Любой человек, кто хоть как-нибудь связан с электричеством или электротехникой знаком с законом Ома для участка цепи – основным законом этой области человеческих знаний. Открытый в первой половине позапрошлого века закон обозначает тесную зависимость основополагающих понятий электричества:
В математическом виде он представлен выражением:
В физическом понимании это означает, что падение напряжения на участке цепи в 1 вольт соответствует произведению силы тока в 1 ампер, протекающего через участок сопротивлением в 1 Ом.
В качестве участка цепи для источника электрического потенциала (питающего напряжения) можно рассматривать нагрузку, например лампу накаливания, рассчитанную на питание 220 вольт. Однако в случае с реальной электрической сетью, еще одним участком цепи будут провода, по которым питание в нагрузку подается, обладающие конечным сопротивлением и характеризующиеся падениями напряжения на них.
Суть падения напряжения
Итак, в реальных электрических сетях приходится учитывать сопротивление проводников, используемых для подключения нагрузки, эти сопротивления зависят от удельного сопротивления металла, сечения проводов и общей длины кабеля. По сути, полную электрическую схему подключения нагрузки можно представить в виде двух, включенных последовательно сопротивлений:
Поскольку при последовательном включении через них течет один и тот же ток, то падение напряжения на каждом из сопротивлений будет составлять U1 и U2 соответственно, а их сумма будет равна величине входного напряжения, приложенного в точке подключения. Такое свойство обычно используется в простых делителях напряжения на резисторах. Разумеется, напряжение на самой нагрузке U1 оказывается меньше, нежели выходное напряжение источника питания на величину падения напряжения U2, прямо пропорциональную сопротивлению проводов.
Рассчитать падение напряжения при выборе сечения проводников достаточно просто по приведенной выше формуле, правда, для начала необходимо рассчитать сопротивление проводника. Оно определяется с учетом удельного сопротивления металла, используемого при изготовлении токопроводящих жил кабеля – ρ, длины проводника – l и сечения кабеля – S:
Чтобы рассчитать сечения жил по диаметру (если оно неизвестно), следует воспользоваться формулой площади круга. Для меди удельное сопротивление составляет 0.0175 Ом*м/мм², следовательно, медный проводник длиной 50 м и сечением кабеля 1.5 мм² будет иметь сопротивление 0.583 Ом, а учитывая, что питающий кабель имеет как минимум 2 жилы (фаза и ноль), это сопротивление следует увеличить вдвое, и оно составит 1.167 Ом.
Много это или мало? Предположим такой отрезок кабеля понадобится для питания нагрузки током в 10 А, соответственно падение напряжения на кабеле составит почти 12 В. Для сети 220 В такая разница мало критична и в худшем случае может грозить незначительная потеря мощности, но для низковольтного питания, например 36 В такая величина явно выходит за пределы допустимых падений. Именно поэтому снижение входных напряжений, требует увеличения сечения питающих проводников.
Таким образом, правильным расчетом падения напряжения в зависимости от длины проводников мы не только оптимизируем режимы работы электрооборудования, фактически мы производим расчеты потерь, которые могут иметь место в процессе эксплуатации.
Смотрите также другие статьи :
Магнетизм, это физическое явление знакомо человечеству уже не одно тысячелетие. Первые упоминания о магнитных свойствах магнетита (магнитного железняка) доходят до нас из древнего Китая и датируются 4-ым и 3-им тысячелетиями до нашей эры. Лавры первенцев с Поднебесной готовы разделить Древние Индия и Греция, так это или иначе, но знакомство китайцев с магнитным компасом произошло в промежутке 2600 – 1100 годов до н.э.
По сути, это направление, в котором должно вращаться магнитное поле, определяющее направление вращения ротора в трехфазных асинхронных электродвигателях. На практике мы видим, что направление вращения ротора в асинхронных двигателях очень просто поменять переменой всего двух фаз местами, при этом меняется чередование фаз с прямой на обратную последовательность.
Чем больше сопротивление резистора тем напряжение на нем
Друзья! Помогите пожалуйста въехать в некоторые базовые вещи. Много месяцев пытался догнать что к чему, но никак пазл не складывается. Хелп! Итак ток. Ток потребляется, так? т.е пока в цепи потребляющего устройства нет, и тока нет, но есть напряжение. А если подключить устройство- оно потребит тока столько, сколько ему нужно, так? т.е по идее не важно, сколько устройство потребляет тока(не превышая максимально возможного на линии)- главное чтоб напряжение было нужным? Например, я к компьютерному молексу могу потключать и вентиляторы разные и харддиски- напряжение там все время будет 12 вольт. Вопрос- так нафига же собственно мы_его(ток) вычисляем все время, когда нам без разницы этот параметр? Почему когда я меряю напряжение и ток на концах провода- оно 12вольт, 0 Ампер. И после того как я подключил устройсво там 12 вольт, 1 ампер? И возможно ли расчитать резистор, чтобы ограничить напряжение только, вне зависимости от того сколько ампер будет потребляться? Например для подключения тех же различных по мощности вентиляторов?
И второй вопрос из серии- о подтягивающих резисторах. Они нужны если мы хотим соеденить, например, ногу устройства с питанием(или землей). Вопрос- а зачем там резисторы? Почему нельзя просто соеденить эту ногу с линией питания/землей? Заранее благодарю.
*) Вне зависимости от того сколько будет потреблять рассчитать токоограничивающий резистор нельзя. Потому что если устройство вдруг стало потреблять в 2 раза больше тока, то значит оно уменьшило в 2 раза сопротивление. И автоматически на токоограничивающем резисторе увеличилось падение напряжение. Отчего на устройстве напряжение _уменьшится_. Этот процесс и называется падением напряжения на нагрузке.
*) подтягивающий резистор это мудрая вещь. Подтяную например ногу на + через резистор можно коротнуть на землю. Страшного ничего не случится (т.к. ток мизерный), _зато_ это защитит от помех. На ноге будет гарантировано либо земля либо плюс. А вот если вход высокоомный (затвор полевика например) и Вы его оставили висеть в воздухе (не подтянули). То он тут же нажирается помех и наедаетца электронами и получается +. Хотя никто его на + не коротил. В общем для стабильности чаще подтягивают.
Поймите главное: главное у нас ток а не напряжение. Напряжением управлять много сложнее чем током. Тот же биполярный транзистор есть усилитель _тока_. Поэтому и берут обычно общую шину питания, а узлы берут кому сколько надо тока для работы.
В этой статье мы рассмотрим резистор и его взаимодействие с напряжением и током, проходящим через него. Вы узнаете, как рассчитать резистор с помощью специальных формул. В статье также показано, как специальные резисторы могут быть использованы в качестве датчика света и температуры.
Представление об электричестве
Новичок должен быть в состоянии представить себе электрический ток. Даже если вы поняли, что электричество состоит из электронов, движущихся по проводнику, это все еще очень трудно четко представить себе. Вот почему я предлагаю эту простую аналогию с водной системой, которую любой желающий может легко представить себе и понять, не вникая в законы.
Обратите внимание, как электрический ток похож на поток воды из полного резервуара (высокого напряжения) в пустой(низкое напряжение). В этой простой аналогии воды с электрическим током, клапан аналогичен токоограничительному резистору. Из этой аналогии можно вывести некоторые правила, которые вы должны запомнить навсегда: — Сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает — Для того чтобы протекал ток, на концах проводника должны быть разные потенциалы. — Количество воды в двух сосудах можно сравнить с зарядом батареи. Когда уровень воды в разных сосудах станет одинаковым, она перестанет течь, и при разряде аккумулятора, разницы между электродами не будет и ток перестанет течь. — Электрический ток будет увеличиваться при уменьшении сопротивления, как и скорость потока воды будет увеличиваться с уменьшением сопротивления клапана.
Я мог бы написать гораздо больше умозаключений на основе этой простой аналогии, но они описаны в законе Ома ниже.
Резистор
Резисторы могут быть использованы для контроля и ограничения тока, следовательно, основным параметром резистора является его сопротивление, которое измеряется в Омах. Не следует забывать о мощности резистора, которая измеряется в ваттах (Вт), и показывает, какое количество энергии резистор может рассеять без перегрева и выгорания. Важно также отметить, что резисторы используются не только для ограничения тока, они также могут быть использованы в качестве делителя напряжения для получения низкого напряжения из большего. Некоторые датчики основаны на том, что сопротивление варьируется в зависимости от освещённости, температуры или механического воздействия, об этом подробно написано в конце статьи.
Закон Ома
Последовательное и параллельное соединение резисторов
Понимание последствий параллельного или последовательного подключения резисторов очень важно и поможет вам понять и упростить схемы с помощью этих простых формул для последовательного и параллельного сопротивления:
В этом примере схемы, R1 и R2 соединены параллельно, и могут быть заменены одним резистором R3 в соответствии с формулой: В случае с 2-мя параллельно соединёнными резисторами, формулу можно записать так:
Кроме того, что эту формулу можно использовать для упрощения схем, она может быть использована для создания номиналов резисторов, которых у вас нет. Отметим также, что значение R3 будет всегда меньше, чем у 2 других эквивалентных резисторов, так как добавление параллельных резисторов обеспечивает дополнительные пути электрическому току, снижая общее сопротивление цепи.
Последовательно соединённые резисторы могут быть заменены одним резистором, значение которого будет равно сумме этих двух, в связи с тем, что это соединение обеспечивает дополнительное сопротивление тока. Таким образом, эквивалентное сопротивление R3 очень просто вычисляется: R3=R1+R2
В интернете есть удобные он-лайн калькуляторы для расчета последовательного и параллельного соединения резисторов.
Токоограничивающий резистор
Теперь, когда лампа будет рассматриваться как резистор, мы можем использовать закон Ома для расчета тока, проходящего через него. Закон Ома гласит, что ток, проходящий через резистор равен разности напряжений на нем, поделенное на сопротивление резистора: I=V/R или точнее так: I=(V1-V2)/R где (V1-V2) является разностью напряжений до и после резистора.
Теперь обратите внимание на рисунок выше, где добавлен токоограничительный резистор. Он будет ограничивать ток идущий к лампе, как это следует из названия. Вы можете контролировать, количество тока протекающего через лампу, просто выбрав правильное значение R1. Большой резистор будет сильно снижать ток, а небольшой резистор менее сильно (так же, как в нашей аналогии с водой).
Математически это запишется так:
Из формулы следует, что ток уменьшится, если значение R1 увеличится. Таким образом, дополнительное сопротивление может быть использовано для ограничения тока. Однако важно отметить, что это приводит к нагреву резистора, и вы должны правильно рассчитать его мощность, о чем будет написано дальше.
Вы можете воспользоваться он-лайн калькулятором для расчета токоограничительного резистора светодиода.
Резисторы как делитель напряжения
Как следует из названия, резисторы могут быть использованы в качестве делителя напряжения, другими словами, они могут быть использованы для уменьшения напряжения путем деления его. Формула:
Если оба резистора имеют одинаковое значение (R1=R2=R), то формулу можно записать так:
Другой распространенный тип делителя, когда один резистор подключен к земле (0В), как показано на рисунке 6B. Заменив Vb на 0 в формуле 6А, получаем:
Узловой анализ
Теперь, когда вы начинаете работать с электронными схемами, важно уметь их анализировать и рассчитывать все необходимые напряжения, токи и сопротивления. Есть много способов для изучения электронных схем, и одним из наиболее распространенных методов является узловой, где вы просто применяете набор правил, и рассчитываете шаг за шагом все необходимые переменные.
Упрощенные правила узлового анализа
Определение узла
Узел – это любая точка соединения в цепи. Точки, которые связаны друг с другом, без других компонентов между ними рассматриваются как единый узел. Таким образом, бесконечное число проводников в одну точку считаются одним узлом. Все точки, которые сгруппированы в один узел, имеют одинаковые напряжения.
Определение ветви
Ветвь представляет собой набор из 1 и более компонентов, соединенных последовательно, и все компоненты, которые подсоединены последовательно к этой цепи, рассматриваются как одна ветвь.
Все напряжения обычно измеряются относительно земли напряжение на которой всегда равно 0 вольт.
Ток всегда течет от узла с более высоким напряжением на узел с более низким.
Напряжение на узле может быть высчитано из напряжения около узла, с помощью формулы: V1-V2=I1*(R1) Перенесем: V2=V1-(I1*R1) Где V2 является искомым напряжением, V1 является опорным напряжением, которое известно, I1 ток, протекающий от узла 1 к узлу 2 и R1 представляет собой сопротивление между 2 узлами.
Точно так же, как и в законе Ома, ток ответвления можно определить, если напряжение 2х соседних узлах и сопротивление известно: I 1=(V1-V2)/R1
Текущий входящий ток узла равен текущему выходящему току, таким образом, это можно записать так: I 1+ I3=I2
Важно, чтобы вы были в состоянии понимать смысл этих простых формул. Например, на рисунке выше, ток протекает от V1 до V2, и, следовательно, напряжение V2 должно быть меньше, чем V1. Используя соответствующие правила в нужный момент, вы сможете быстро и легко проанализировать схему и понять её. Это умение достигается практикой и опытом.
Расчет необходимой мощности резистора
На фото предоставлены резисторы различной мощности, в основном они отличаются размером.
Разновидности резисторов
Резисторы могут быть разными, начиная от простых переменных резисторов (потенциометров) до реагирующих на температуру, свет и давление. Некоторые из них будут обсуждаться в этом разделе.
Переменный резистор (потенциометр)
На рисунке выше показано схематическое изображение переменного резистора. Он часто упоминается как потенциометр, потому что он может быть использован в качестве делителя напряжения.
Они различаются по размеру и форме, но все работают одинаково. Выводы справа и слева эквивалентны фиксированной точке (например, Va и Vb на рисунке выше слева), а средний вывод является подвижной частью потенциометра, а также используется для изменения соотношения сопротивления на левом и правом выводах. Следовательно, потенциометр относится к делителям напряжения, которым можно выставить любое напряжение от Va к Vb. Кроме того, переменный резистор может быть использован как тока ограничивающий путем соединения выводов Vout и Vb, как на рисунке выше (справа). Представьте себе, как ток будет течь через сопротивление от левого вывода к правому, пока не достигнет подвижной части, и пойдет по ней, при этом, на вторую часть пойдет очень мало тока. Таким образом, вы можете использовать потенциометр для регулировки тока любых электронных компонентов, например лампы.
LDR (светочувствительные резисторы) и термисторы
Есть много датчиков основанных на резисторах, которые реагируют на свет, температуру или давление. Большинство из них включаются как часть делителя напряжения, которое изменяется в зависимости от сопротивления резисторов, изменяющегося под воздействием внешних факторов.
Терморезисторы
Фоторезистор (LDR)
Как вы можете видеть на рисунке 11A, фоторезисторы различаются по размеру, но все они являются резисторами, сопротивление которых уменьшается под воздействием света и увеличивается в темноте. К сожалению, фоторезисторы достаточно медленно реагируют на изменение уровня освещённости, имеют достаточно низкую точность, но очень просты в использовании и популярны. Как правило, сопротивление фоторезисторов может варьироваться от 50 Ом при солнце, до более чем 10МОм в абсолютной темноте.
Как мы уже говорили, изменение сопротивления изменяет напряжение с делителя. Выходное напряжение можно рассчитать по формуле:
Если предположить, что сопротивление LDR изменяется от 10 МОм до 50 Ом, то Vout будет соответственно от 0.005В до 4.975В.
Термистор похож на фоторезистор, тем не менее, термисторы имею гораздо больше типов, чем фоторезисторы, например, термистор может быть либо с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), сопротивление которого уменьшается с повышением температуры, или положительным температурным коэффициентом (PTC), сопротивление которого будет увеличиваться с повышением температуры. Сейчас термисторы реагируют на изменение параметров среды очень быстро и точно.
Схемотехническое обозначение резисторов
Про определение номинала резистора используя цветовую маркировку можно почитать здесь.
Судя по вашим вопросам, вам следует полистать учебники по физике, с 7 по 11 класс средней общеобразовательной школы.
Написанное вами в тексте вопроса утверждение является следствием закона Ома для полной цепи, но не является первичным утверждением, из которого легко объяснить природу электрического сопротивления.
Высокая электропроводность металлов связана с тем, что в них имеется большое количество носителей тока — электронов проводимости, образующихся из валентных электронов атомов металла, которые не принадлежат определённому атому. Электрический ток в металле возникает под действием внешнего электрического поля, которое вызывает упорядоченное движение электронов. Движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решётки (на примесях, дефектах решётки, а также нарушениях периодической структуры, связанной с тепловыми колебаниями ионов). При этом электроны теряют импульс, а энергия их движения преобразуются во внутреннюю энергию кристаллической решётки, что и приводит к нагреванию проводника при прохождении по нему электрического тока.
В других средах (полупроводниках, диэлектриках, электролитах, неполярных жидкостях, газах и т. д.) в зависимости от природы носителей заряда физическая причина сопротивления может быть иной. Линейная зависимость, выраженная законом Ома, соблюдается не во всех случаях.
Это был закон Ома для участка цепи. На примере школьников проще объяснять, чем на примере гидравлики. Так можно рассказать и про полупроводники, транзисторы, правило Кирхгофа. да что угодно.
totorialman, У коридора низкое сопротивление. Стульев там мало, школьники плотной толпой протекают через него без особых помех и грохота. Но если где-то в коридоре сделать участок с бОльшим сопротивлением (сильнее загромождённый стульями), школьники через него просачиваются с большим грохотом.
В какой-то момент метафора с дальнейшим уточнением начинает себя исчерпывать. Школьники у нас уже малосжимаемая жесткая жидкость. Тут гидравлика уже выглядит куда привычнее. Вода почти не сжимаема и не растяжима, в отличие от школьников. Давайте дальше понимать на гидравлике.
Резисторы: последовательное и параллельное соединение, токоограничивающие и подтягивающие сопротивления
Резистор (сопротивление) — один из наиболее распространённых компонентов в электронике. Его назначение — простое: сопротивляться течению тока, преобразовывая его часть в тепло.
Основной характеристикой резистора является сопротивление. Единица измерения сопротивления — Ом (Ohm, Ω). Чем больше сопротивление, тем большая часть тока рассеивается в тепло. В схемах, питаемых небольшим напряжением (5 – 12 В), наиболее распространены резисторы номиналом от 100 Ом до 100 кОм.
Закон Ома
Закон Ома позволяет на заданном участке цепи определить одну из величин: силу тока I, напряжение U, сопротивление R, если известны две остальные:
Для обозначения напряжения наряду с символом U используется V.
Рассмотрим простую цепь
Расчитаем силу тока, проходящего через резистор R1 и, соответственно, затем через лампу L1. Для простоты будем предполагать, что сама лампа обладает нулевым собственным сопротивлением.
Аналогично, если бы у нас был источник питания на 5 В и лампа, которая по документации должна работать при токе 20 мА, нам нужно бы было выбрать резистор подходящего номинала.
В данном случае, разница в 10 Ом между идеальным номиналом и имеющимся не играет большого значения: можно смело брать стандартный номинал — 240 или 220 Ом.
Аналогично, мы могли бы расчитать требуемое напряжение, если бы оно было не известно, а на руках были значения сопротивления и желаемая сила тока.
Соединение резисторов
При последовательном соединении резисторов, их сопротивление суммируется:
При параллельном соединении, итоговое сопротивление расчитывается по формуле:
Если резистора всего два, то:
В частном случае двух одинаковых резисторов, итоговое сопротивление при параллельном соединении равно половине сопротивления каждого из них.
Таким образом можно получать новые номиналы из имеющихся в наличии.
Применеие на практике
Среди ролей, которые может выполнять резистор в схеме можно выделить следующие:
Токоограничивающий резистор
Пример, на котором рассматривался Закон Ома представляет собой также пример токоограничевающего резистора: у нас есть компонент, который расчитан на работу при определённом токе — резистор снижает силу тока до нужного уровня.
В случае с Ардуино следует ограничивать ток, поступающий с выходных контактов (output pins). Напряжение, в состоянии, когда контакт включен (high) составляет 5 В. Исходя из документации, ток не должен превышать 40 мА. Таким образом, чтобы безопасно увести ток с контакта в землю понадобится резистор номиналом R = U / I = 5 В / 0.04 А = 125 Ом или более.
Стягивающие и подтягивающие резисторы
Стягивающие (pull-down) и подтягивающие (pull-up) резисторы используются в схемах рядом со входными контактами логических компонентов, которым важен только факт: подаётся ноль вольт (логический ноль) или не ноль (логическая единица). Примером являются цифровые входы Ардуино. Резисторы нужны, чтобы не оставить вход в «подвешенном» состоянии. Возьмём такую схему
Мы хотим, чтобы когда кнопка не нажата (цепь разомкнута), вход фиксировал отсутствие напряжения. Но в данном случае вход находится в «никаком» состоянии. Он может срабатывать и не срабатывать хаотично, непредсказуемым образом. Причина тому — шумы, образующиеся вокруг: провода действуют как маленькие антенны и производят электричество из электромагнитных волн среды. Чтобы гарантировать отсутствие напряжения при разомкнутой цепи, рядом с входом ставится стягивающий резистор:
Теперь нежелательный ток будет уходить через резистор в землю. Для стягивания используются резисторы больших сопротивлений (10 кОм и более). В моменты, когда цепь замкнута, большое сопротивление резистора не даёт большей части тока идти в землю: сигнал пойдёт к входному контакту. Если бы сопротивление резистора было мало (единицы Ом), при замкнутой цепи произошло бы короткое замыкание.
Аналогично, подтягивающий резистор удерживает вход в состоянии логической единицы, пока внешняя цепь разомкнута:
То же самое: используются резисторы больших номиналов (10 кОм и более), чтобы минимизировать потери энергии при замкнутой цепи и предотвратить короткое замыкание при разомкнутой.
Делитель напряжения
Делитель напряжения (voltage divider) используется для того, чтобы получить из исходного напряжения лишь его часть. Например, из 9 В получить 5. Он подробно описан в отдельной статье.
Мощность резисторов
Резисторы помимо сопротивления обладают ещё характеристикой мощности. Она определяет нагрузку, которую способен выдержать резистор. Среди обычных керамических резисторов наиболее распространены показатели 0.25 Вт, 0.5 Вт и 1 Вт. Для расчёта нагрузки, действующей на резистор, используйте формулу:
При превышении допустимой нагрузки, резистор будет греться и его срок службы может сильно сократиться. При сильном превышении — резистор может начать плавиться и вызвать воспламенение. Будьте осторожны!
люблю поучать.
напряжение на которой всегда равно 0 вольт.
