Меню
X | ЗАКРЫТЬ

Закон Ома

Переход на канал в Телеграме

Закон Ома с точки зрения гидравлики

Как вы уже знаете, электрический ток имеет аналогию с гидравликой. Напряжение — это уровень воды в башне. Сопротивление — это  труба или шланг. Сила тока — это объем воды за какой-то период времени.

Теперь давайте рассмотрим такой случай. Пусть вместо башни у нас будет сосуд с водой, в котором пробиты три одинаковых отверстия на разной высоте сосуда. Так как сосуд у нас наполнен водой, следовательно, на дне сосуда давление будет больше, чем на  его поверхности.

Закон Ома

Как вы видите, нижняя струя, которая находится ближе ко дну, стреляет дальше, чем средняя струя. А средняя струя стреляет дальше, чем верхняя.  Заметьте, что отверстия у нас везде  одинакового диаметра. То есть можно сказать, что сопротивление каждого отверстия воде одинаково. За одинаковое время, объем воды, вытекаемый с самого нижнего отверстия намного больше, чем объем воды, вытекаемый со среднего и самого верхнего отверстия. А что у нас такое объем воды  за какое-то время? Да это же сила тока!

Итак, какую закономерность мы тут видим? Учитывая, что сопротивление везде одинаковое, получается что с увеличением напряжения увеличивается и сила тока!

Опыт №1

Думаю, у каждого из вас есть садовый участок. Где-то недалеко от вас всегда есть водонапорная башня

Закон Ома

Для чего нужна водонапорная башня? Для контроля уровня расхода воды, а также для создания давления в трубах, иначе как вы  будете поливать свои огурцы? Вы никогда  не замечали, что башню возводят  где-нибудь на возвышенности? Для чего это делается? Как раз для того, чтобы создать давление.

Предположим, что ваш садовый участок находится выше, чем верхушка водобашни. Что произойдет в этом случае? Вода просто-напросто не дойдет до вас! Физика… закон сообщающихся сосудов.

У всех на кухне и в ванной есть краник. После очередного трудового дня вы решили помыть руки. Для этого вы на полную катушку включаете воду, и она начинает течь бурным потоком из краника:

Закон Ома

Но вас не устраивает такой поток воды, поэтому, покрутив ручку крана, вы уменьшаете поток воды на минимум:

Закон Ома

Что только что сейчас произошло?

Поменяв сопротивление потоку с помощью ручки краника, вы добились того, что этот поток воды стал течь очень слабо.

Давайте же проведем аналогию этой ситуации с электрическим током. Итак, что имеем? Напряжение потока мы не меняли. Где-то там вдалеке стоит водобашня и создает давление в трубах. Мы ведь не имеем права трогать водобашню, а тем более ее сносить). Поэтому уровень воды в башне все время полный, так как насос все время подкачивает воду до максимального уровня. Следовательно, напряжение у нас постоянное и не меняется.

Закрутив обратно ручку краника, мы  только что поменяли сопротивление трубы, из которой сделан краник. В данном случае мы увеличили сопротивление потоку воды. А что у нас получилось с потоком водички? Она стала бежать медленнее! То есть, можно сказать, что количество молекул воды за какое-то время при полностью открытом и полузакрытом кранике получилось разное. Ну-ка, вспоминаем, что такое сила тока ;-) Кто забыл, напомню — это количество электронов протекающих через поперечное сечение проводника за какой-то период времени. И что у нас стало с этой силой тока? Она уменьшилась!

Делаем вывод:

При увеличении сопротивления, сила тока, проходящая через это сопротивление, уменьшается.

Опыт N2

Итак. Имеем вот такую схему водоснабжения:

Закон Ома

Теперь представьте, что вы поливаете огород и вам  надо наполнить  бочку с водой из шланга за 10 минут. Ни секундой раньше и не позже! У вас в огороде поток воды бежит примерно вот так:

Закон Ома

Допустим, с водобашни у нас идет простой резиновый шланг. Сосед случайно припарковал свой автомобиль прямо на шланге и чуть-чуть придавил его

Закон Ома

У вас поток воды стал убывать. Идти ругаться с соседом? Он уже ушел по делам, а бочку за 10 минут  наполнить не успеете. Потребуется больше времени. Как же быть? А почему бы нам не открыть краник перед водобашней чуток побольше? А это хорошая идея! Открываем краник на полную катушку и добиваемся, чтобы уровень воды в башне стал еще больше, чем был до этого (хотя  в башнях стоят защиты от переполнения какого-либо максимального уровня, но для примера упустим этот момент).

Итак, что у нас получается? Сосед придавил шланг, значит увеличил сопротивление. Поэтому сила тока у нас стала меньше. Чтобы восстановить силу тока, мы для этого увеличивали напряжение, то есть уровень воды в башне.

Вывод: при увеличении напряжения увеличивается и сила тока.

Опыт №3

Но беда не приходит одна. На башне сломалось реле контроля водонасоса! Насос качает воду и не отключается! Башня переполняется и поток воды из шланга с каждой секундой становиться все больше и больше! Что же делать? Мы же переполним нашу бочку за отведенное нам время! Спокойствие, только спокойствие… Выход есть! Для этого бежим и чуток перекрываем краник , добиваясь того, чтобы поток воды из шланга тек также, как и раньше ;-)

Читайте про заряд протона.

В этом случае уровень воды (напряжение) на водобашне стал увеличиваться из-за того, что насос не отключался и все время качал воду. Поэтому, поток воды (сила тока) у нас тоже стала  расти. Чтобы выровнять силу тока, мы увеличили сопротивление краника ;-), тем самым привели в норму уровень воды в водобашне (напряжение) до приемлемого уровня.

Напряжение, сопротивление, сила тока  — как связаны эти термины?

Для дальнейшего понимания процесса давайте еще раз рассмотрим нашу водобашню:

Закон Ома

На рисунке мы видим башню с автоматической регулировкой уровня воды. То есть сколько бы мы не тратили воду из башни, водонасос в будке всегда будет подавать воду до нужного уровня и потом отключаться. Если перевести на язык электроники, то получаем, что «напряжение» на дне водобашни постоянно.

Случай N1

Но вот наступил кризис и вашему соседу стало влом платить высокие тарифы за воду, и поэтому как-то ночью он сделал врезку большого диаметра прямо у подножия водобашни.

Закон Ома

Как только просверлил отверстие, вода бурным потоком хлынула из башни. Что можно сказать в этом случае? Сила потока через отверстие оказалась приличная, так как башня у нас под завязку наполнена водой, и уровень воды не собирается падать, так как у нас сразу же подключается мощный насос автоматической подачи воды из артезианской скважины. Если бы воды в башне было пару ведер, то и поток воды был бы очень слабый. С этим вроде бы все понятно.

Случай N2

Допустим, у вас сосед мажор. Катается на Ладе-Весте и ездит отдыхать в Крым). Заплатить 100 рублей в месяц за чистую воду для него все равно, что сходить в кабак с друзьями. Но пока он загорал в Крыму, его дети, которых он оставил теще, пробрались в гараж, нашли шуруповерт и набор свёрл. Ну и как это часто бывает, захотелось им вдруг что-то посверлить. Но тут вдруг пришла теща и с криком: » А ну съ… ли с папкиного гаража!» разогнала детей, которые все-таки успели прихватить с собой шуруповерт и свёрла. И вот им на глаза попалась одиноко стоящая башня… и все произошло, как по первому сценарию… Просверлили тонкое отверстие прямо у подножия водобашни.

Закон Ома

Что можно сказать в этом случае? Давление такое же, как и в первом случае, так как уровень воды в башне такой же. Теперь вопрос на засыпку.

В каком случае по аналогии с электроникой у нас сила тока будет больше?

Итак, мы помним, сила тока — это количество электронов, которое проходит через поперечное сечение проводника за какое-то определенное время. В основном за секунду. Так в каком случае у нас количество молекул воды вытекающей из башни за секунду будет больше? В первом или втором случае? Разумеется в первом, так как сосед не стал мелочится и сделал отверстие большого диаметра, а салаги сверлили пол дня отверстие маленьким диаметром, так как не нашли большого сверла. В этом случае сила потока воды зависит от диаметра отверстия. По аналогии с гидравликой, сила тока, получается, зависит от диаметра проводка. Чем тоньше проводок, тем меньше силы тока по нему может течь, иначе проводок сгорит. С этим мы с вами еще разбирались в прошлой статье. Ну вот мы и плавно подходим к такому понятию в электронике, как сопротивление.

[quads id=1]

Сопротивление и сила тока

Значит, диаметр отверстия очень много значит для потока жидкости. Диаметр  отверстия в данном случае и есть поперечное сечение трубы, так ведь? А что будет, если мы в отверстие, которое просверлили в башне, всунем стометровую трубу. Думаю, ни для кого не будет секретом, что выходящий поток воды из трубы будет меньше, чем сразу из отверстия башни. Почему так происходит? Дело все в том, что вода трется об стенки трубы. То есть стенки трубы создают сопротивление потоку воды. Поэтому, чем длиннее труба, тем больше будет сопротивление потоку на выходе трубы. А чем больше сопротивление, тем меньше давление, читаем как напряжение.

Закон Ома

Также и в электронике. Провода одинаковых диаметров и сделанных из одинакового материала, но разных длин, обладают также разным сопротивлением. У длинного провода сопротивление будет больше, нежели у короткого провода.

И еще один нюанс.

Через какую трубу лучше побежит водичка? На которой налипли какашки, либо через чистую?

Закон Ома

Разумеется через чистую трубу поток воды будет проходить лучше, чем через грязную. То же самое можно сказать и про провода. Различные металлы обладают различной проводимостью.

Теперь обобщим все вышесказанное. Получается, что сопротивление проводка зависит от площади поперечного сечения, от его длины, а также от материала, из которого он изготовлен. Все это формулой будет выглядеть вот так:

Закон Ома

В качестве сопротивления в электронике используется радиоэлемент резистор:

Закон Ома

Когда электрический ток проходит через резистор, то в цепи начинает меняться сила тока. Для простоты понимания с точки зрения гидравлики резистор можно изобразить, как вентильную заслонку:

Закон Ома

которая меняет свое сопротивления в зависимости от того, насколько приоткрыта заслонка.

Допустим, у нас есть давление в трубе, но заслонка полностью закрыта. В данном случае поток воды стоит на месте и вода никуда не течет. Следовательно, сила потока в трубе равняется нулю. Но как только мы чуток приоткроем заслонку, у нас появится движуха воды, что в свою очередь вызовет поток воды. Нетрудно догадаться, что чем больше мы открываем заслонку, тем сильнее становится поток воды. При полностью открытой заслонке сила потока воды будет максимальной.

Закон Ома

Теперь давайте разберем вот еще какой нюанс. При полностью закрытой задвижке у нас на заслонку создавалось полное давление воды. При этом потока воды нет. Оно и понятно, заслонка то не пускает течь воду, хотя вода под давлением.

Закон Ома

Но что произойдет, когда мы чуток откроем заслонку? Уменьшится ли давление на саму заслонку? Разумеется. Так как площадь сопротивления заслонки стала меньше. Но также началось и самое интересное. Возникла движуха воды.

Закон Ома

А что если мы полностью  откроем кран и выставим заслонку вот в таком положении? Какое давление будет оказывать поток воды на ее площадь?

Закон Ома

Думаю, в идеальном случае можно сказать что никакого. В реальном случае очень-очень слабое давление будет оказываться на площадь заслонки, так как она расположена параллельно потоку воды.

А теперь еще один вот такой интересный вопрос: а от чего будет еще зависеть давление на заслонку? От силы потока!  А сила потока от чего? От давления! Чем сильнее поток воды, тем сильнее давление на заслонку. Но опять же, чтобы был поток воды, заслонка должна быть открыть хотя бы наполовину, как в этом рисунке:

Закон Ома

Классическая гидравлика, по идее ничего сложного.  А теперь давайте применим все это к электронике ;-)

Начнем с азов. Труба — проводок. Напряжение — давление в системе. Молекулы воды — электроны. Сила тока — количество молекул воды, которое прошло через поперечное сечение трубы за 1 секунду. И… ЗАСЛОНКА! Что она делает? Оказывает СОПРОТИВЛЕНИЕ потоку воды. Значит, заслонка — это сопротивление. Полностью закрытая заслонка — очень большое сопротивление (можно сказать обрыв), заслонка параллельно потоку воды, очень маленькое сопротивление (можно сказать 0 Ом).

Но теперь ВНИМАНИЕ!  Площадь заслонки, на которую оказывается давление — это что? Напряжение! И когда давление на заслонке больше всего? Тогда, когда она полностью закрыта ;-). Полностью закрытая заслонка — это сопротивление с бесконечно большим номиналом сопротивления. А когда на заслонку оказывается минимальное давление? Тогда, когда она встает параллельно потоку воды ;-). То есть в этом случае ее сопротивление почти 0 Ом.

Получается, в электронике, как и в гидравлике, у нас на сопротивлении ПАДАЕТ НАПРЯЖЕНИЕ. Чем больше значение сопротивления, тем больше падает напряжение на этом сопротивлении, и наоборот.

И теперь еще один важный момент. От чего зависит давление на заслонку? От  давления в системе, а также от силы потока. Но опять же, чтобы вызвать силу потока, надо заслонку ставить как можно параллельней потоку воды. То есть мы уменьшаем сопротивление и одновременно увеличиваем силу тока. Получается, все эти три параметра, напряжение, сила тока и сопротивление, взаимосвязаны.

Закон Ома

Ну как, увидели закономерность из всего вышеописанного? А вот немецкий физик Георг Ом с помощью простых опытов нашел все-таки связь между этими тремя величинами и с тех пор этот закон носит его имя:

формула закон ома

где

I — это сила тока, выражается в Амперах (А)

U — напряжение, выражается в Вольтах (В)

R — сопротивление, выражается в Омах (Ом)

Закон Ома является самым главным законом в электронике. Абсолютно вся теория цепей построена именно на законе Ома. Поэтому, чтобы научиться читать электрические схемы, вам очень важно знать, как связаны напряжение, сила тока и сопротивление на участке цепи. В этой статье мы с вами разобрали закон Ома для участка цепи, но есть еще закон Ома для полной цепи, о котором можно прочитать в этой статье.

Закон ома узнали, давайте теперь перейдем к закону джоуля ленца.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.