Урок 1. Электричество. Ток, напряжение, сопротивление. Закон Ома
Все объекты вокруг нас состоят из атомов. А они из положительно заряженных ядер и движущихся вокруг них отрицательно заряженных электронов.
Если каким-нибудь образом разделить положительные и отрицательные заряды, то между разделенными зарядами возникает электрическое поле, направленное от положительных зарядов к отрицательным. Чтобы определить силу взаимодействия электрических зарядов друг с другом и совершаемую электрическим полем работу при перемещении зарядов, ввели понятие разности потенциалов или напряжения между точками в электрическом поле.
Единица измерения напряжения – Вольт (В или V). Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Джоуль.
В батарейках заряды разделяются химическим способом при производстве. Между двумя полюсами батарейки, которые называют электродами, существует электрическое напряжение. Его величина указана на корпусе. Для пальчиковой батарейки это 1.5 В.
Чтобы заряд перемещался из одной точки в другую, необходимо создать для него путь, по которому он сможет бежать легко. Один из вариантов: просто прокинуть провод между областями с разноименными зарядами. Все провода делают из проводников. Это вещества, в которых электроны могут перемещаться легко и непринужденно, например, металлы. Как только заряды целеустремленно куда-то ринутся, возникнет не хаотичное, а направленное движение электрических частиц, которое и называется электрическим током.
Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен!!!
Если каким-нибудь образом разделить положительные и отрицательные заряды, то между разделенными зарядами возникает электрическое поле, направленное от положительных зарядов к отрицательным. Чтобы определить силу взаимодействия электрических зарядов друг с другом и совершаемую электрическим полем работу при перемещении зарядов, ввели понятие разности потенциалов или напряжения между точками в электрическом поле.
Единица измерения напряжения – Вольт (В или V). Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Джоуль.
В батарейках заряды разделяются химическим способом при производстве. Между двумя полюсами батарейки, которые называют электродами, существует электрическое напряжение. Его величина указана на корпусе. Для пальчиковой батарейки это 1.5 В.
Чтобы заряд перемещался из одной точки в другую, необходимо создать для него путь, по которому он сможет бежать легко. Один из вариантов: просто прокинуть провод между областями с разноименными зарядами. Все провода делают из проводников. Это вещества, в которых электроны могут перемещаться легко и непринужденно, например, металлы. Как только заряды целеустремленно куда-то ринутся, возникнет не хаотичное, а направленное движение электрических частиц, которое и называется электрическим током.
Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен!!!
Рис. 1.1. Движение электронов, ток.
Принято считать направление тока от плюса к минусу, при этом электроны движутся от минуса к плюсу!
Сила тока измеряется в амперах. По определению ток силой в 1 ампер возникает в проводнике, через поперечное сечение которого за 1 секунду пробегает заряд в 1 кулон: 1 А = 1 Кл/с.
Если напряжение не меняет свою полярность, то ток течет в одном направлении. Это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение. Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение.
В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц.
Принято считать направление тока от плюса к минусу, при этом электроны движутся от минуса к плюсу!
Сила тока измеряется в амперах. По определению ток силой в 1 ампер возникает в проводнике, через поперечное сечение которого за 1 секунду пробегает заряд в 1 кулон: 1 А = 1 Кл/с.
Если напряжение не меняет свою полярность, то ток течет в одном направлении. Это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение. Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение.
В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц.
Рис. 1.2. Постоянный и переменный ток.
Если бы проводники были идеальными, то заряды летели бы по ним беспрепятственно. Однако ничего идеального в природе нет, поэтому внутри металлов электроны взаимодействуют с атомами их кристаллической решетки, замедляя от этого свой бег. Причем в разных веществах замедление имеет разную величину. Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом. В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.
Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Например, медь проводит ток в 10 раз лучше, чем сталь. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже.
Ток в цепи напрямую связан с сопротивлением этой цепи через закон Ома - самый важный закон в электронике. Закон Ома гласит:
Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению.
I = U / R
Т.е. чем выше напряжение – тем больше ток, чем меньше сопротивление – тем тоже ток больше.
Короткое замыкание!!!
Из формулы закона Ома следует важный вывод: если сопротивление равно или близко к нулю - ток будет бесконечно большим, т.к. произойдёт деление на ноль: I = U / 0. Сопротивление может быть близко к нулю - достаточно взять короткий толстый медный провод, а вот источник с бесконечной токоотдачей нужно ещё поискать. Подключение к источнику потребителя с очень маленьким сопротивлением называется коротким замыканием - по сути это бесконечно большая нагрузка. Если взять источник питания и просто замкнуть его куском провода, то роль нагрузки будет выполнять сам провод. Что случится дальше - зависит от источника. Если это плохой блок питания - он сгорит, если хороший - уйдёт в защиту. Батарейка быстро "сядет", а литиевый аккумулятор может взорваться. Короткое замыкание - очень опасная ситуация, которая может произойти по ошибке, при падении металлического предмета на плату, при работе пинцетом с подключенной к питанию электроникой и так далее.
Резистор - это простейший электронный компонент, который имеет конкретное сопротивление, указанное на нём цифрами или другим способом. На многих резисторах маркировка выполняется цветными кольцами, где каждому цвету приписана определенная цифра.
Если бы проводники были идеальными, то заряды летели бы по ним беспрепятственно. Однако ничего идеального в природе нет, поэтому внутри металлов электроны взаимодействуют с атомами их кристаллической решетки, замедляя от этого свой бег. Причем в разных веществах замедление имеет разную величину. Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом. В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R. Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.
Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Например, медь проводит ток в 10 раз лучше, чем сталь. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже.
Ток в цепи напрямую связан с сопротивлением этой цепи через закон Ома - самый важный закон в электронике. Закон Ома гласит:
Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению.
I = U / R
Т.е. чем выше напряжение – тем больше ток, чем меньше сопротивление – тем тоже ток больше.
Короткое замыкание!!!
Из формулы закона Ома следует важный вывод: если сопротивление равно или близко к нулю - ток будет бесконечно большим, т.к. произойдёт деление на ноль: I = U / 0. Сопротивление может быть близко к нулю - достаточно взять короткий толстый медный провод, а вот источник с бесконечной токоотдачей нужно ещё поискать. Подключение к источнику потребителя с очень маленьким сопротивлением называется коротким замыканием - по сути это бесконечно большая нагрузка. Если взять источник питания и просто замкнуть его куском провода, то роль нагрузки будет выполнять сам провод. Что случится дальше - зависит от источника. Если это плохой блок питания - он сгорит, если хороший - уйдёт в защиту. Батарейка быстро "сядет", а литиевый аккумулятор может взорваться. Короткое замыкание - очень опасная ситуация, которая может произойти по ошибке, при падении металлического предмета на плату, при работе пинцетом с подключенной к питанию электроникой и так далее.
Резистор - это простейший электронный компонент, который имеет конкретное сопротивление, указанное на нём цифрами или другим способом. На многих резисторах маркировка выполняется цветными кольцами, где каждому цвету приписана определенная цифра.
Рис. 1.3. Маркировка резисторов цветными кольцами.
Первые три полосы, расположенные слева, обозначают величину сопротивления. Четвертая — это множитель, на которой нужно умножить число, полученное из предыдущих полос. Пятая полоса отображает отклонение величины сопротивления от номинального значения, а шестая, если она есть, нам неинтересна. При 4-полосной маркировке величина сопротивления кодируется только двумя левыми полосами. При 5- и 6-полосной маркировке в числе сопротивления используется три цифры.
Первые три полосы, расположенные слева, обозначают величину сопротивления. Четвертая — это множитель, на которой нужно умножить число, полученное из предыдущих полос. Пятая полоса отображает отклонение величины сопротивления от номинального значения, а шестая, если она есть, нам неинтересна. При 4-полосной маркировке величина сопротивления кодируется только двумя левыми полосами. При 5- и 6-полосной маркировке в числе сопротивления используется три цифры.
Рис. 1.4. Таблица для вычисления номинала резистора.
Блок питания
Напрямую от "розетки" могут работать немногие устройства, это какие-то простые вещи типа кипятильников, вентиляторов, лампочек. Электронные схемы, особенно цифровые, обычно требуют постоянного напряжения 5V и ниже. А в розетке - 220V (110V в некоторых странах), ещё и переменное! Для превращения сетевого напряжения в более удобное и низкое постоянное используются блоки питания – они выпрямляют и понижают напряжение до нужного уровня. В любом сетевом устройстве, где есть некая управляющая электроника, всегда имеется блок питания – внешний или внутренний. На блоке питания всегда можно найти информацию по его входным и выходным параметрам и увидеть обозначения, которые были описаны выше. Вход - напряжение и максимальный ток потребления, выход - напряжение и максимальный отдаваемый ток.
В следующем уроке мы займемся практическим применением закона Ома.
Блок питания
Напрямую от "розетки" могут работать немногие устройства, это какие-то простые вещи типа кипятильников, вентиляторов, лампочек. Электронные схемы, особенно цифровые, обычно требуют постоянного напряжения 5V и ниже. А в розетке - 220V (110V в некоторых странах), ещё и переменное! Для превращения сетевого напряжения в более удобное и низкое постоянное используются блоки питания – они выпрямляют и понижают напряжение до нужного уровня. В любом сетевом устройстве, где есть некая управляющая электроника, всегда имеется блок питания – внешний или внутренний. На блоке питания всегда можно найти информацию по его входным и выходным параметрам и увидеть обозначения, которые были описаны выше. Вход - напряжение и максимальный ток потребления, выход - напряжение и максимальный отдаваемый ток.
В следующем уроке мы займемся практическим применением закона Ома.