования электронов, а также количества сопротивления в цепи для противодействия потоку электронов. Точно так же, как напряжение, сопротивление - это величина относительно двух точек. По этой причине величины напряжения и сопротивления часто указываются как «между» или «поперек» двух точек в цепи.
Единицы измерения: вольт, усилитель и Ом
Чтобы иметь возможность делать осмысленные утверждения об этих величинах в схемах, мы должны иметь возможность описывать их величины таким же образом, чтобы мы могли количественно определять массу, температуру, объем, длину или любую другую физическую величину. Для массы мы можем использовать единицы «килограмм» или «грамм». Для температуры мы можем использовать градусы Фаренгейта или градусы Цельсия. Ниже приведены стандартные единицы измерения электрического тока, напряжения и сопротивления:
«Символ», данный для каждой величины, является стандартной буквенной буквой, используемой для представления этой величины в алгебраическом уравнении. Стандартизованные буквы, подобные этим, распространены в дисциплинах физики и техники и признаны на международном уровне. Аббревиатура «единицы» для каждой величины представляет собой алфавитный символ, используемый в качестве сокращенного обозначения для конкретной единицы измерения. И да, этот странно-выглядящий символ «подковы» является столичной греческой буквой Ω, просто символом иностранного алфавита (извините за любые греческие читатели здесь).
Каждая единица измерения названа в честь известного экспериментатора в области электричества: усилитель после французского Андре М. Ампера, вольта после итальянского Алессандро Вольта и ома после немецкого Георгия Саймона Ома.
Математический символ для каждой величины также имеет смысл. «R» для сопротивления и «V» для напряжения являются само собой разумеющимися, тогда как «I» для тока кажется немного странным. Предполагается, что «я» представляет собой «интенсивность» (электронного потока), а другой символ напряжения «Е» означает «электродвижущая сила». Из каких исследований я смог сделать, по-видимому, существует некоторый спор о значении «I.». Символы «E» и «V» являются взаимозаменяемыми по большей части, хотя некоторые тексты резервируют «E» для представления напряжения на источнике (например, батареи или генератора) и «V», чтобы представить напряжение во всем остальном.
Все эти символы выражаются с использованием заглавных букв, за исключением случаев, когда количество (особенно напряжение или ток) описывается в терминах короткого периода времени (называемого «мгновенным» значением). Например, напряжение батареи, которая стабильна в течение длительного периода времени, будет символизироваться заглавной буквой «E», в то время как пик напряжения удара молнии в тот момент, когда он попадает в линию электропитания, скорее всего будет быть обозначены буквой «e» в нижнем регистре (или нижним регистром «v»), чтобы обозначить это значение как единое время во времени. Это же самое нижеследующее соглашение справедливо и для тока, а нижняя буква «i» представляет ток в некоторый момент времени. Однако большинство измерений постоянного тока (DC), будучи стабильными с течением времени, будут символизироваться прописными буквами.
Кулоновская и электрическая зарядка
Одна основополагающая единица электрических измерений, часто преподаваемая в начале курсов электроники, но используемая нечасто после этого, является единицей кулона, которая является мерой электрического заряда, пропорциональной числу электронов в несбалансированном состоянии. Один кулон заряда равен 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Символом для величины электрического заряда является заглавная буква «Q» с единицей кулонов, сокращенно заглавными буквами «C.». Так получилось, что блок для электронного потока, усилитель, равен 1 кулонову электронов, проходящих мимо заданная точка в цепи за 1 секунду времени. В этих терминах ток - это скорость движения электрического заряда через проводник.
Как указывалось выше, напряжение является мерой потенциальной энергии на единицу заряда, доступной для мотивирования электронов от одной точки к другой. Прежде чем мы сможем точно определить, что такое «вольт», мы должны понять, как измерить эту величину, которую мы называем «потенциальной энергией». Общая метрическая единица для любой энергии равна джоулю, равному объему работы, выполняемой силой из 1 Ньютона, приложенного движением 1 метра (в том же направлении). В британских подразделениях это немного меньше 3/4 фунта силы, действующей на расстоянии 1 фут. В общих чертах, требуется около 1 джоуля энергии, чтобы поднять вес 3/4 фунта на 1 фут от земли или перетащить что-то на расстоянии 1 фута, используя параллельное тяговое усилие 3/4 фунта. Определенный в этих научных терминах, 1 вольт равен 1 джоулю электрической потенциальной энергии на (делится на) 1 кулон заряда. Таким образом, 9-вольтовая батарея высвобождает 9 джоулей энергии для каждого кулона электронов, перемещаемых по цепи.
Эти единицы и символы для электрических величин станут очень важными, поскольку мы начнем исследовать отношения между ними в схемах.
Уравнение закона Ома
Основное открытие Ома заключалось в том, что количество электрического тока через металлический проводник в цепи прямо пропорционально напряжению, наносимому через него, при любой заданной температуре. Ом выразил свое открытие в виде простого уравнения, описывающего взаимосвязь напряжения, тока и сопротивления:
В этом алгебраическом выражении напряжение (E) равно току (I), умноженному на сопротивление (R). Используя методы алгебры, мы можем манипулировать этим уравнением в два варианта: решение для I и для R соответственно:
Анализ простых схем с законом Ома
Посмотрим, как эти уравнения могут помочь нам проанализировать простые схемы:
В приведенной выше схеме имеется только один источник напряжения (батарея слева) и только один источник сопротивления току (лампа справа). Это очень упрощает применение Закона Ома. Если мы знаем значения любых двух из трех величин (напряжения, тока и сопротивления) в этой цепи, мы можем использовать Закон Ома для определения третьего.
В этом первом примере мы вычислим величину тока (I) в цепи, заданную значения напряжения (E) и сопротивления (R):
Какова величина тока (I) в этой схеме? // www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/10004.png" />
В этом втором примере мы рассчитаем величину сопротивления (R) в цепи, заданную значения напряжения (E) и тока (I):
Какова величина сопротивления (R), предлагаемая лампой "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/10005.png">
В последнем примере мы рассчитаем величину напряжения, подаваемого батареей, с учетом значений тока (I) и сопротивления (R):
Какое количество напряжения обеспечивается батареей "// www.beautycrew.com.au//sub.allaboutcircuits.com/images/10006.png">
Закон Ома - очень простой и полезный инструмент для анализа электрических цепей. Он используется так часто в изучении электричества и электроники, что он должен быть привязан к памяти серьезным учеником. Для тех, кто еще не устраивает алгебру, есть трюк, чтобы вспомнить, как решить любую сумму, учитывая две другие. Сначала расположите буквы E, I и R в треугольнике следующим образом:
Если вы знаете E и I и хотите определить R, просто исключите R из картинки и посмотрите, что осталось:
Если вы знаете E и R и хотите определить I, устраните я и посмотрите, что осталось:
Наконец, если вы знаете I и R и хотите определить E, устраните E и посмотрите, что осталось:
В конце концов, вы должны быть знакомы с алгеброй, чтобы серьезно изучать электричество и электронику, но этот совет может сделать ваши первые вычисления немного легче запомнить. Если вам нравится алгебра, все, что вам нужно сделать, это зафиксировать E = IR в памяти и вывести из нее две другие формулы, когда они вам понадобятся!
- ОБЗОР:
- Измерение напряжения в вольтах, обозначенное буквами «E» или «V».
- Ток измеряется в усилителях, обозначенных буквой «I».
- Сопротивление измеряется в омах, обозначенное буквой «R».
- Закон Ома: E = IR; I = E / R; R = E / I
Попробуйте наш калькулятор LawOhm в разделе «Инструменты».