Связь тока и напряжения

June 26, 2010 by admin Комментировать »

На самом деле аналогия с камнем наглядна, но не точна — труба с текущей жидкостью подходит куда больше. Дело в том, что напряжение и ток обычно связаны между собой, (Слово «обычно» я употребил потому, что в некоторых случаях — в источниках напряжения или тока — от этой связи стараются из­бавиться, хотя полностью никогда и не удается.) В самом деле, если вернуть­ся к нашей трубе, то легко представить, как с увеличением давления (напря­жения) увеличивается количество протекающей жидкости (ток). Иначе зачем нужны бы были насосы? Сложнее представить себе наглядно обратную зави­симость — как ток влияет на напряжение. Для этого нужно сначала понять, что такое сопротивление.

clip_image002

Рис. 1.1. Схема эксперимента по проверке закона Ома

clip_image004

Рис. 1.2. Примерные результаты проверки закона Ома

Вплоть до середины XIX века физики не знали, как выглядит зависимость тока от напряжения. Этому есть одна важная причина. Попробуйте сами экс­периментально выяснить, как выглядит график этой зависимости. Схема экс­перимента приведена на рис. 1.1, а примерные результаты — на рис. 1.2. По­казанные на графике результаты весьма приблизительны, так как реальный вид кривой сильно зависит от того, как именно выполнен подопытный про­водник («П» на рис. 1.1)— плотно или редко он намотан, на толстый мас­сивный каркас или на тонкий, а также от температуры в комнате, наличия сквозняка и еще от множества других причин. Именно такое непостоянство и смущало физиков — не только сама кривая загибается (то есть ток в общем случае непропорционален напряжению). Но вид и форма этого загиба весьма непостоянна и меняется как при изменении условий внешней среды, так и для различных материалов.

clip_image006

Рис. 1.3. Георг Симон Ом (1787—1854) — немецкий физик, член-корреспондент

Берлинской АН. Окончил Эрландский университет. Преподавал математику, затем физику в различных гимназиях. С 1833 года — профессор Нюрнбергской высшей политехнической школы. В 1849—52 годах — ректор Мюнхенского университета. Член Лондонского королевского общества

Понадобился гений Георга Ома, чтобы за всеми этими деревьями увидеть настоящий лес: а именно понять, что зависимость тока от напряжения они­сывается элементарно простой формулой: / = U/R, а все несуразности, кото­рые описаны ранее, проистекают от того, что величина сопротивления R за­висит от материала проводника и от условий внешней среды, в первую оче­редь от температуры. Так, в нашем эксперименте загиб кривой вниз происходит потому, что при прохождении тока проводник нагревается, а со­противление меди с повышением температуры увеличивается (примерно на 0,4% с каждым градусом изменения температуры). А вот сама величина этого нагрева зависит от всего, чего угодно — намотайте провод поплотнее и за­верните его в асбест — он будет нагреваться сильнее, а размотайте его и по­местите на сквозняк — нагрев резко уменьшится.

В знак признания заслуг Георга Ома (рис. 1.3) единица измерения сопротив­ления так и называется — ом (ohm по-английски). Согласно формуле, приве­денной в предыдущем абзаце, 1 Ом есть сопротивление такого проводника, через который течет ток в 1 А при напряжении на его концах, равном 1 В. Обратная сопротивлению величина называется проводимостью и измеряется в сименсах, названных так в честь другого немецкого ученого, электротехни­ка и предпринимателя Вернера фон Сименса: 1 См = 1/Ом. В электронике почти всегда оперируют именно величиной сопротивления, так что сименсы мы оставим для физиков.

Заметки на полях

Обратите внимание, что название единицы измерения «ом» мы пишем со строчной буквы, а ее обозначение («Ом») — с прописной. Это общее правило: все обозначения единиц измерения, которые образованы от фамилий ученых, пишутся с прописной буквы: Дж (джоуль), Вт (ватт), В (вольт), А (ампер). В то же время обозначения единиц измерения, которые не образованы от имен собственных, а являются обычными словами, пишутся со строчной буквы: с (секунды), м (метры).

Сопротивление проводника зависит от его геометрических размеров — оно увеличивается пропорционально длине и уменьшается пропорционально площади сечения: /? = p-L/S, Большое практическое значение имеет коэффи­циент пропорциональности р — т. н. удельное сопротивление материала про­водника. При определенной температуре (обычно берется 20 °С) эта величи­на почти постоянна для каждого материала. «Почти» я тут написал потому, что на самом деле эта величина сильно зависит от химической чистоты и да­же от способа изготовления материала проводника (например, формировался ли проводник штамповкой, протяжкой или электрохимическим напылением). Для проводников стараются употреблять очень чистые металлы, скажем обычный медный провод изготавливают из меди с количеством примесей не более 0,1% (как говорят, с чистотой в «три девятки»), это позволяет умень­шить сопротивление такого провода и избежать лишних потерь на его нагрев.

Удельное сопротивление проводника, по определению, есть сопротивление (Ом) проводника единичной площади (1 м^) и единичной длины (1 м), и если подставить эти величины в формулу, приведенную ранее, вы получите раз­мерность для удельного сопротивления OmmVm или просто Ом-м. Практиче­ски в таких единицах измерять удельное сопротивление страшно неудобно, так как для металлов величина получается крайне маленькой — представляе­те сопротивление куба меди с ребром в 1 м?! На практике часто употребляют единицу в 100 раз больше: Омсм. Эта величина часто приводится в справоч­никах (см., например, [5]), но и она не слишком удобна для практических расчетов. Так как диаметр проводников измеряют обычно в миллиметрах (а сечение, соответственно, в квадратных миллиметрах), то на практике наибо­лее удобна старинная внесистемная единица OmmmVm, которая равна сопро­тивлению проводника сечением в 1 квадратный миллиметр и длиной 1 метр. Для того чтобы выразить официальный Ом-м в этих единицах, нужно умно­жить его величину на 10^, а для Омсм— на \0^. Подглядев в справочнике величину удельного сопротивления меди (0,0175 Оммм^/м при 20 ^С), мы легко можем вычислить, что сопротивление проводника с параметрами, при­веденными на рис. 1.1, составляет около 45 Ом (проверьте!).

Надо сказать, что человечество весьма преуспело в изготовлении специаль­ных материалов, имеющих коэффициент удельного сопротивления, мало зависящий от температуры. Это прежде всего специальные сплавы, кон-стантан и манганин, температурный коэффициент сопротивления (ТКС) которых в несколько сотен раз меньше, чем у чистых металлов. А для обычных стандартных углеродистых или металлопленочных резисторов ТКС составляет приблизительно 0,1% на градус или меньше, то есть при­мерно в 4 раза лучше, чем у меди. Есть и специальные прецизионные рези­сторы (среди отечественных это, например, С2-29В, проволочные С5-54В и др.), у которых этот коэффициент значительно меньше. Есть и другие мате­риалы, у которых температурный коэффициент, наоборот, весьма велик (несколько процентов на градус, и при этом, в отличие от металлов, отри­цателен) — из них делают т. н. термисторы, которые используют как чув­ствительные датчики температуры. Однако для точного измерения темпе­ратуры все же используют чистые металлы — чаще всего платину и медь. К этому вопросу мы еще вернемся.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты