Электрическая цепь и закон Ома

Электрическая цепь является основой любого, радиотехнического устройства, в том числе и тех усилителей низкой частоты и приемников, конструировать которые ты собираешься. А пока разберись в Простейшей электрической цепи и ее законах, в расчетах некоторых ее элементов.

Итак, простейшая электрическая цепь (рис. -5). Ее можно составить из источника постоянного тока (GB), его нагрузки (R), то есть потребителя тока, выключателя (S) и соединительных проводников. Источником тока может быть батарея 3336Л, потребителем — лампочка накаливания, рассчитанная на напряжение 3,5 В и ток 0,26 А (или резистор — радиодеталь, обладающая определен-хным сопротивлением), выключателем — тумблер или звонковая кнопка, соединительными проводниками — отрезки изолированного провода. Составь такую цепь, разложив ее элементы прямо на столе. Она должна напоминать тебе цепь электрического фонаря. Все точки соединения желательно пропаять, так как только пайка обеспечивает надежный электрический контакт. Если батарея свежая (новая), нГить накала лампочки исправна, все соединения надежны, то при замыкании контактов выключателя S в цепи потечет ток и лампочка станет ярко светиться. Проверь, так ли это.

Из подобных электрических цепей, только с другими элементами, будут слагаться все твои будущие радиотехнические устройства.

Запомни: ток во всей внешней части цепи течет от положительного к отрицательному полюсу батареи.

При последовательном соединении ток во всей цепи и в каждом из ее участков одинаков. Проверить это ты можешь с помощью амперметра постоянного тока. Включи его, например, в разрыв цепи между положительным полюсом батареи и лампочкой. На схеме, показанной на рис. 5, эта точка включения амперметра обозначена крестом. Затем амперметр включи между выключателем и отрицательным полюсом батареи. Всюду, в какой бы точке цепи ты ни включал измерительный прибор, его стрелка будет фиксировать одно и то же значение тока — около 0,2 А. По мере разрядки батареи ток в цепи уменьшается, а свет лампочки тускнеет.

Теперь проведи такой опыт. Разомкни цепь выключателем. Подключи к батарее вольтметр PU (рис. 6), чтобы измерить напряжение на ней, а затем, не отключая вольтметра от батареи, вновь замкни цепь. Есть разница в показаниях вольтметра?

После замыкания цепи вольтметр должен показывать несколько меньшее напряжение: он показывает напряжение, развиваемое батареей на концах внешней цепи, которое всегда меньше «холостого» напряжения батареи. Часть же напряжения падает (гаснет, теряется) на ее внутреннем сопротивлении. По мере разрядки батареи ее внутреннее сопротивление и падение напряжения на нем увеличиваются.

Следующий опыт. Включи последовательно в цепь еще одну такую же «лампочку накаливания (рис. 7). Как горят лампочки? Вполнакала. Так и должно быть. Почему?

Если не учитывать сопротивления соединительных проводников и контактов выключателя, которые малы по сравнению с сопротивлением нитей накала лампочек, сопротивление внешнего участка цепи увеличится примерно вдвое. Теперь напряжение батареи оказывается приложенным к нитям накала двух лампочек. На каждую из них приходится вдвое меньшее напряжение, чем ранее на одну. Соответственно уменьшились ток, текущий через лампочки, и накал их нитей.

В замкнутой электрической цепи соотношение между действующим в ней напряжением, силой тока, развиваемой этим напряжением, и сопротивлением цепи определяется законом Ома: ток I прямо пропорционален напряжению U и обратно пропорционален сопротивлению R. Математически этот закон электрической цепи выглядит так:

I = U/R или U =I*R или R = U/I.

Учти: ток I, напряжение U и сопротивление R в формулах этого закона должны выражаться в основных электрических величинах — амперах (А), вольтах (В) и омах (Ом).

Этот закон справедлив и для участка цепи, например для лампочки накаливания или резистора, включенных в замкнутую цепь. В этом ты можешь убедиться сейчас же, составив такую же цепь, как та, схема которой изображена на рис. 8. Если напряжение батареи (35=4,5 В, а сопротивление резистора R = 10 Ом, то амперметр РА2 будет показывать ток, равный 0,45 А (450 мА), а вольтметр PU1 — около 4,5 В. В данном случае все напряжение батареи через амперметр, внутреннее сопротивление которого мало, приложено к резистору R, поэтому на нем падает почти все напряжение источника тока.

Замени резистор другим резистором с номинальным (обозначенным на его корпусе) сопротивлением 20...30 Ом. Вольтметр, подключенный к резистору, должен показывать то же напряжение. А амперметр? Амперметр покажет значение тока меньшее, чем в предыдущем случае. Если, например, сопротивление резистора 30 Ом, то амперметр покажет ток 0,15 А (150 мА). Впрочем, зная сопротивление резистора и падение напряжения на нем, значение тока в цепи ты можешь узнать, не глядя на стрелку амперметра. Для этого надо лишь разделить показание вольтметра (в вольтах) на сопротивление резистора (в омах), то есть решить задачу, пользуясь формулой закона Ома

I= U/R.

Приемник или усилитель — это не просто электрическая цепь, а взаимосвязанные цепи, где одна цепь управляет другой, электрическая энергия из одной цепи передается в другую. Наглядной иллюстрацией этого может быть, например, такой опыт (рис. 9). Подключи к батарее 3336Л проволочный переменный резистор сопротивлением 10...15 Ом, а между одним из его крайних выводов и движком (роль такого резистора может выполнить небольшая часть спирали электроплитки) включи ту же лампочку накаливания. Движок резистора поставь в среднее положение относительно крайних выводов.

Как горит лампочка? Вполнакала. Передвинь движок к крайнему нижнему (по схеме) выводу. Как теперь? Совсем не горит. А если движок будет вр крайнем верхнем (опять-таки по схеме) положении? Лампочка станет гореть полным накалом. Как видишь, с помощью переменного резистора можно плавно уменьшать и увеличивать накал электролампочки. ,

В этом опыте две взаимосвязанные цепи. Первую цепь образуют батарея GB и резистор R, вторую — лампочка Я и та часть резистора между его нижним (по схеме) выводом и движком, к которому лампочка подключена. На всем резисторе падает все напряжение батареи. А та часть этого напряжения, которая приходится на нижний участок резистора, через движок подается на нить накала лампочки. И чем больший участок резистора вводится во вторую цепь, тем больше напряжение на нити накала лампочки, тем ярче она светится.

Переменный резистор, используемый таким ббразом, выполняет роль делителя напряжения батареи, или, как еще говорят, потенциометра. В Данном случае он делит напряжение батареи на две части и одну ее часть, которую можно регулировать, передает в управляемую им вторую цепь. Забегая вперед, скажем, что принципиально именно так происходит регулирование громкости в приемниках и усилителях низкой частоты.

С помощью делителя напряжения ту же лампочку можно питать от батареи, напряжение которой значительно больше того напряжения, на которое рассчитана ее нить накала.

Роль делителя могут выполнять также два постоянных резистора, как показано на схеме рис. 10. Здесь сопротивление резистора R2 должно быть таким, чтобы на этом участке делителя падало напряжение, соответствующее номинальному напряжению лампочки Н. В том случае, если напряжение батареи вдвое больше напряжения, которое надо подвести к лампочке, сопротивления резисторов делителя R1R2 должны быть примерно одинаковыми.

Подобные делители напряжения ты можешь увидеть практически в любом радиотехническом устройстве. Они будут непременными элементами и твоих конструкций.

Есть, однако, другой способ питания той же лампочки от батареи большего напряжения — путем включения в цепь гасящего резистора, то есть резистора, который будет гасить некоторую часть напряжения источника питания. Соедини последовательно две батареи 3336Л — получится батарея напряжением 9 В. Подключи к ней ту же лампочку (3,5 В X 0,26 А), но так, как показано на схеме рис. 11, — через резистор RГас сопротивлением 20...25 Ом, рассчитанный на мощность рассеяния не менее 1 Вт. Резистор такого сопротивления можно составить из двух резисторов мощностью по 0.5 Вт, то есть резисторов типа МЛТ-0,5 с номиналами 39...51 Ом, соединив их параллельно. Лампочка, как видишь, светится нормально, только, возможно, резистор немного греется.

В этом опыте резистор и нить накала лампочки тоже, по существу, образуют делитель напряжения. На, нити накала падает напряжение (около 3,5 В), соответствующее ее сопротивлению (около 13 Ом), поэтому она светится. Остальное напряжение батареи падает на резисторе. Резистор, таким образом, гасит (поглощает) избыточное напряжение батареи, поэтому его обычно и называют гасящим.

С другой точки зрения, резистор ограничивает ток в цепи, а значит, и ток, текущий через нить накала лампочки. Поэтому его можно также называть ограничительным. Задача же его одна - создать для лампочки условия, при которых бы ее нить накала нормально светилась и не перегорала.

Сопротивление гасящего (ограничительного) резистора рассчитывают, исходя из того избыточного напряжения, которое им надо погасить, и тока, необходимого для питания полезной нагрузки. В проведенном опыте полезной нагрузкой была Лампочка, нить накала которой рассчитана на напряжение 3,5 В и ток 0,26 А. А так как напряжение батареи 9 В, значит, резистор, являющийся участком цепи, должен гасить напряжение 5,5 В при токе 0,26 А. . .

Каково должно быть сопротивление этого резистора?

По закону Ома — около 20 Ом (R = U/I = 5,5в/0,26 A =20 Ом). При напряжении батареи 9 В резистор такого сопротивления не пропустит через себя к нагрузке ток более 0,26 А.

А какова должна быть мощность рассеяния этого резистора? Подсчитай ее по такой, возможно, уже знакомой тебе формуле: Р=UI. В этой формуле U — напряжение в вольтах, которое резистор должен погасить, а I - ток в амперах, который должен быть в нагрузке. Следовательно, для нашего примера мощность, выраженная в ваттах (Вт), рассеиваемая гасящим резистором, составляет: Р = 5,5-0,26 =1,43 Вт. Значит, резистор должен быть рассчитан на мощность рассеяния не менее 1,5 Вт,

Это может быть, например, резистор типа МЛТ-2,0 или проволочный. Если резистор будет на меньшую мощность рассеяния, например МЛТ-1,0 или МЛТ-0,5, то он обязательно будет греться, что, возможно, и было в твоем опыте, и даже может сгореть.

Гасящие резисторы будут весьма многочисленными элементами электрических; цепей твоих будущих кон-струкций.

Тебе придется также рассчитывать и мощности, потребляемые конструкциями от источников питания. Это для того, например, чтобы знать, на какой срок работы приемника или усилителя хватит электрической емкости питающей его батареи. Мощность, потребляемую от источника тока, узнают умножением напряжения на концах цепи на ток в цепи. Так, например, мощность, потребляемая лампочкой накаливания, используемой тобой для опытов, составляет около 1 Вт (Р= UI=3,5*0,26= 0,91 Вт).

Электрическая емкость батареи 3336Л равна 0,5 А-ч (ампер-час). Раздели эту емкость на мощность, потребляемую лампочкой, и ты узнаешь, на какое время (в часах) энергии батареи хватит на питание лампочки. Да, всего полчаса. А если батарея уже частично разряжена, то и того меньше.

Забегая вперед, открой страницу 102. Там на рис. 76 изображена принципиальная схема трехкаскадного усилителя низкой частоты. Усилитель можно питать от двух батарей 3336Л, соединенных последовательно. Средний ток, потребляемый от батареи транзисторами двухтактного выходного каскада, являющегося усилителем мощности, составляет 20...25 мА, токи двух других транзисторов — -по 1...1,5 мА. Подсчитай, сколько времени будет работать усилитель от такой батареи.

В заключение — небольшая консультация, имеющая прямое отношение к теме этого практикума. Дело в том, что на принципиальных электрических схемах и в объяснениях работы радиоаппаратуры номинальные сопротивления резисторов принято обозначать в омах (например, (R1 220), килоомах (R5 5,1 к), мегаомах (R4 1М; R7 1,5М). В то же время на малогабаритных резисторах, выпускаемых нашей промышленностью, их номинальные сопротивления обозначены по другой условной системе: единицу сопротивления Ом обозначают буквой Е, килоом — К, мегаом — М. Сопротивления резисторов от 100 до 910 Ом выражают в долях килоома, а сопротивления от 100 кОм до 990 кОм — в дрлях мегаома.

Если сопротивление резистора выражают целым числом, то буквенное обозначение единицы измерения ставят после этого числа, например: 27Е (27 Ом), 51К (51 кОм), 1М (1 МОм). Если сопротивление резистора выражают десятичной дробью меньше единицы, то буквенное обозначение единицы измерения располагают перед числом, например: К51 (510 Ом), М47 (470 кОм).

Выражая сопротивление резистора целым числом с десятичной дробью, целое число ставят перед буквой, а десятичную дробь — за буквой, символизирующей единицу измерения. Например: 5Е1 (5,1 Ом), 4К7 (4,7 кОм), 1М5(1,5МОм).

Литература:  Борисов В. Г. Практикум начинающего радиолюбителя.2-е изд., перераб. и доп. — М.: ДОСААФ, 1984. 144 с., ил. 55к.

1 2439 Для начинающих
закон Ома начинающим
Комментарии (2):
#1 Андрей Октябрь 18 2013
0

ток течет от отрицательного потенциала к положительному. соответственно от минуса к плюсу. голову не морочьте людям.

#2 root Октябрь 18 2013
0

За направление тока принято направление движения ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ частиц (+). Это было сделано во времена, когда еще не было известно, что подвижными носителями заряда (+) являются отрицательные электроны (-). Так вот и осталось.
Положительные частицы отталкиваются от плюса (+) и притягиваются к минусу (-), поэтому направление тока - ОТ ПЛЮСА К МИНУСУ, независимо от того, что в реальности движется.
Заряды - электроны в металлических проводниках перемещаются, естественно, к плюсу (+). А в электролитах перемещение зарядов идет в обоих направлениях, там носители зарядов - ионы обоих знаков (+)(-). В газах при ионизации также могут образовываться отрицательные или положительные ионы. Но направление тока всегда считают от плюса к минусу.
Поэтому: (+) --> (-)

cashback