Напряжение на диполях может быть обозначено стрелкой, которая помогает определить полярность, потому что ее кончик указывает на положительный полюс. Это напряжение можно также измерить с помощью тестера или мультиметра, но прочитать что-то на мультиметре можно только тогда, когда компонент вставлен в цепь и подключен к источнику питания. Часто мы не задумываемся о направлении напряжения (то есть с какой стороны оно положительное и с какой отрицательное), поэтому мы можем просто нарисовать стрелки на диполях, указывая направление, которое мы хотим.
Если после выполнения расчетов напряжение имеет отрицательное значение, достаточно просто повернуть направление стрелки.
Второе правило Кирхгофа (правило напряжений Кирхгофа) гласит: если сложить разности потенциалов на сторонах любого замкнутого контура, окажется, что их сумма равна нулю. Это правило применимо к любому замкнутому контуру цепи.
Рис. 1.22. В цепи на рисунке были рассчитаны напряжения на каждом диполе. Сумма напряжений в каждом возможном контуре всегда равна нулю
На цепи, изображенной на рис. 1.22, были рассчитаны напряжения на каждом диполе. Можем с легкостью убедиться, что во всех трех контурах цепи сумма напряжений равна нулю.
Закон Ома
Рассмотрев основы тока и напряжения, давайте попытаемся применить их на практике. Возьмем простую цепь, состоящую из резистора, светодиода и батарейки 9 В. Поговорим об этих элементах чуть позже. Сейчас нам нужно знать, что:
• резистор – это компонент, который уменьшает ток в цепи;
• резистор препятствует прохождению тока, так же как труба с узким горлом препятствует прохождению воды;
• светодиод – это своего рода лампочка;
• светодиод имеет полярность, и если подключить его «наоборот», то он не включится;
• к светодиоду должно подаваться напряжение около 2 В и ток величиной от 10 до 20 мА;
• если не соблюдать значения напряжения и тока для светодиода, мы рискуем повредить его.
Рис. 1.23. Схема простой цепи, которую мы хотим рассчитать
Вопрос, который многие задают себе при работе со светодиодом: «Какое сопротивление необходимо, чтобы не сжечь светодиод?».
Давайте посмотрим, как рассчитать подходящее сопротивление, используя закон Ома и некоторые простые наблюдения. Если подключить светодиод непосредственно к батарейке 9 В, светодиод включится на некоторое время, а затем сгорит. Светодиоду необходимо напряжение 2 В, а мы подключили его к батарейке 9 В. Это слишком много! Чтобы правильно включить светодиод, нам нужно сопротивление, которое будет гарантировать падение напряжения до 2 В. Для нашего эксперимента мы используем батарейку 9 В. Батарейка должна быть в состоянии обеспечить ток как минимумв 10 миллиампер, иначе светодиод не включится. В нашем случае это не проблема, потому что батарейка 9 В может обеспечить значительно больший ток.
Мы видели, что напряжение можно сравнить с высотой, с которой падает поток воды. Мы можем представить себе батарею 9 В как водопад высотой 9 м. Светодиод можно сравнить с колесом мельницы диаметром 2 м: необходим водопад высотой не выше 2 м. Если мы поставим такую мельницу под водопад высотой 9 м, поток воды разрушит колесо мельницы. Сопротивление в этом случае необходимо для того, чтобы «прервать» поток воды водопада высотой 9 м. Таким образом, на сопротивлении мы будем иметь поток воды высотой 7 м.
Теперь заменим водопад напряжением, которое можно обозначить стрелками. С одной стороны, у нас есть красная стрелка с 9-вольтовой батарейкой, сравнимая с синей и зеленой стрелками «пользователей», то есть со светодиодом и сопротивлением. Как мы уже видели, сумма напряжений в любом узле контура всегда должна равняться нулю (правило Кирхгофа).
Рис. 1.24. Напряжения изображены как водопад, чтобы не повредить светодиод, необходимо «прервать» поток воды
С точки зрения напряжений, можно заметить:
• батарейка обеспечивает напряжение 9 В;
• светодиод потребует не более 2 В;
• сопротивление необходимо для снижения напряжения и установления допустимого значения для светодиода;
• сопротивление может выдержать напряжение 7 В без повреждений.
Попробуем сложить напряжения. Они могут иметь положительный или отрицательный знак, правило мы регулируем сами. Можно сказать, что если мы двигаемся в контуре по часовой стрелке, то напряжение в этом направлении будет со знаком «плюс», а в противоположном направлении – со знаком «минус».
Uбатарейка − Uсопротивление − Uсветодиод = 0
Мы можем также записать это уравнение как:
Uбатарейка = Uсопротивление + Uсветодиод
Теперь мы знаем некоторые величины, поэтому можем подставить их в формулу:
9 = Uсопротивление + 2
Uсопротивление + 2 = 9
Uсопротивление = 9 − 2 = 7
Полученный результат равен напряжению, находящемуся на концах сопротивления.
Теперь вычислим ток: в цепи должен циркулировать ток 20 мА, поскольку это количество тока необходимо для светодиода. Батарейка может выдавать сотни миллиампер тока, но светодиод и сопротивление будут создавать условия, при которых в цепи будет циркулировать только необходимое количество тока. Теперь давайте обратим внимание на сопротивление: на его концах имеется напряжение 7 В, и через него проходит ток 20 мА.
Закон Ома, связывающий значения напряжения, тока и сопротивления, записывается в виде:
U = I · R,
где U обозначает напряжение, I – ток и R – сопротивление. Можно также вывести следующие формулы:
Для расчета сопротивления, используемого в нашей цепи, подставим значения в формулу:
