Как работают напряжение, сопротивление и сила тока? (В цепях постоянного тока)

Половина смысла использования напряжения, тока и сопротивления заключается в том, что нам не нужно заботиться о том, из чего сделаны источник питания и резистор. Независимо от того, используете ли вы восемь 1,5-вольтовых батарей типа АА последовательно или одну 12-вольтовую автомобильную батарею, если вы подключите 150 Ом к клеммам, вы получите около 0,08 ампер. (Батареи имеют некоторое внутреннее сопротивление, но оно очень мало.)

Это может помочь взглянуть на это с точки зрения физики. У вас есть электрическое поле, которое толкает электрические заряды, давая им энергию в процессе. Затем эта энергия теряется при движении зарядов через среду. (В частности, движущиеся электроны сталкиваются с атомами.) Скорость, с которой движутся заряды, зависит как от силы электрического поля, так и от способности среды обеспечивать беспрепятственное движение зарядов. Оказывается, среду часто можно описать одним параметром, называемым проводимостью . Это дает простое соотношение, известное как закон Ома:

где$\vec{E}$- напряженность электрического поля и$\sigma$является проводимость.$\vec{J}$называется плотностью тока и представляет скорость потока заряда. Это микроскопические отношения. Обратите внимание, что ток и электрическое поле являются векторными величинами. Заниматься физикой с трехмерными векторами — большая работа, но, к счастью, у нас есть более простой вариант — теория цепей. В теории цепей мы говорим о напряжении (энергии) вместо напряженности электрического поля (силы). Как и в базовой механике, это позволяет нам справляться со сложными ситуациями простыми способами.

Чтобы перейти к теории цепей, мы должны перейти к использованию макроскопических переменных. Вместо того, чтобы говорить о напряженности электрического поля в каждой точке, мы говорим о разнице энергий между двумя точками. Вместо того, чтобы говорить о проводимости среды, мы говорим о проводимости физического объекта. Вместо того, чтобы говорить о плотности потока заряда, мы говорим о полном токе через провод. Теперь мы можем использовать закон Ома в его макроскопической форме:

где V — напряжение (энергия на единицу заряда), G — проводимость (измеряется в амперах на вольт, она же Сименс), а I — ток.

Вы можете думать о напряжении как о своего рода давлении, которое проталкивает заряд через цепь. Проводимость говорит вам, какой ток вы получаете для данного напряжения. Теперь вы, вероятно, думаете: «Откуда, черт возьми, взялась проводимость? Я спрашивал о сопротивлении!» Ну, сопротивление просто обратно пропорционально проводимости:

Сопротивление более удобно, потому что нас обычно больше интересуют элементы с низкой проводимостью в цепи. Что касается сопротивления, мы можем использовать обычное число, такое как 150 Ом, вместо крошечной дроби, такой как 0,00667 Сименса. Это дает нам наиболее знакомую форму закона Ома:

Теперь вернемся к вашему вопросу. Причина того, что одна автомобильная батарея и восемь батареек типа АА оказывают одинаковое влияние на вашу цепь, заключается в том, что обе они производят одинаковые электрические поля. Вот аналогия - тяга повозки по неровной поверхности. Требуется определенное количество силы, чтобы заставить повозку катиться с определенной скоростью. Не имеет значения, исходит ли эта сила от вашей руки или от двигателя автомобиля — это все равно одна и та же сила.

Да, 12 В на резисторе 150 Ом вызывают ток 80 мА. Это потому, что вольты есть вольты, независимо от того, как они производятся.

Разница между 8 АА и автомобильным аккумулятором заключается в том, что автомобильный аккумулятор может обеспечить больший ток, если нагрузка пытается его потреблять . Резистор 150 Ом всегда будет потреблять 80 мА при подаче на него 12 В. Это могут сделать как АА, так и автомобильный аккумулятор, так что проблем нет.

Однако предположим, что вместо этого у вас есть резистор на 1 Ом. Это будет потреблять 12 А, если подать на него 12 В. Автомобильный аккумулятор может легко это сделать, так что именно это и произойдет. Члены АА не могут этого сделать, поэтому что-то должно уступать. Что дает, так это то, что батарейки АА больше не будут выдавать 1,5 В на ячейку. Напряжение снизится, так что ток, потребляемый резистором, снизится до уровня, который могут выдержать батареи. В этом случае АА будут быстро изнашиваться, поэтому напряжение будет продолжать падать и падать по мере того, как батареи будут все больше и больше разряжаться.

То же самое произойдет и с блоками питания. Если у вас есть источник питания 12 В 12 А, он может поддерживать 12 В на резисторе 1 Ом в течение неопределенного времени. Если у вас есть только питание 12 В 5 А, то он не сможет поддерживать 12 В. Он перегорит предохранитель, выключится, перейдет в режим ограничения тока или что-то еще. Чего он не будет делать, так это поддерживать выходное напряжение 12 В. Если бы он мог, он был бы помечен как источник питания 12 А и продан по более высокой цене.

В случае ограничения тока вы можете снова использовать закон Ома, чтобы выяснить, каким будет напряжение на резисторе. Предположим, источник питания имеет точное ограничение тока, установленное на 5 А. Это означает, что он выдает 12 В или 5 А, что всегда приводит к меньшему значению. Поскольку для резистора 1 Ом потребуется 12 А, а источник питания не может этого сделать, вместо этого он будет регулировать свой выходной ток до 5 А. (5 А)(1 Ом) = 5 В, то есть то, что будет выдавать источник питания с подключенным резистором.

Лучшим определением того, что такое сопротивление, является противодействие протеканию электрического тока; он не останавливает поток электрического тока. Подумайте о плавании в бассейне из меда, а не в бассейне из воды. Мед оказывает большее сопротивление, чем вода, поэтому при тех же усилиях вы будете двигаться по меду медленнее, но в обоих случаях вы все равно сможете продвигаться по бассейну.

Закон Ома гласит, что напряжение на чисто резистивном компоненте пропорционально току, протекающему через него. Он не делает никаких предположений об источнике.

Как указал Игнасио Васкес-Абрамс, аккумуляторная батарея на 12 В, состоящая из батареек 8AA, может не вырабатывать 12 В при очень малом сопротивлении, поскольку существует какой-то другой ограничивающий фактор (например, внутреннее сопротивление батарей).

Если максимальное напряжение на 150 Ом составляет 12 В, то да, максимальный ток через него составляет 80 мА.

Следовательно, если 80 мА не может быть подано, то напряжение на резисторе будет пропорционально меньше 12 В, и любое напряжение, не падающее на резисторе, должно будет сбрасываться другими частями цепи (такими как внутреннее сопротивление резистора). питания).

Простая аналогия с потоком воды лучше всего подходит для большинства новичков и позволяет получить базовую рабочую идею, прежде чем приступать к математике.

Напряжение цепи можно рассматривать как давление воды в системе трубопроводов.

Силу тока можно рассматривать как количество воды, протекающей в секунду (представьте, что молекулы воды протекают как ток).

Сопротивление в этой водянистой идее может быть связано с трубой, которая имеет уменьшенный диаметр. Чем меньше диаметр трубы, тем выше сопротивление потоку (или току, или силе тока). Высокое сопротивление потоку снижает ток и позволяет создать за ним повышенное давление (или напряжение).

V = IR правильно для вашего примера: 12 В = 0,08 А x 150 Ом.

В основной словесной форме уравнения, использующей единицы измерения:
1 вольт пропускает 1 ампер тока через 1 Ом.

Приведенное выше уравнение (закон Ома) можно переписать другими способами, чтобы найти V, I или R, зная два других. Например: V=IR, I=V/R, R=V/A