Закон ома

На рис. 57 показана схема знакомой тебе простейшей электрической цепи. Эта замкнутая цепь состоит из трех элементов: источника напряжения U, пот­ребителя тока — нагрузки R, которой может быть, например, нить накала

электрической лампы или резистор, и проводников, соединяющих источник напряжения с нагрузкой. Между прочим, если эту цепь дополнить выключа­телем, то получится полная схема карманного электрического фонаря.

Нагрузка R, обладающая определенным сопротивлением, является участком цепи. Величина тока на этом участке цепи зависит от действующего на нем напряжения и его сопротивления: чем больше напряжение и меньше сопротивление, тем больший ток будет идти по этому участку цепи. Эта зависи­мость тока от напряжения и сопротивления выражается следующей формулой:

I= U/R,

где I—ток, выраженный в амперах (A); U — напряжение в вольтах (В); R — сопротивление в омах (Ом). Читается это математическое выражение так: ток в участке цепи прямо пропорционален напряжению на нем и обратно пропорционален его сопротивлению. Это основной закон электротехники, име­нуемый законом Ома (по фамилии Ома) для участка электрической цепи.

Закон Ома можно записать еще так:

U=IR или R=U/L

Используя закон Ома, можно по двум известным величинам узнать неиз­вестную третью. Вот несколько примеров практического применения закона Ома.

Первый пример. На участке цепи, обладающем сопротивлением 5 Ом, действует напряжение 25 В. Надо узнать значение тока на этом участке цепи.

Решение:

I= U/R = 25/5 = 5 А.

Второй пример. На участке цепи действует напряжение 12 В, создавая ток, равный 20 мА. Каково сопротивление этого участка цепи?

Прежде всего ток 20 мА нужно выразить в амперах. Это будет 0,02 А. Тогда

R =U/I1= 12/0,02 = 600 Ом.

Третий пример. Через участок цепи сопротивлением 10 кОм течет ток 20 мА. Каково напряжение, действующее на этом участке цепи?

Здесь, как и в предыдущем примере, ток должен быть выражен в амперах (20 мА = 0,02 А), а сопротивление — в омах (10 кОм = 10000 Ом). Следова­тельно,

U=IR — 0,02 • 10 000 = 200 В.

На цоколе лампочки плоского карманного фонаря выштамповано: 0,28 А и 3,5 В. О чем говорят эту сведения? О том, что лампочка будет нормально светиться при токе 0,28 А, который обусловливается напряжением 3,5 В. Поль­зуясь законом Ома, нетрудно подсчитать, что накаленная нить лампочки имеет сопротивление

R = U/I = 3,5/0,28 = 12,5 Ом.

Это, подчеркиваю, сопротивление накаленной нити лампочки. А сопротив­ление остывшей нити лампочки значительно меньше.

Закон Ома справедлив не только для участка, но и для всей электри­ческой цепи. В этом случае в значение R подставляется суммарное сопротив­ление всех элементов цепи, в том числе и внутреннее сопротивление источника тока. Однако при простейших расчетах цепей обычно пренебрегают сопротив­лением соединительных проводников и внутренним сопротивлением источника тока. В связи с этим приведу еще один пример. Напряжение электроосвети­тельной сети 220 В. Какой ток потечет в цепи, если нагрузка имеет сопро­тивление 1000 Ом?

Решение: I= U/R = 220/1000 = 0,22 А. Примерно такой ток потребляет электрический паяльник.

Всеми этими формулами, вытекающими из закона Ома, можно пользо­ваться и для расчета цепей переменного тока, но при условии, если в цепях нет катушек и конденсаторов.

Теперь затронем такой вопрос: как влияет на ток резистор, включаемый в Цепь последовательно с нагрузкой или параллельно ей?

Разберем такой пример. У нас имеется лампочка от круглого электрического фонаря, рассчитанная на напряжение 2,5 В и ток 0,075 А. Можно ли питать

эту лампочку от батареи 3336Л, начальное напряжение которой 4,5 В? Нетрудно подсчитать, что накаленная нить этой лампочки имеет сопротивление немногим больше 30 Ом. Если же питать ее от свежей батареи 3336л, то через нить лампочки, по закону Ома, пройдет ток, почти вдвое превышающий тот ток, на который она рассчитана. Такой перегрузки нить не выдержит, она перека­лится и разрушится. Но эту лампочку все же можно питать от батареи 3336Л„ если включить последовательно в цепь добавочный резистор сопротив­лением 25 Ом, как это показано на рис. 58. В этом случае общее сопротивле­ние внешней цепи будет равно примерно 55 Ом, т. е. 30 Ом — сопротивление нити лампочки Л плюс 25 Ом — сопротивление добавочного резистора R. В цепи, следовательно, потечет ток, равный примерно 0,08 А, т. е. почти такой же, на который рассчитана нить накала лампочки. Эту лампочку можно питать от батареи и с более высоким напряжением и даже от электроосветительной сети, если подобрать резистор соответствующего сопротивления.

В этом примере добавочный резистор ограничил ток в цепи до нужного нам значения. Чем больше будет сопротивление резистора, тем меньше будет и ток в цепи. В данном случае в цепь было включено последовательно два сопротивления: сопротивление нити лампочки и сопротивление резистора. А при последовательном соединении сопротивлений ток одинаков во всех точках цепи. Можно включать амперметр в любую точку цегш, и всюду он будет показывать одно значение. Это явление можно сравнить с потоком воды в реке. Русло реки на различных участках может быть широким или узким, глубоким или мелким. Однако за определенный промежуток времени через любой участок русла реки всегда проходит одинаковое количество воды.

Добавочный резистор, включаемый в цепь последовательно с нагрузкой (как, например, на рис. 58), можно рассматривать как резистор, «гасящий» часть напряжения, действующего в цепи. Напряжение, которое гасится доба­вочным резистором, или, как говорят, падает на нем, будет тем большим, чем больше сопротивление этого резистора. Зная ток и сопротивление доба­вочного резистора, падение напряжения на нем легко подсчитать по знакомой тебе формуле

U = IR,

Где U — падение напряжения, В; I — ток в. цепи, A; R — сопротивление доба­вочного резистора, Ом.

Применительно к нашему примеру резистор R (рис. 58) погасил избыток напряжения: U = IR =0,08*25 = 2 В. Остальное напряжение батареи, равное приблизительно 2,5 В, падало на нити лампочки.

Необходимое сопротивление резистора можно найти по другой знакомой тебе формуле

R= U/I,

Где R —искомое сопротивление добавочного резистора, Ом; U — напряжение, которое необходимо погасить, В; I — ток в цепи, А. Для нашего примера (рис. 58) сопротивление добавочного резистора равно: R = U/I = 2/0,075 = 26 Ом.

Изменяя сопротивление, можно уменьшить или увеличить напряжение, ко­торое падает на добавочном резисторе, и таким образом регулировать ток в цепи. Но добавочный резистор R в этой цепи может быть переменным (рис. 59), т. е. резистором, сопротивление которого можно изменять. В этом случае с помощью движка резистора имеется возможность плавно изменять напряжение, подводимое к нагрузке Л, а значит, плавно регулировать ток, протекающий через эту нагрузку. Включенный таким образом переменный ре­зистор называют реостатом. С помощью реостатов регулируют токи в це­лях приемников и усилителей. Во многих кинотеатрах реостаты используют для плавного гашения света в зрительном зале.

Есть, однако, и другой способ подключения нагрузки к источнику тока с избыточным напряжением — тоже с помощью переменного резистора, но включенного потенциометром, т. е. делителем напряжения, как пока­зано на рис. 60. Здесь R1 — резистор, включенный потенциометром, a R2— нагрузка, которой может быть та же лампочка для карманного фонаря или какой-то другой прибор. На резисторе происходит падение напряжения источника тока, которое частично или полностью может быть подано к на­грузке R!2. Когда ползунок резистора находится в крайнем нижнем (по схеме) положении, к нагрузке напряжение вообще не подается (если это лампочка, она гореть не будет). По мере перемещения ползунка резистора вверх мы будем подавать все большее напряжение к нагрузке R2 (если это лампочка, ее нить будет накаливаться). Когда же ползунок резистора окажется в крайнем верхнем положении, К нагрузке R2 будет подано все напря­жение источника тока (если R2 — лампочка для карманного фонаря, а напряже­ние источника тока большое, нить лампочки перегорит). Можно опытным путем найти такое положение ползунка переменного резистора, при котором * нагрузке будет подано необходимое ей напряжение.

Переменные резисторы, включаемые потенциометрами, широко используют для регулирования громкости в приемниках и усилителях.

Резистор может быть непосредственно подключен параллельно нагрузке. В таком случае ток на этом участке цепи разветвляется и идет двумя парал­лельными путями: через добавочный резистор и основную нагрузку. Наиболь­ший ток будет в ветви с наименьшим сопротивлением. Сумма же токов обеих ветвей будет равна току, расходуемому на питание всей внешней цепи.

К параллельному соединению прибегают в тех случаях, когда надо огра­ничить ток не во всей цепи, как при последовательном включении добавочного резистора, а только в каком-то участке ее. Добавочные резисторы подклю­чают, например, параллельно миллиамперметрам или микроамперметрам, чтобы ими можно было измерять большие токи. Такие резисторы называют шунтирующими резисторами или шунтами. Слово шунт означает «ответв­ление».

В. Г. Борисов. Юный Радиолюбитель