• Дать определение закона Ома, связывающего ток, напряжение и сопротивление.
• С помощью закона Ома находить ток, напряжение и сопротивление в последовательных, параллельных и последовательно-параллельных цепях.
• Описать отличия протекания полного тока в последовательных и параллельных цепях.
• Описать различия полного падения напряжения в последовательных и параллельных цепях.
• Описать различия полного сопротивления в последовательных и параллельных цепях.
Закон Ома определяет связь трех фундаментальных величин: силы тока, напряжения и сопротивления. Он утверждает, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.
В этой главе исследуется закон Ома и его применение к электрическим цепям. Некоторые понятия были введены в предыдущих главах.
5–1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Как установлено ранее, ток течет из точки с избытком электронов в точку с дефицитом электронов. Путь, по которому следует ток, называется электрической цепью. Все электрические цепи состоят из источника тока, нагрузки и проводников. Источник тока обеспечивает разность потенциалов, которая позволяет течь току. Источником тока может быть батарея, генератор или другое устройство, описанное в главе 3. Нагрузка оказывает сопротивление протеканию тока. Это сопротивление может быть высоким или низким, в зависимости от назначения цепи. Ток в цепи течет через проводники от источника к нагрузке. Проводник должен легко отдавать электроны. В большинстве проводников используется медь.
Путь электрического тока к нагрузке может проходить через три типа цепей: последовательную цепь, параллельную или последовательно-параллельную цепи. Последовательная цепь (рис. 5–1) предоставляет току только один путь от источника к нагрузке. Параллельная цепь (рис. 5–2) предоставляет более одного пути для протекания тока. Она позволяет источнику прикладывать напряжение к более чем одной нагрузке. Она также позволяет подключить несколько источников тока к одной нагрузке. Последовательно-параллельная цепь (рис. 5–3) является комбинацией последовательной и параллельной цепей.
Рис. 5–1. Последовательная цепь предоставляет один путь для протекания тока.
Рис. 5–2.Параллельная цепь предоставляет более чем один путь для протекания тока.
Рис. 5–3.Последовательно-параллельная цепь является комбинацией последовательной и параллельной цепей.
Ток электронов в электрической цепи течет от отрицательного вывода источника тока через нагрузку к положительному выводу источника тока (рис. 5–4). Пока этот путь не нарушен, цепь замкнута и ток течет (рис. 5–5). Однако если прервать путь, цепь станет разомкнутой и ток не сможет по ней идти (рис. 5–6).
Рис. 5–4. Ток электронов течет по электрической цели от отрицательного вывода источника тока через нагрузку и возвращается в источник тока через положительный вывод.
Рис. 5–5.Замкнутая цепь обеспечивает прохождение тока.
Рис. 5–6.Разомкнутая цепь не поддерживает прохождение тока.
Силу тока в электрической цепи можно изменять, изменяя либо приложенное напряжение, либо сопротивление цепи. Ток изменяется в таких же пропорциях, что и напряжение или сопротивление. Если напряжение увеличивается, то ток также увеличивается.
Если напряжение уменьшается, то ток тоже уменьшается (рис. 5–7). С другой стороны, если сопротивление увеличивается, то ток уменьшается. Если сопротивление уменьшается, то ток увеличивается (рис. 5–8). Это соотношение между напряжением, силой тока и сопротивлением называется законом Ома.
Рис. 5–7.Силу тока в электрической цепи можно изменять путем изменения напряжения.
Рис. 5–8. Силу тока в электрической цепи также можно изменять путем изменения сопротивления цепи.
5–1. Вопросы
1. Каковы три основные части электрической цепи?
2. Дайте определения:
а. Последовательной цепи
б. Параллельной цепи
в. Последовательно-параллельной цепи
3. Нарисуйте схему цепи, показывающую, как ток будет течь по цепи. (Используйте стрелки для указания направления тока).
4. В чем отличие разомкнутой цепи от замкнутой цепи?
5. Что происходит с током в электрической цепи при увеличении напряжения? При уменьшении напряжения? При увеличении сопротивления? При уменьшении сопротивления?
5-2. ЗАКОН ОМА
Закон Ома или соотношение между силой тока, напряжением и сопротивлением был открыт Георгом Омом в 1827 году. Закон Ома утверждает, что ток в электрической цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению цепи. Это может быть выражено следующим образом:
или
I = U/R,
где I = ток в амперах,
Е = напряжение в вольтах,
R = сопротивление в омах.
Если две из этих трех величин известны, то третья всегда может быть определена.
ПРИМЕР. Какова сила тока в цепи, изображенной на рис. 5–9?
Рис. 5–9
Дано:
ЕТ = 12 В; RT = 1000 Ом.
IT =?
Решение:
IT = ЕТ/RT = 12/1000
IT = 0,012 А или 12 мА.
ПРИМЕР. Какое надо приложить напряжение к цепи на рис. 5-10, чтобы получить ток 20 миллиампер?
Рис. 5-10
Дано:
IT = 20 мА = 0,02 А
RT = 1,2 кОм = 1200 Ом.
ЕТ =?
Решение:
IT = ЕТ/RT = ЕТ/1200 = 0,02
ЕТ = (0,02)(1200)
ЕТ = 24 В.
ПРИМЕР. Каково должно быть значение сопротивления в цепи, изображенной на рис. 5-11, чтобы получить ток 2 А?