Сведения по электро- и радиотехнике

*

Закон Ома.

Георг Симон ОМ
Georg Simon Ohm,  1787–1854
Немецкий физик. Родился в Эрлангене 16 марта в 1787 году (по другим источникам он родился в 1789-м). Окончил местный университет. Преподавал математику и естественные науки. В академических кругах его признали достаточно поздно. В 1849 году стал профессором Мюнхенского университета, хотя уже в 1827 году он опубликовал закон, который теперь носит его имя. Помимо электричества занимался акустикой и изучением человеческого слуха.
Георг Ом экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, на который не действуют сторонние силы), пропорционально напряжению U на концах проводника.
I = U/R, где R - электрическое сопротивление проводника.
Уравнение это выражает закон Ома для участка цепи (не содержащего источника тока). Формулировка этого закона следующая:
Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорционально его сопротивлению.
Единица электрического сопротивления системы СИ называется Ом в честь этого выдающегося ученого. Сопротивление проводника в 1 Ом будет в том случае, если при протекающем по нему токе в 1 Ампер, падение напряжения на нём будет 1 Вольт.
Так же при прохождении тока по проводнику, на нём выделяется мощность(он нагревается), и чем больше протекающий по нему ток, тем больше выделяемая на нём мощность.
Как Вы должны знать  U — это работа, выполняемая при перемещении одного кулона, а ток I — количество кулонов, проходящих за 1 сек. Поэтому произведение тока на напряжение показывает полную работу, выполненную за 1 сек, то есть электрическую мощность или мощность электрического тока в Ваттах.
Вывод: поскольку электрическая мощность «P» в одинаковой степени зависит от тока «I» и от напряжения «U», то, следовательно, одну и ту же электрическую мощность можно получить либо при большом токе и малом напряжении, или же, наоборот, при большом напряжении и малом токе.
Из всего этого вытекают следующие формулы для расчётов тока, напряжения, сопротивления, мощности.
Величины, проставляемые в этих формулах; напряжение в вольтах, сопротивление в омах, ток в амперах, мощность в ваттах.


Последняя формула определяет мощность тока и выведена на основании практических опытов, проделанных в 1841 году Д. П. Джоулем и независимо от него в 1842 году, опытами Э. Х. Ленца. Называется Законом Джоуля - Ленца. Звучит так;

Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка.


Закон Ома для участка цепи. Величина тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению


откуда


где I - ток в цепи, А (амперы); U - напряжение на концах цепи, В (вольты); R - сопротивление участка цепи, Ом (омы).

Электрический ток в металлах.

Природа электрического тока в металлах. Все металлы в твёрдом и жидком состоянии являются проводниками электрического тока. Специально поставленные опыты показали, что при прохождении электрического тока масса металлических проводников остаётся постоянной, не изменяется и их химический состав. На этом основании можно было предположить, что в создании электрического тока в металлах участвуют только электроны. Предположение об электронной природе электрического тока в металлах подтверждено опытами советских физиков Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси и американских физиков Т. Стюарта и Р. Толмена. В этих опытах было обнаружено, что при резкой остановке быстро вращающейся катушки в проводе катушки возникает электрический ток, создаваемый отрицательно заряженными частицами - электронами.

Последовательное соединение сопротивлений (резисторов).

Величина тока в любой точке неразветвлённой цепи одна и та же. Не забываем, что для измерения тока амперметр включается в разрыв.

I=I1=I2=I3.

Общее (эквивалентное) сопротивление равно сумме всех последовательно соединённых сопротивлений:

Rобщ=R1+R2+R3.

Общее напряжение (падение напряжения) равно сумме напряжений (падений напряжений) на отдельных участках цепи:

U=U1+U2+U3

Напряжения на участках цепи прямо пропорциональны сопротивлениям этих участков:

U1=I*R1; U2=I*R2;  U3=I*R3,

следовательно:

I=U1/R1=U2/R2=U3/R3=U/Rобщ.

Резисторы.

Эти детали, пожалуй, наиболее многочисленны в радиоаппаратуре. В транзисторном приёмнике средней сложности, например, их может быть два-три десятка. Используют же их для ограничения тока в цепях, для создания на отдельных участках цепей падений напряжения, для регулировки громкости, тембра звука и т. д.
Для резисторов сравнительно небольших сопротивлений, рассчитанных на токи в несколько десятков миллиампер, используют тонкую проволоку из никелина, нихрома и некоторых других металлических сплавов. Это проволочные резисторы. Для резисторов больших сопротивлений, рассчитанных на сравнительно небольшие токи, используют различные сплавы металлов и углерод, которые тонкими слоями наносят на изоляционные материалы. Эти резисторы называют непроволочными.
Как проволочные, так и непроволочные резисторы могут быть постоянными, т. е. с неизменными сопротивлениями, и переменными, сопротивление которых в процессе работы можно изменять от некоторых минимальных до максимальных значений.
Основные характеристики резисторов: номинальное, т. е. указанное на его корпусе, сопротивление, номинальная мощность рассеяния и наибольшее возможное отклонение действительного сопротивления от номинального.
Мощностью рассеяния резистора называют ту наибольшую мощность тока, которую он может длительное время выдерживать и рассеивать в виде тепла без ущерба для его работы. Если, например, через резистор сопротивлением 100 Ом течёт ток 0,1 А то он рассеивает мощность 1 Вт (P=I^2*R; P=0,1^2*100=0,01*100=1). Если резистор не рассчитан на такую мощность, то он быстро сгорит, разрушится из-за теплового перегрева. Номинальная мощность резистора - это, по существу, характеристика электрической прочности резистора.
Из постоянных резисторов наиболее распространены металлоплёночные резисторы  МЛТ (Металлизованные Лакированные Теплостойкие).
Резисторы МЛТ изготавливают на мощности 2; 1; 0,5; 0,25 и 0,125 Вт. Их обозначают соответственно МЛТ-2, МЛТ-1, МЛТ-0,5, МЛТ-0,25 и МЛТ-0,125.
Наибольшее возможное отклонение действительного сопротивления резистора от номинального выражают в процентах  %. Если, например, номинал резистора 100 кОм с допуском +-10%, это значит, что его фактическое сопротивление может быть от 90 до 110 кОм.

И небольшой рисуночек, для лучшего понимания:


Если мощность больше 2 Вт, то она обозначается внутри резистора, на электрических принципиальных схемах, римскими цифрами, например 5 Вт - V, 7 Вт - VII, 10 Вт - X и т. д.

И небольшой пример с другими номиналами и напряжением источника питания:

Ненагруженный делитель:

Ток. Электродвижущая сила. Напряжение.

Направленное движение зарядов любой природы называется электрическим током. Электрический ток в металлах образуется направленным движением электронов, которое вызывается действием на них электрического поля. Действие сил электрического поля накладывается на беспорядочное тепловое движение электронов, в связи с чем они начинают перемещаться в направлении действия сил поля.

Для образования в проводнике электрического тока необходимо создать и поддерживать в цепи действие электрического поля, другими словами, надо создать в электрической цепи разность потенциалов или приложить к ней напряжение.

Разность потенциалов в электрической цепи создаётся путём разделения зарядов и образования в определённых точках цепи избытка или, наоборот, недостатка зарядов того или другого знака. Обычно разделение зарядов происходит в специальном устройстве, которое называется источником или генератором напряжения. Часто употребляемое выражение источник или генератор тока является менее правильным, так как ток представляет собой движение зарядов, распределённых по всей цепи, а не образующихся в генераторе.

Например, цепь содержащая генератор (обычная батарейка) напряжения. При разомкнутой внешней цепи в связи с происходящими в генераторе процессами на его отрицательном полюсе или выводе, другими словами, образуется избыток электронов, на положительном - их недостаток. Меду полюсами возникает электрическое поле и соответствующая разность потенциалов. Если замкнуть полюса генератора проводником, то под действием поля имеющиеся в проводнике свободные электроны придут в направленное движение по всей цепи, которое будет поддерживаться работой генератора из-за химических реакций происходящих в нём (в батарейке) неминуемо разрушая её внутренние компоненты.

Разделение зарядов в генераторе производится с помощью внешних сил, действующих против кулоновских сил, связывающих разноимённые заряды, на что затрачивается определённая работа. При замкнутой внешней цепи эта работа переходит в кинетическую энергию электронов и может затем полностью или частично превращаться в другие виды, например, в тепло. Работа по разделению зарядов в генераторе производится за счёт внешних источников энергии, которые могут быть различной природы: физической, химической (как в батарейках) и даже биологической.

Исторически в учении об электричестве было введено понятие об электродвижущей силе, образующейся в генераторе, и вызывающей электрический ток в замкнутой цепи. Этим понятием продолжают пользоваться и теперь, связывая его с работой внешних сил по разделению зарядов в генераторе. Электродвижущая сила измеряется работой, которую необходимо совершить для перемещения единичного заряда по всей цепи, включая и внутреннюю цепь генератора. Как видно из этого определения она имеет размерность потенциала. Соответственно электродвижущая сила измеряется разностью потенциалов, или напряжением, но полюсах генератора при разомкнутой внешней цепи. При замкнутой внешней цепи разность потенциалов, или напряжение, U на полюсах генератора равняется разности между электродвижущей силой E и падением напряжения на внутреннем сопротивлении генератора: U=E-I*r. Это следует из закона Ома для полной цепи.

Движение зарядов под действием сил электрического поля начинается сразу и по всей цепи. Однако скорость движения самих зарядов весьма невелика и зависит от их природы. В металлах движение электронов тормозится непрерывными столкновениями с ионами, которые образуют пространственную решётку металла и находятся только в тепловом колебательном движении. Вследствие столкновений электроны всё время теряют скорость, приобретённую ими под действием поля. Средняя скорость их поступательного движения уменьшается, а кенетическая энергия передаётся ионам, усиливая их тепловое движение . Это явление характеризуется как Сопротивление проводника электрическому току.

Сопротивления постоянной величины делаются проволочными или изготовляются из какой-либо проводящей ток массы (уголь, специальные пластмассы). При движении зарядов по проводнику приложенное напряжение расходуется на преодоление сопротивления! Это явление называется падением напряженияна сопротивлении. Падение напряжения U на каком-нибудь участке проводника измеряется произведением тока I на сопротивление R этого участка: U=I*R.

При постоянной величине тока падение напряжения прямо пропорционально сопротивлению проводника, поэтому в однородном проводнике постоянного сечения оно прямо пропорционально длине проводника. Это обстоятельство используют для устройства потенциометра, или иными словами переменного резистора, или делителя напряжения.

Переменный резистор, это те же наши два резистора, Один конец переменного резистора, например А подключается к источнику тока, например к положительному выводу, с средней точки например В подключается нагрузка, второй вывод переменного резистора и нагрузки соединяются вместе и подключаются к минусу источника питания. Поэтому между любыми двумя точками Аи В этого сопротивления действует часть приложенного напряжения U, назовём его U1. Изменяя положение ползунка переменного резистора или сопротивления наших резисторов R1 и Rн, можно регулировать напряжение. При R1 равным 0 напряжение на Rн будет максимальным 5В в нашем случае, а при R1 максимальном, а Rн минимальном =0 и напряжение будет равно 0, на средней точке соединения двух резисторов.