Радио и телевидение?.. Это очень просто! - Евгений Айсберг

Н. — Почему ты акцентируешь мое внимание на выражении «вне источника напряжения»?

Л. — Потому что в самом элементе по раствору серной кислоты электроны перемещаются от медного стержня к цинковому. Ты видишь здесь полностью замкнутый путь, по которому электроны проходят полный круг.

Незнайкин формулирует закон Ома

Н. — А какое количество электронов совершает эту прогулку?

Л. — Это количество зависит от двух факторов: от напряжения источника тока и от электрического сопротивления цепи. Количество электронов, проходящее в секунду, называется силой тока. Она измеряется в амперах (А).

Н. — Если я правильно понял, сила тока пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Л. — Браво, дорогой друг! Ты превосходно сформулировал закон Ома, этот основной закон всей науки об электричестве.

Действительно, для вычисления силы тока I достаточно разделить напряжение U на сопротивление R. Электрическое сопротивление выражается в омах (Ом). 1 Ом — это сопротивление проводника, который при напряжении 1 В пропускает ток силой 1 А.

Н. — Я думаю, что закон Ома можно выразить следующей простой математической формулой:

I = U/R,

т. е. сила тока равна напряжению, деленному на сопротивление. Мне хотелось бы понять, от чего зависит сопротивление проводника.

Сопротивление и удельное сопротивление

Л. — Сопротивление проводника зависит от его материала и размеров. Каждое вещество характеризуется так называемым удельным электрическим сопротивлением. Это сопротивление, которым обладает кубический сантиметр вещества при включении его в цепь двумя противоположными сторонами. Самое низкое удельное сопротивление из наиболее широко применяемых проводников у серебра: оно равно 0,000001492 Ом·см. Сопротивление меди чуть больше и составляет 0,000001584 Ом·см. Но у стали оно в 6, а у свинца — в 15 раз больше, чем у серебра.

Теперь ты можешь понять, почему чаще всего применяют проводники из меди — этот металл намного дешевле серебра.

Н. — Я предполагаю, что у диэлектриков удельное сопротивление намного больше.

Л. — Разумеется. Удельное сопротивление стекла, пластмасс и резины — очень высокое.

Н. — Судя по тому, что ты сейчас сказал, сопротивление проводника зависит не только от его материала, т. е. от его удельного сопротивления, но и от его формы. Не ошибаюсь ли я, предполагая, что чем длиннее проводник, тем больше его сопротивление?

Л. — Ты абсолютно прав. Сопротивление R пропорционально длине проводника L. Оно также зависит от его поперечного сечения S. Не догадываешься ли ты, каково это отношение?

Н. — Несомненно, чем больше сечение проводника, тем легче проходят через него электроны. Следовательно, R должно быть обратно пропорционально S.

Л. — Верно. А теперь, если мы обозначим удельное сопротивление греческой буквой ρ (ро), сможешь ли ты составить формулу, позволяющую вычислить сопротивление проводника, имеющего длину L и сечение S?

Н. — Это не сложно. Достаточно умножить удельное сопротивление на длину и разделить на сечение:

При этом размеры должны быть выражены в сантиметрах.

Л. — Очень хорошо, Незнайкнн. Применяя эту формулу, ты рассчитаешь, что медный провод с сечением 1 мм2 при длине, равной протяженности земного экватора, составляющей 40 000 км, имеет сопротивление больше 600 000 Ом. Однако это составляет всего лишь 60 Ом км и только 0,06 Ом·м.

Н. — Если куском такого провода длиной в 1 м мы соединим оба полюса нашего цинково-медного элемента напряжением 1,5 В, то сила тока по закону Ома будет равна:

Л. — Это чрезвычайно большая величина для такого источника тока, как наш элемент. В таком случае говорят, что источник практически замкнут накоротко. Такое короткое замыкание может разрушить элемент.

Н. — Глубоко огорчен, дорогой Любознайкин. Я чувствую, что сопротивление моего мозга резко упало из-за обилия новых сведений, которые ты мне сообщил. Поэтому во избежание короткого замыкания в моей черепной коробке я предлагаю тебе отложить продолжение беседы до нашей следующей встречи.

Комментарий профессора Радиоля

ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В этом кратком монологе дядюшка Любознайкина рассказывает, как правильно применять обозначения единиц измерения, а также десятичные приставки. Затем он объясняет розничные случаи применения закона Ома. В заключение он дает определение понятия электрической мощности.

Дорогие Любознайкин и Незнайкин!

Ваш последний разговор был очень увлекательным. Я хочу поздравить Незнайкина с тем, с какой легкостью он понял все объяснения.

Десятичные приставки

После того как основные единицы измерения, используемые в разделе электричества, получили четкое объяснение, на мой взгляд, было бы полезно рассмотреть десятичные приставки. Ведь в нашей технике мы часто имеем дело с очень большими или, наоборот, с очень малыми значениями напряжения, тока, сопротивления или других величин.

Для образования производных единиц, кратных десяти, перед названиями единиц измерения ставят соответствующие приставки. При использовании сокращенных названий единиц измерения приставки также пишут в сокращенном виде. Эти приставки и их сокращенные обозначения я для тебя, Незнайкин, свел в следующую таблицу (табл. 1).

Так, миллион ом называется мегаом, а его сокращенное обозначение МОм. Тысячная доля вольта называется милливольт, а ее сокращенное обозначение мВ. Миллионная часть ампера — микроампер или мкА.

Применение закона Ома

Теперь, когда мы научились пользоваться полными или сокращенными обозначениями различных единиц измерения, я хочу показать тебе условные графические обозначения различных элементов электрических цепей. Вот для начала графические обозначения электрических элементов и приборов, измеряющих силу тока, которые (в зависимости от назначения) называют амперметрами, миллиамперметрами или микроамперметрами.

Вот самая простая схема (рис. 10).

Рис. 10. Условные обозначения резистора, гальванического элемента и прибора, измеряющего силу тока (а), и схема, состоящая из этих устройств (б).

Ты видишь здесь резистор R, включенный последовательно с амперметром; оба эти устройства соединены с батареей напряжением 4,5 В.

Предположим теперь, что стрелка амперметра показывает силу тока 0,1 А. Сможешь ли ты рассчитать сопротивление резистора?

Ты, Незнайкин, самостоятельно сформулировал закон Ома и теперь без труда можешь вывести из основного его выражения

Рассмотрим теперь случай с батареей, напряжение которой неизвестно, но от которой через резистор сопротивлением 50 Ом протекает ток 0,4 А.

И здесь, исходя из закона Ома, ты легко вычислишь напряжение батареи:

U = I х R = 0,4 x 50 = 20 В.

Электрическая мощность

А теперь рассчитаем электрическую мощность (Р), рассеиваемую на резисторе. Мощностью называют количество энергии, рассеиваемое за одну секунду. Она, естественно, пропорциональна напряжению и силе тока. Единица измерения мощности называется ватт и сокращенно обозначается Вт.

Для рассмотренного нами случая

P = U х R = 20 x 0,4 = 8 Вт.

Падение напряжения

Составим цепь из батареи напряжением 40 В и трех последовательно соединенных резисторов, имеющих сопротивление соответственно 10, 30 и 40 Ом.

Сумма этих сопротивлений равна 80 Ом. По закону Ома протекающий по цепи ток будет равен:

При прохождении по первому резистору ток создаст на его выводах напряжение, равное 0,5 х 10 = 5 В. На втором резисторе напряжение будет равно 0,5 x 30 = 15 В и на третьем 0,5 x 40 = 20 В. В сумме эти три напряжения составляют 5 + 15 + 20 = 40 В, что равно напряжению батареи. Каждое из этих составляющих напряжений называется падением напряжения.