Читаем электрические схемы. Сопротивление и Закон Ома

Из прошлой статьи вы теперь знаете, что электрический ток характеризуется такими параметрами, как сила тока и напряжение. Но есть ли взаимосвязь между этими параметрами? Оказывается есть…

Для дальнейшего понимания процесса давайте еще раз рассмотрим нашу водобашню:

На рисунке мы видим башню с автоматической регулировкой уровня воды. То есть сколько бы мы не тратили воду из башни, водонасос в будке всегда будет подавать воду до нужного уровня и потом отключаться. Если перевести на язык электроники, то получаем, что «напряжение» на дне водобашни постоянно.

Но вот наступил кризис и вашему соседу стало влом платить высокие тарифы за воду, и поэтому как-то ночью он сделал врезку большого диаметра прямо у подножия водобашни.

Как только просверлил отверстие, вода бурным потоком хлынула из башни. Что можно сказать в этом случае? Сила потока через отверстие оказалась приличная, так как башня у нас под завязку наполнена водой, и уровень воды не собирается падать, так как у нас сразу же подключается мощный насос автоматической подачи воды из артезианской скважины. Если бы воды в башне было пару ведер, то и поток воды был бы очень слабый. С этим вроде бы все понятно.

Теперь другой случай.

Допустим, у вас сосед мажор. Катается на Ладе-Весте и ездит отдыхать в Крым). Забашлять 100 рублей в месяц за чистую воду — сущая ерунда. Но пока он загорал в Крыму, его дети, которых он оставил теще, пробрались в гараж, нашли шуруповерт и набор свёрл. Ну и как это часто бывает, захотелось им вдруг что-то посверлить. Но тут вдруг пришла теща и с криком: » А ну съ… ли с папкиного гаража!» разогнала детей, которые все-таки успели стырить шуруповерт и свёрла. И вот им на глаза попалась одиноко стоящая башня… и все произошло, как по первому сценарию… Просверлили тонкое отверстие прямо у подножия водобашни.

Что можно сказать в этом случае? Давление такое же, как и в первом случае, так как уровень воды в башне такой же. Теперь вопрос на засыпку.

В каком случае по аналогии с электроникой у нас сила тока будет больше?

Итак, мы помним, сила тока — это количество электронов, которое проходит через поперечное сечение проводника за какое-то определенное время. В основном за секунду. Так в каком случае у нас количество молекул воды вытекающей из башни за секунду будет больше? В первом или втором случае? Разумеется в первом, так как сосед не стал мелочится и сделал отверстие большого диаметра, а салаги сверлили пол дня отверстие маленьким диаметром, так как не нашли большого сверла. В этом случае сила потока воды зависит от диаметра отверстия. По аналогии с гидравликой, сила тока, получается, зависит от диаметра проводка. Чем тоньше проводок, тем меньше силы тока по нему может течь, иначе проводок сгорит. С этим мы с вами еще разбирались в прошлой статье. Ну вот мы и плавно подходим к такому понятию в электронике, как сопротивление.

Значит, диаметр отверстия очень много значит для потока жидкости. Диаметр  отверстия в данном случае и есть поперечное сечение трубы, так ведь? А что будет, если мы в отверстие, которое просверлили в башне, всунем стометровую трубу. Думаю, ни для кого не будет секретом, что выходящий поток воды из трубы будет меньше, чем сразу из отверстия башни. Почему так происходит? Дело все в том, что вода трется об стенки трубы. То есть стенки трубы создают сопротивление потоку воды. Поэтому, чем длиннее труба, тем больше будет сопротивление потоку на выходе трубы. А чем больше сопротивление, тем меньше давление, читаем как напряжение.

Также и в электронике. Провода одинаковых диаметров и сделанных из одинакового материала, но разных длин, обладают также разным сопротивлением. У длинного провода сопротивление будет больше, нежели у короткого провода.

И еще один нюанс.

Через какую трубу лучше побежит водичка? На которой налипли какашки, либо через чистую?

Разумеется через чистую трубу поток воды будет проходить лучше, чем через грязную.

То же самое можно сказать и про провода. Различные металлы обладают различной проводимостью.

Теперь обобщим все вышесказанное. Получается, что сопротивление проводка зависит от площади поперечного сечения, от его длины, а также от материала, из которого он изготовлен. Все это формулой будет выглядеть вот так:

В качестве сопротивления в электронике используется радиоэлемент резистор:

Когда электрический ток проходит через резистор, то в цепи начинает меняться сила тока. Для простоты понимания с точки зрения гидравлики резистор можно изобразить, как вентильную заслонку:

которая меняет свое сопротивления в зависимости от того, насколько приоткрыта заслонка.

Допустим, у нас есть давление в трубе, но заслонка полностью закрыта. В данном случае поток воды стоит на месте и вода никуда не течет. Следовательно, сила потока в трубе равняется нулю. Но как только мы чуток приоткроем заслонку, у нас появится движуха воды, что в свою очередь вызовет поток воды. Нетрудно догадаться, что чем больше мы открываем заслонку, тем сильнее становится поток воды. При полностью открытой заслонке сила потока воды будет максимальной.

Теперь давайте разберем вот еще какой нюанс. При полностью закрытой задвижке у нас на заслонку создавалось полное давление воды. При этом потока воды нет. Оно и понятно, заслонка то не пускает течь воду, хотя вода под давлением.

Но что произойдет, когда мы чуток откроем заслонку? Уменьшится ли давление на саму заслонку? Разумеется. Так как площадь сопротивления заслонки стала меньше. Но также началось и самое интересное. Возникла движуха воды.

А что если мы полностью  откроем кран и выставим заслонку вот в таком положении? Какое давление будет оказывать поток воды на ее площадь?

Думаю, в идеальном случае можно сказать что никакого. В реальном случае очень-очень слабое давление будет оказываться на площадь заслонки, так как она расположена параллельно потоку воды.

А теперь еще один вот такой интересный вопрос: а от чего будет еще зависеть давление на заслонку? От силы потока!  А сила потока от чего? От давления! Чем сильнее поток воды, тем сильнее давление на заслонку. Но опять же, чтобы был поток воды, заслонка должна быть открыть хотя бы наполовину, как в этом рисунке:

Классическая гидравлика, по идее ничего сложного.  А теперь давайте применим все это к электронике 😉

Начнем с азов. Труба — проводок. Напряжение — давление в системе. Молекулы воды — электроны. Сила тока — количество молекул воды, которое прошло через поперечное сечение трубы за 1 секунду. И… ЗАСЛОНКА! Что она делает? Оказывает СОПРОТИВЛЕНИЕ потоку воды. Значит, заслонка — это сопротивление. Полностью закрытая заслонка — очень большое сопротивление (можно сказать обрыв), заслонка параллельно потоку воды, очень маленькое сопротивление (можно сказать 0 Ом).

Но теперь ВНИМАНИЕ!  Площадь заслонки, на которую оказывается давление — это что? Напряжение! И когда давление на заслонке больше всего? Тогда, когда она полностью закрыта . Полностью закрытая заслонка — это сопротивление с бесконечно большим номиналом сопротивления. А когда на заслонку оказывается минимальное давление? Тогда, когда она встает параллельно потоку воды . То есть в этом случае ее сопротивление почти 0 Ом.

Получается, в электронике, как и в гидравлике, у нас на сопротивлении ПАДАЕТ НАПРЯЖЕНИЕ. Чем больше значение сопротивления, тем больше падает напряжение на этом сопротивлении, и наоборот.

И теперь еще один важный момент. От чего зависит давление на заслонку? От  давления в системе, а также от силы потока. Но опять же, чтобы вызвать силу потока, надо заслонку ставить как можно параллельней потоку воды. То есть мы уменьшаем сопротивление и одновременно увеличиваем силу тока. Получается, все эти три параметра, напряжение, сила тока и сопротивление, взаимосвязаны.

Первый, кто это понял, был немецкий физик Георг Ом, который, благодаря опытным путем, смог вывести закономерность напряжения, силы тока и сопротивления:

I — сила тока

U — напряжение

R — сопротивление

В электронике закон Ома всегда стоит на первом месте. Чтобы начать понимать электронику на уровне профи, надо всегда задаваться вопросом, что происходит с силой тока, напряжением и почему здесь стоит сопротивление на этом участке цепи. В следующих главах мы начнем читать простые схемы и смотреть, как ведет себя сила тока и напряжение в цепях.

Резюме

Каждый проводок обладает сопротивлением, которое зависит от его диаметра, от вещества, из которого он сделан, а также от его длины.

В электронике сила тока, напряжение и сопротивление зависят друг от друга по закону Ома: I=U/R

На каждом сопротивлении падает напряжение, и чем больше сила тока, проходящая через сопротивление, тем больше падает напряжение на этом сопротивлении (правило шунта: U=IR)