Величины, применяемые при работе с электричеством. Законы Ома и Кирхгофа

Единицы измерения служат для количественного определения какой-либо физической величины.

Таблица 1

В реальных условиях используют краткую запись величин. Например, ток 5 миллиампер можно записать в виде 5 мА, а частоту 4 мегагерца — как 4 МГц.

Используется так же набор приставок для каждой физической величины. Ниже приведены такие комбинации величин и единиц их измерения.

· Ток: пА, нА, мкА, мА, А, КА, МА.

· Индуктивность: нГн, мкГн, мГн, Гн.

· Емкость: пФ, нФ, мкФ, мФ, Ф.

· Напряжение: мкВ, мВ, В, кВ.

· Сопротивление: Ом, кОм, Мом, ТОм.

· Частота: Гц, кГц, МГц, ГГц

Закон Ома

В начале 1800-х годов Георг Ом опубликовал уравнение, названное впоследствии законом Ома, который гласит: напряжение равняется произведению тока на сопротивление, или (в стандартной математической записи): U = I*R, или:

Можно рассчитать сопротивление при известных токе и напряжении, переставив члены того же уравнения:

.

Георг Ом также нашел выражение для мощности, вычисляемое при известных напряжении и токе:

Р = U * I;

или мощность = напряжение * ток.

Поскольку U = I * R, можно подставив это выражение в формулу для мощности, получим

P = I² * R;

или Мощность = квадрат тока * сопротивление.

Правила Кирхгофа

Первое правило Кирхгофа (правило токов Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма токов в каждом узле любой цепи равна нулю. При этом втекающий в узел ток принято считать положительным, а вытекающий - отрицательным:

Иными словами, сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. Это правило следует из фундаментального закона сохранения энергии.

Первое правило

Сколько тока втекает в узел, столько из него и вытекает. i₂ + i₃ = i₁ + i₄

Второе правило

Второе правило Кирхгофа (правило напряжений Кирхгофа) гласит, что алгебраическая сумма падений напряжений на всех ветвях, принадлежащих любому замкнутому контуру цепи, равна алгебраической сумме ЭДС ветвей этого контура. Если в контуре нет источников ЭДС (идеализированных генераторов напряжения), то суммарное падение напряжений равно нулю:

для постоянных напряжений.

Для переменных напряжений:

Иными словами, при полном обходе контура потенциал, изменяясь, возвращается к исходному значению. Частным случаем второго правила для цепи, состоящей из одного контура, является закон Ома для этой цепи.

При составлении уравнения напряжений для контура нужно выбрать положительное направление обхода контура. При этом падение напряжения на ветви считают положительным, если направление обхода данной ветви совпадает с ранее выбранным направлением тока ветви, и отрицательным - в противном случае.

Правила Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных линеаризованных цепей при любом характере изменения во времени токов и напряжений.

Новые понятия

Емкость - способна накапливать заряд под воздействием электрического поля. Такой накопленный заряд может повышать или понижать напряжение более плавно, чем в отсутствие емкости (конденсатора).

На рисунке ниже показаны формы двух сигналов: первый сигнал представляет собой снижение напряжения от +5 В до 0 В в отсутствие конденсатора, второй — в схеме с конденсатором.

Рисунок - 3 Влияние емкости

Частотой переменного тока называется мера повторяемости сигнала. Например, напряжение в настенной розетке совершает один полный цикл изменения 50 раз в секунду. На следующем рисунке показан синусоидальный сигнал, который совершает постоянные переходы от -5 В к +5 В. Говорят, что сигнал имеет частоту 50 Гц, если он совершает 50 циклов в секунду.

Рисунок 4 – Переменный ток

Индуктивность - это способность запасать энергию в магнитном поле; эта накопленная энергия препятствует изменению тока точно так же, как энергия, накопленная конденсатором, препятствует резким изменениям напряжения. Для использования данного свойства на практике в электронике применяются катушки индуктивности, или дроссели.

Мощность служит мерой количества работы, которую электрический ток совершает при протекании через элементы схемы. К примеру, если приложить к электрической лампе напряжение, подведя ток при помощи провода, то на нагрев этих проводов будет затрачиваться какая-то работа.