Закон Ома с точки зрения гидравлики

Как вы уже знаете, электрический ток имеет аналогию с гидравликой. Напряжение — это уровень воды в башне. Сопротивление — это  труба или шланг. Сила тока — это объем воды за какой-то период времени.

Теперь давайте рассмотрим такой случай. Пусть вместо башни у нас будет сосуд с водой, в котором пробиты три одинаковых отверстия на разной высоте сосуда. Так как сосуд у нас наполнен водой, следовательно, на дне сосуда давление будет больше, чем на  его поверхности.

Как вы видите, нижняя струя, которая находится ближе ко дну, стреляет дальше, чем средняя струя. А средняя струя стреляет дальше, чем верхняя.  Заметьте, что отверстия у нас везде  одинакового диаметра. То есть можно сказать, что сопротивление каждого отверстия воде одинаково. За одинаковое время, объем воды, вытекаемый с самого нижнего отверстия намного больше, чем объем воды, вытекаемый со среднего и самого верхнего отверстия. А что у нас такое объем воды  за какое-то время? Да это же сила тока !

Опыт №1

Думаю, у каждого из вас есть садовый участок. Где-то недалеко от вас всегда есть водонапорная башня

Для чего нужна водонапорная башня? Для контроля уровня расхода воды, а также для создания давления в трубах, иначе как вы  будете поливать свои огурцы? Вы никогда  не замечали, что башню возводят  где-нибудь на возвышенности? Для чего это делается? Как раз для того, чтобы создать давление.

Предположим, что ваш садовый участок находится выше, чем верхушка водобашни. Что произойдет в этом случае? Вода просто-напросто не дойдет до вас! Физика… закон сообщающихся сосудов.

У всех на кухне и в ванной есть краник. После очередного трудового дня вы решили помыть руки. Для этого вы на полную катушку включаете воду, и она начинает течь бурным потоком из краника:

Но вас не устраивает такой поток воды, поэтому, покрутив ручку крана, вы уменьшаете поток воды на минимум:

Что только что сейчас произошло?

Поменяв сопротивление потоку с помощью ручки краника, вы добились того, что этот поток воды стал течь очень слабо.

Давайте же проведем аналогию этой ситуации с электрическим током. Итак, что имеем? Напряжение потока мы не меняли. Где-то там вдалеке стоит водобашня и создает давление в трубах. Мы ведь не имеем права трогать водобашню, а тем более ее сносить). Поэтому уровень воды в башне все время полный, так как насос все время подкачивает воду до максимального уровня. Следовательно, напряжение у нас постоянное и не меняется.

Закрутив обратно ручку краника, мы  только что поменяли сопротивление трубы, из которой сделан краник. В данном случае мы увеличили сопротивление потоку воды. А что у нас получилось с потоком водички? Она стала бежать медленнее! То есть, можно сказать, что количество молекул воды за какое-то время при полностью открытом и полузакрытом кранике получилось разное. Ну-ка, вспоминаем, что такое сила тока 😉 Кто забыл, напомню — это количество электронов протекающих через поперечное сечение проводника за какой-то период времени . И что у нас стало с этой силой тока? Она уменьшилась!

Когда электрический ток проходит через резистор, то в цепи начинает меняться сила тока. Для простоты понимания с точки зрения гидравлики резистор можно изобразить, как вентильную заслонку:

которая меняет свое сопротивления в зависимости от того, насколько приоткрыта заслонка.

Допустим, у нас есть давление в трубе, но заслонка полностью закрыта. В данном случае поток воды стоит на месте и вода никуда не течет. Следовательно, сила потока в трубе равняется нулю. Но как только мы чуток приоткроем заслонку, у нас появится движуха воды, что в свою очередь вызовет поток воды. Нетрудно догадаться, что чем больше мы открываем заслонку, тем сильнее становится поток воды. При полностью открытой заслонке сила потока воды будет максимальной.

Теперь давайте разберем вот еще какой нюанс. При полностью закрытой задвижке у нас на заслонку создавалось полное давление воды. При этом потока воды нет. Оно и понятно, заслонка то не пускает течь воду, хотя вода под давлением.

Но что произойдет, когда мы чуток откроем заслонку? Уменьшится ли давление на саму заслонку? Разумеется. Так как площадь сопротивления заслонки стала меньше. Но также началось и самое интересное. Возникла движуха воды.

А что если мы полностью  откроем кран и выставим заслонку вот в таком положении? Какое давление будет оказывать поток воды на ее площадь?

Думаю, в идеальном случае можно сказать что никакого. В реальном случае очень-очень слабое давление будет оказываться на площадь заслонки, так как она расположена параллельно потоку воды.

А теперь еще один вот такой интересный вопрос: а от чего будет еще зависеть давление на заслонку? От силы потока!  А сила потока от чего? От давления! Чем сильнее поток воды, тем сильнее давление на заслонку. Но опять же, чтобы был поток воды, заслонка должна быть открыть хотя бы наполовину, как в этом рисунке:

Классическая гидравлика, по идее ничего сложного.  А теперь давайте применим все это к электронике 😉

Начнем с азов. Труба — проводок. Напряжение — давление в системе. Молекулы воды — электроны. Сила тока — количество молекул воды, которое прошло через поперечное сечение трубы за 1 секунду. И… ЗАСЛОНКА! Что она делает? Оказывает СОПРОТИВЛЕНИЕ потоку воды. Значит, заслонка — это сопротивление. Полностью закрытая заслонка — очень большое сопротивление (можно сказать обрыв), заслонка параллельно потоку воды, очень маленькое сопротивление (можно сказать 0 Ом).

Но теперь ВНИМАНИЕ!  Площадь заслонки, на которую оказывается давление — это что? Напряжение! И когда давление на заслонке больше всего? Тогда, когда она полностью закрыта ;-). Полностью закрытая заслонка — это сопротивление с бесконечно большим номиналом сопротивления. А когда на заслонку оказывается минимальное давление? Тогда, когда она встает параллельно потоку воды ;-). То есть в этом случае ее сопротивление почти 0 Ом.

Получается, в электронике, как и в гидравлике, у нас на сопротивлении ПАДАЕТ НАПРЯЖЕНИЕ. Чем больше значение сопротивления, тем больше падает напряжение на этом сопротивлении, и наоборот.

И теперь еще один важный момент. От чего зависит давление на заслонку? От  давления в системе, а также от силы потока. Но опять же, чтобы вызвать силу потока, надо заслонку ставить как можно параллельней потоку воды. То есть мы уменьшаем сопротивление и одновременно увеличиваем силу тока. Получается, все эти три параметра, напряжение, сила тока и сопротивление, взаимосвязаны.

Закон Ома

Ну как, увидели закономерность из всего вышеописанного? А вот немецкий физик Георг Ом с помощью простых опытов нашел все-таки связь между этими тремя величинами и с тех пор этот закон носит его имя:

где

I — это сила тока, выражается в Амперах (А)

U — напряжение, выражается в Вольтах (В)

R — сопротивление, выражается в Омах (Ом)

Закон Ома является самым главным законом в электронике. Абсолютно вся теория цепей построена именно на законе Ома. Поэтому, чтобы научиться читать электрические схемы, вам очень важно знать, как связаны напряжение, сила тока и сопротивление на участке цепи. В этой статье мы с вами разобрали закон Ома для участка цепи, но есть еще закон Ома для полной цепи, о котором можно прочитать в этой статье .

Закон ома узнали, давайте теперь перейдем к закону джоуля ленца .