Начнем с понятия электричества. Ток, напряжение, сопротивление.

Электрический ток – это упорядоченное движение заряженных частиц под действием электрического поля.

В качестве частиц могут выступать свободные электроны металла, если ток течет по металлическому проводу, или ионы, если ток течет в газе или жидкости.
Есть ещё ток в полупроводниках, но это отдельная тема для разговора. Как пример можно привести высоковольтный трансформатор из микроволновки – сначала электроны бегут по проводам, затем ионы движутся между проводами, соответственно сначала ток идет через металл, а потом через воздух. Вещество называются проводником или полупроводником, если в нём есть частицы, способные переносить электрический заряд. Если таких частиц нет, то такое вещество называется диэлектриком, оно не проводит электричество. Заряженные частицы несут на себе электрический заряд, который измеряется обозначается q в кулонах.

Единица измерения силы тока называется Ампер и обозначается буковой I, ток величиной в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда величиной 1 Кулон за 1 секунду, то есть грубо говоря сила тока измеряется в кулонах секунду. И по сути сила тока это количество электричества, протекающего за единицу времени через поперечное сечение проводника. Чем больше заряженных частиц бежит по проводу, тем соответственно больше ток.Чтобы заставить заряженные частицы перемещаться от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение. Напряжение измеряется в вольтах и обозначается буквой V или U. Чтобы получить напряжение величиной 1 Вольт нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж. Согласен, немного непонятно.

Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под действием силы тяжести вытекает через трубу. Пусть вода – это электрический заряд, высота водяного столба – это напряжение, а количество вытекающей за секунду воды – это электрический ток. Чем выше уровень воды, тем больше будет давление внизу А чем выше давление внизу, тем больше воды вытечет через трубу, потому что скорость будет выше. Аналогично чем выше напряжение, тем больший ток будет течь в цепи. Если сравнить электроцепь с канализацией, то источник питания это сливной бачок, текущая вода – ток, давление воды-напряжение, а несущееся по трубам говнище – полезная нагрузка. Чем выше сливной бачок, тем больше потенциальная энергия воды, находящейся в нем, и тем сильней будет напор-ток проходящий по трубам, а значит больше дерьма-нагрузки он сможет смыть. Потоку препятствует трение о стенки труб, образуя потери. Чем больше диаметр трубы, тем меньше потери (теперь ты понимаешь почему аудиофилы для своей мощной акустики берут провода потолще)

Канализация как пример цепи

Итак, электрическая цепь содержит источник, создающий между своими полюсами разность потенциалов – напряжение. Под действием этого напряжения ток устремляется через нагрузку туда, где потенциал ниже. Движению тока препятствует сопротивление, образуемое из полезной нагрузки и потерь. В результате напряжение-давление ослабевает тем сильней, чем больше сопротивление. Ну, а теперь, положим нашу канализацию в математическое русло.

Чем больше сопротивление, тем меньше ток, и наоборот.
Добавлю ещё пару слов про сопротивление. Его можно измерить, а можно посчитать. Допустим у нас есть проводник, имеющий известную длину и площадь поперечного сечения. Квадратный, круглый, неважно. Разные вещества имеют разное удельное сопротивление. Можно опять же провести аналогию с водой: вода течёт по трубе, пусть труба имеет удельную шершавость. Логично предположить, что чем длиннее и уже труба, тем меньше воды будет по ней протекать за единицу времени. Видите, как всё просто? Для нашего воображаемого проводника существует формула, определяющая зависимость между длиной, площадью поперечного сечения и удельным сопротивлением.

Для примера просчитаем простейшую цепь, состоящую из трех сопротивлений и одного источника. Для начала считаем, что напряжение и сопротивления у нас известны, а значит нам нужно найти ток.

Сложим все сопротивления, дабы получить общую нагрузку и поделим напряжение на получившийся результат – ток найден! А теперь посмотрим как распределяется напряжение на каждом из сопротивлений. Выворачиваем закон Ома наизнанку и начинаем вычислять. U=I*R поскольку ток в цепи един для всех последовательных сопротивлений, то он будет постоянен, а вот сопротивления разные. Итогом стало то, что Uисточника = U1 +U2 +U3. Исходя из этого принципа можно, например, соединить последовательно 50 лампочек рассчитанных на 4.5 вольта и спокойно запитать от розетки в 220 вольт – ни одна лампочка не перегорит

Что касается измерения сопротивления, то нужен прибор, омметр. В наше время более популярны универсальные приборы – мультиметры, они измеряют и сопротивление, и ток, и напряжение, и ещё кучу всего. Давайте проведём эксперимент. Я возьму отрезок нихромовой проволоки известной длины и площади сечения, найду удельное сопротивление в таблице на сайте и посчитаю сопротивление. Теперь этот же кусочек измерю при помощи прибора. Для такого маленького сопротивления мне придется вычесть сопротивление щупов моего прибора, которое равно 0.8 Ом. Вот так вот!

. Возьму несколько разных источников постоянного тока. Пусть это будет блок питания на 12 вольт, юсб порт и трансформатор.

Напряжение на этих источниках мы можем измерить, подключив вольтметр параллельно, то есть непосредственно к плюсу и к минусу источников. А вот чтобы измерить силу тока, нужно создать электрическую цепь, по которой будет протекать ток. В электрической цепи обязательно должен быть потребитель (нагрузка). Давайте подключим потребитель к каждому источнику. Кусочек светодиодной ленты, моторчик и резистор на (160 ом). Давайте измерим ток, протекающий в цепях. Для этого переключаю мультиметр в режим измерения силы тока и переключаю щуп во вход для тока. Амперметр подключается в цепь последовательно измеряемому объекту. Итак, я измерил все токи.

 Теперь мы знаем, какой ток потребляется в каждой цепи. Здесь у нас светятся светодиоды, здесь крутится моторчик а здесь…. Так стоять, а че делает резистор? Он не поёт нам песни, не освещает комнату и не вращает никакой механизм. Так на что он тратит целых 90 миллиампер? Давайте разбираться. Ау, он горячий! Так вот куда расходуется энергия! А можно ли как-то посчитать, что здесь за энергия? Оказывается – можно. Закон, описывающий тепловое действие электрического тока был открыт в 19 веке двумя учеными, джеймсом джоулем и эмилием ленцем. Закон назвали закон джоуля ленца. Он выражается вот такой формулой, и численно показывает, сколько джоулей энергии выделяется в проводнике, в котором течёт ток, за единицу времени.

Из этого закона можно найти мощность, которая выделяется на этом проводнике, мощность обозначается английской буквой Р и измеряется в ваттах.

Таким образом у меня на столе электрическая мощность идёт на освещение, на совершение механической работы и на нагрев окружающего воздуха. Кстати именно на этом принципе работают различные нагреватели, электрочайники, фены, паяльники и прочее. Там везде стоит тоненькая спираль, которая нагревается под действием тока.

Этот момент стоит учитывать при прокладке проводки к розеткам по квартире. Если вы возьмете для подведения к розетке слишком тонкий провод и подключите в эту розетку компьютер, чайник и микроволновку, то провод может нагреться вплоть до возникновения пожара. Если вздумаете тянуть провода – не забудьте об этом.

Также хотелось бы напомнить особенности параллельного и последовательного соединения потребителей тока. При последовательном соединении сила тока одинакова на всех потребителях, напряжение разделилось на части, а общее сопротивление представляет собой сумму всех сопротивлений.

Закон Кирхгоффа.

Закон Кирхгоффа на примере

Согласно этому закону сумма токов вошедших и вышедших из узела равна нулю, причем токи втекающие в узел принято обозначать с плюсом, а вытекающие с минусом. По аналогии с нашей канализацией – вода из одной мощной трубы разбегается по мелким. Данное правило позволяет вычислять примерный потребляемый ток, что необходимо при расчете принципиальных схем.

Мощность и потери

Мощность которая расходуется в цепи выражается как произведение напряжения на ток.

Р = U * I
Потому чем больше ток или напряжение, тем больше мощность. Т.к. резистор (или провода) не выполняет какой-либо полезной нагрузки, то мощность, выпадающая него это потери в чистом виде. В данном случае мощность можно через закон ома выразить так:

P= R * I²

Как видишь, увеличение сопротивления вызывает увеличение мощности расходующееся на потери, а если возрастает ток, то потери увеличиваются в квадратичной зависимости. В резисторе вся моща уходит в нагрев. По этой же причине, кстати, аккумуляторы нагреваются при работе – у них тоже есть внутреннее сопротивление, на котором и происходит рассеяние части энергии.

Резистор, о н же сопротивление. На схеме выглядит белым узким прямоугольником (на буржуйских схемах часто обозначен угловатой пружинкой). Замечательная деталь! Отличается тем, что не делает вообще ничего. Тупо потребляет энергию и греется на этом. Основное предназначение  - либо токоограничение, либо перераспределение напряжения. Непонятно? Сейчас поясню. Вот, например, светодиод. Ему для работы нужен мизерный ток, порядка 20 миллиампер, но вот беда – его сопротивление мало, поэтому если его воткнуть напрямую в 5 вольт, то через него ломанется ток в 400 миллиампер. От такой нагрузки бедняжка пожелтеет, позеленеет, а потом и вовсе загнется, источая вонь. Что делать? Правильно – поставить последовательно ему резистор, чтобы он ограничил ток, не пустив излишнюю мощу на хилый диодик. Даже если диод теперь тупо закоротить, то ток в цепи не превысит того, который разрешит резистор, исходя из закона Ома. Второе популярное применение это делители напряжения. Цель делителя — разделить входное напряжение пропорционально номиналам резисторов и подать часть этого напряжения в нужную точку схемы. Делитель представляет из себя два последовательно соединенных резистора. Один из которых подсоединен к точке нулевого потенциала (корпус), а второй к напряжению которое нужно поделить. Средняя точка между резисторам это выход нашего поделенного напряжения. Ток в последовательной цепи везде одинаков, а вот сопротивление разное, а значит напряжение (по закону Ома) разделится на резисторах пропорционально их сопротивлениям. Одинаковые резисторы – напряжение пополам, а если нет, то уже надо вычислять где как.

Применение резистора

КОНДЕНСАТОР, он же емкость. Еще один вид пассивных элементов. На схеме обозначен как две одинаковые параллельные черточки. В отличии от резистора, конденсатор это нелинейный элемент. По нашей водной аналогии его можно сравнить с резиновым баком. Вначале, когда он пуст, вода его заполняет, растягивая стенки. Постепенно, когда стенки растянутся до предела, его сопротивление возрастет настолько, что поток воды остановится. А если убрать внешнее давление, то хлынет обратно. Так же и электрический конденсатор, когда он не заряжен, то его сопротивление можно принять нулю, а вот когда зарядится, то бесконечностью, обрывом. Ток через него идет только лишь в момент заряда или разряда. После отсоединения источника тока конденсатор сам начинает действовать как источник, пока не разрядится. Конденсаторы в электронике используют в основном как фильтрующие элементы, удаляющие помехи. Здоровенные конденсаторы на силовых цепях в блоках питания служат для подпитки системы при пиковых нагрузках, сглаживая просадки напряжения. Основан этот эффект на том, что конденсатор не пропускает постоянный ток, вот переменная составляющая через него проходит на ура. Сопротивление конденсатора переменной составляющей тока зависит от частоты этой составляющей. Чем выше частота, тем меньше сопротивление конденсатора. В итоге, все высокочастотные помехи, идущие поверх постоянного напряжения, глушатся через конденсатор на землю, оставляя после себя чисто постоянное напряжение. Сопротивление конденсатора переменной составляющей также зависит и от емкости кондера, поэтому ставя конденсаторы с разной емкостью можно отсеять разные частоты.

Емкостное сопротивление рассчитывается так:
Хс = 1/w*C
Где Хс – емкостное сопротивление в омах
С – емкость в фарадах
w – угловая частота переменной составляющей в радиан/с

Применение конденсатора

Конденсатор может служить времязадающим элементов в разного рода генераторах – от него будет зависеть частота генерации, либо в качестве формирователя импульса.

Индуктивность. В народе катушка. Грубо говоря, это кусок проволоки намотанный на каркас. В эту группу входят дроссели, разного рода фильтры, а также некоторые антенны. Также индуктивностью обладает всё, что имеет обмотку, например двигатели или электромагниты. А значит это надо будет учитывать при проектировании цепей. Увязать индуктивность в нашу водную теорию было нелегко, но немного пораскинув мозгами мы таки придумали. В гидро модели катушка похожа на турбину с неслабой инерцией, где величина инерция является прообразом индуктивности. На стабильно текущий поток турбина, будучи раскрученной этим же потоком, не влияет никак, но стоит потоку ослабнуть, как турбина начнет за счет своей инерции подталкивать его. И наоборот, если турбина остановлена, то при появлении потока она будет его тормозить, пока не раскрутится. Чем больше инерция, тем сильней будет сопротивление изменению потоку.

Так и катушка индуктивности препятствует изменению тока, протекающего через неё. Основное применение катушки в колебательных контурах генераторов и в фильтрах. Т.к. катушка имеет отличное свойство пропускать через себя постоянную составляющую и подавлять переменную. В паре с конденсатором они образуют фильтр.

 

Пример использования индуктивности

Диод. Это такая хитрая фиговина, пропускающая ток только в одну сторону. Его можно сравнить с ниппелем. Применяется, например, в выпрямителях, когда из переменного тока делают постоянный. Или когда надо отделить обратное напряжение от прямого. Выводы диода называют анодом и катодом. Ток течет от анода к катоду. Запомнить где какой вывод очень просто: на условном обозначнеии стрелочка и палочка со стороны к атода как бы рисуют букву К вот, смотри — К |—. К= Катод! А на детали катод обозначается полоской или точкой.

 

Так работает диод

Есть еще один интересный тип диода – стабилитрон. Особенностью его является то, что в прямом направлении он работает как обычный диод, а вот в обратном его срывает на каком-либо напряжении, например на 3.3 вольта. Подобно ограничительному клапану парового котла, открывающемуся при превышении давления и стравливающему излишки пара. Стабилитроны используют когда хотят получить напряжение заданной величины, вне зависимости от входных напряжений. Им можно обрезать входящий сигнал до нужной величины или используют его как защиту.

Также есть такой зверь как супрессор. Тот же стабилитрон, только более мощный и часто двунаправленный. Используется для защиты по питанию.

 

Транзистор. В общем, транзистор можно сравнить с управляемым вентилем, где крохотным усилием мы управляем мощнейшим потоком. Чуть повернул рукоятку и тонны дерьма умчались по трубам, открыл посильней и вот уже все вокруг захлебнулось в нечистотах. Т.е. выход пропорционален входу умноженному на какую-то величину. Этой величиной является коэффициент усиления.

Делятся эти девайсы на полевые и биполярные.

В биполярном транзисторе есть эмиттер, коллектор и база (смотри рисунок условного обозначения). Эмиттер он со стрелочкой, база обозначается как прямая площадка между эмиттером и коллектором. Между эмиттером и коллектором идет большой ток полезной нагрузки, направление тока определяется стрелочкой на эмиттере. А вот между базой и эмиттером идет маленький управляющий ток. Грубо говоря, величина управляющего тока влияет на сопротивление между коллектором и эмиттером. Биполярные транзисторы бывают двух типов: p-n-p и n-p-n принципиальная разница только лишь в направлении тока через них.

Полевой транзистор отличается от биполярного тем, что в нем сопротивление канала между истоком и стоком определяется уже не током, а напряжением на затворе. Последнее время полевые транзисторы получили громадную популярность (на них построены все микропроцессоры), т.к. токи в них протекают микроскопические, решающую роль играет напряжение, а значит потери и тепловыделение минимальны.

 

Обозначение транзисторов или камень преткновения всех студентов. Как запомнить тип биполярного транзистора по его условной схеме? Представь что стрелочка это направление твоего движения на машине… Если едем в стенку то дружный вопль «П исец Н ам П исец

Короче, транзистор позволит тебе слабеньким сигналом управлять мощной нагрузкой типа реле, двигателя или лампочки. Если не хватит усиления одного транзистора, то их можно соединять каскадами – один за другим, все мощней и мощней.

 

Есть ещё один очень важный момент, о котором нужно знать. Все источники имеют максимальный отдаваемый ток, если этот ток превысить – источник может нагреться, выйти из строя, а в худшем случае загореться. Самый благоприятный исход это когда источник имеет защиту от перегрузки по току, в таком случае он просто отключит ток. Как мы помним из закона ома, чем меньше сопротивление, тем выше ток. То есть если взять в качестве нагрузки кусок провода, то есть замкнуть источник самого на себя, то сила тока в цепи подскочит до огромных значений, это называется короткое замыкание. Если подставить нулевое сопротивление в закон ома то мы получим бесконечно большой ток. На практике такое конечно не происходит, потому что источник имеет внутреннее сопротивление, которое подключено последовательно. Этот закон называется закон ома для полной цепи. Сейчас давайте вернёмся к максимальному току, который может выдать источник питания. Утрирую: есть блок питания на 12 вольт и 50 ампер. Если я подключу к нему маленький кусочек светодиодной ленты, она не сгорит? Нет, конечно же она не сгорит. 50 ампер – это максимальный ток, который способен выдать источник. Если ты подключишь к нему кусочек ленты, она возьмёт свои ну допустим 100 миллиампер, и все. Другое дело, если возьмёшь километр светодиодной ленты и подключишь его к этому блоку питания, то ток там будет выше допустимого, и блок питания скорее всего перегреется и выйдет из строя. Именно потребитель определяет величину тока в цепи. Если блок может выдать максимум 2 ампера, если его закоротить на болтик, с болтиком ничего не происходит. А вот блоку питания это не понравится. Аесли взять источник, способный выдать десятки ампер, такая ситуация не понравится уже болтику.

 

И напоследок коротенько о технике безопасности. Здесь вы можете видеть, до каких значений электричество считается неопасным для жизни человека.