Электрическая цепь. Электрическое сопротивление. Закон Ома. Напряжение

Для протекания электрического тока необходимо существование электродвижущей силы, а также замкнутая электрическая цепь, образованная проводниками электри­ческого тока. Далеко не все вещества способны обеспечивать протекания электри­ческого тока, поскольку для этого необходимо существование свободных электронов или ионов, способных перемещаться под воздействием электродвижущей силы. Те вещества и предметы, которые способны пропускать электрический ток, называют проводниками, а те, которые электрического тока не пропускают — диэлектриками. Электрический ток может существовать как в твердых телах, так и в ряде жидкостей и газов, а также при выполнении определенных условий и в вакууме (подробнее мы вернемся к этому при рассмотрении физики работы электронных ламп). Однако, при построении электрических цепей, в подавляющем большинстве случаев используют­ся металлические проводники, а также углеродные.

Итак, электрический ток может протекать только по замкнутой цепи, образован­ной электрическими проводниками, подсоединяемыми к источнику, имеющему две клеммы, между которыми существует разность потенциалов. Если разорвать цепь, ток прекратится.

Простейшая электрическая цепь, которую можно себе представить — это аккуму­лятор, соединенный с электрической лампочкой через выключатель. При размыка­нии выключатель прерывает электрический ток (размыкая цепь), а при замыкании зажигает лампу. Теперь представим себе, что некоторый доброжелатель, бросит тол­стый кусок меди на клеммы аккумулятора! В таких случаях говорят, что произошло короткое замыкание. Лампочка при этом погаснет. Но почему? Дело в том. что те­перь электрическому току гораздо легче протекать с одного зажима аккумулятора на другой не через лампочку, а через этот кусок меди. Или, иными словами, у лампочки и куска меди заведомо разное электрическое сопротивление.

Электрическим сопротивлением называется физическая величина, отражаю­щая свойства вещества оказывать противодействие протеканию электрического тока. При этом происходит преобразование электрической энергии в другие ее виды (чаще всего в тепловую). Величина электрического сопротивления зависит от хими­ческого состава проводника, а также от его геометрических размеров. В жизни, ком­поненты электрических цепей, обладающие заведомо большим сопротивлением электрическому току, нежели куски обычного провода (использующиеся для соеди­нения других компонентов), называют резисторами. Резисторы являются одними из наиболее массовых радиокомпонентов.

Итак, мы ввели новую физическую величину — электрическое сопротивление, как характеристику, которая в конечном итоге определяет величину тока. В связи с этим, введем еще одну физическую единицу и математический символ. Величина электрического сопротивления измеряется в Омах, по имени автора фундаменталь­ного закона постоянного тока Георга Ома. Закон Ома гласит:

Если разность потенциалов в один вольт приложена к сопротивлению один Ом (Ом), то возникающий в результате ток имеет значение один ампер. разность потенциалов (вольты) = ток (амперы) х сопротивление (омы)

V=IR.

Это упрощенная формулировка закона Ома. Выражение можно преобразовать, получив уравнения уравнение, для нахождения тока / и сопротивления R:

I=V/R

R=V/I

Это крайне важные и необходимые уравнения, которые нужно запомнить.

Из полученных выражений можно сделать еще один очень важный вывод: ежели через электрическую цепь сопротивлением I Ом протекает электрический ток величиной в / ампер, то на этом сопротивлении упадет напряжение (то есть возникнет разность потенциалов) в I вольт.

Итак, разность потенциалов, возникающая на электрическом сопротивлении при протекании через него электрического тока, называется падением напряжения и из­меряется в вольтах.

Но ведь разностью потенциалов мы совсем недавно называли электродвижущую силу (ЭДС). Главное отличие ЭДС от напряжения заключается в том, что напряже­ние возникает на элементах цепи за счет протекания электрического тока, а ЭДС — свойство источника электрической энергии. При этом то и другое характеризует раз­ность электрических потенциалов. Здесь нельзя также не заметить, что в отличие от теории, в быту как раз наоборот мы говорим именно о напряжении, а не об элект­родвижущей силе батарейки, аккумулятора и электросети.

Обратимся теперь к практике. На рис. 1.1. показана принципиальная электри­ческая схема измерения сопротивления электрической горячей лампочки. Вообще, принципиальной электрической схемой называют изображение электрической цепи с помощью условных значков, отображающее все электрические соединения в этой цепи.

Итак, цепь, показанная на рис. 1.1, включена, и по ней проходит ток 0,25 А. Каково сопротивление лампочки? Найдем его при помощи одного из уравнений закона Ома:

R=V/I = 240/0,25 = 960 Ом.

Сегодня подобная схема измерения сопротивления может казаться тривиальным примером, поскольку его можно легко измерить с точностью до 4 значащих цифр, используя современный цифровой мультиметр. Но не все так просто! Сопротивление горячей электрической лампочки намного отличается от сопротивления холодной. «Холодное» сопротивление той же лампочки, измеренное мультиметром оказалось равным было 80 Ом.

Теперь можно произвести несложные расчеты с помощью все тех же уравнений и узнать, какой ток пройдет через резистор 80 Ом подсоединенный к источнику элект­родвижущей силы в 240 В? Итак:

I= V/R = 240/80 = ЗА.

Полученный ток более чем в 3 раза превышает номинальный ток, протекающей че­рез горячую лампочку! Это является наиболее вероятной причиной, по которой элект­ролампочки выходят из строя при включении. Большой начальный ток, проходящий по холодной нити, увеличивая ее сопротивление, вызывает перегрузку самых тонких час­тей нити — они настолько сильно разогреваются, что испаряются, и нить разрушается.