Какая связь существует между напряжением, током и сопротивлением?

Электрическая цепь считается сформированной тогда, когда создан такой проводящий путь, который позволяет свободным электронам непрерывно перемещаться. Это непрерывное движение свободных электронов по проводникам цепи называется током. Иногда его, по аналогии с потоком воды через трубу, называют "потоком".

Сила побуждающая электроны "течь" по цепи называется напряжением. Напряжение - это определённая мера потенциальной энергии, которая всегда взаимосвязана с двумя точками цепи. Когда мы говорим что в схеме присутствует определенная величина напряжения, мы имеем в виду величину потенциальной энергии, необходимой для перемещения электронов из одной точки цепи в другую. Без привязки к двум конкретным точкам цепи термин "напряжение" не имеет смысла.

При движении свободных электронов через проводники, определенное воздействие на них оказывает сила трения, которая препятствует движению. Это противодействие движению называется сопротивлением. Величина тока в цепи зависит от величины напряжения, заставляющего электроны двигаться, а так же от величины сопротивления, тормозящего поток электронов. Так же как и напряжение, сопротивление взаимосвязано с двумя точками цепи.

Чтобы конкретизировать понятия величины тока, напряжения и сопротивления, мы должны присвоить им единицы измерения, точно также, как единицы измерения присвоены массе, температуре, объему, длине и другим видам физических величин. Например, для массы мы используем единицу измерения "килограмм" или "грамм", для температуры - градус Фаренгейта или градус Цельсия. Стандартные единицы измерения силы тока, напряжения и сопротивления приведены в таблице:

"Обозначение" каждой величины - это буква латинского алфавита, которая используется для представления величины в алгебраическом уравнении. Использование латинских букв в физических и технических дисциплинах признано на международном уровне. "Аббревиатура" представляет собой первую букву единицы измерения на русском и английском языках. Исключение составляет аббревиатура слова Ом, которую в английской версии представляет буква греческого алфавита.

Каждая единица измерения названа в честь известного экспериментатора в области электроники: Ампер - в честь француза Ампера Андре Мари, Вольт - в честь итальянца Алессандро Вольта, Ом - в честь немца Ома Георга Симона.

Обозначение каждой величины имеет определенный смысл. Буква "R" (resistance) для сопротивления говорит сама за себя. Напряжение в нашей стране обозначается буквой "U", а за границей оно обозначается буквой "V" (voltage), что тоже говори само за себя. Что касается буквы "I" для обозначения силы тока, и буквы "E" - для второго обозначения напряжения, то они немного не вписываются в это правило. "I", как многие полагают, означает  "Intensity" (Интенсивность (потока электронов)), а "E" - "Electromotive force" (Электродвижущую силу). Обозначения "E" и "U" по большей части являются взаимозаменяемыми, однако, некоторые радиолюбители резервируют букву "E" для обозначения напряжения источника питания (батареи, генератора и др.), а буквой "U" обозначают напряжение чего-нибудь еще.

Все эти обозначения используют заглавные буквы, кроме случаев, когда величина (особенно напряжения или тока) описывается в пределах короткого промежутка времени (так называемое "мгновенное" значение). Например, стабильное на протяжении длительного периода времени напряжение батареи обозначается заглавной буквой "E", а пиковое напряжение в момент удара молнии в линию электропередач скорее всего  будет обозначено строчной буквой "e" (или "u"). Это же правило применяется и к силе тока, где строчная буква "i" обозначает силу тока в определенный момент времени. Большинство измерений постоянного тока (DC) обозначается заглавными буквами, потому что он стабилен с течением времени.

Одной из основополагающих, но редко используемых единиц измерения в электронике является кулон. Кулон это мера электрического заряда, он пропорционален количеству свободных электронов. Один кулон равен 6,250,000,000,000,000,000 электронов. Величина электрического заряда обозначается буквой "Q", а аббревиатура кулона - буква "C" (coulomb). 1 Амер (единица измерения потока электронов) равен 1 Кулону электронов, проходящих через определенную точку цепи за 1 секунду времени. Иными словами, электрический ток - это скорость движения электрического заряда через проводник.

Как было сказано выше, напряжение - это количество потенциальной энергии на единицу электрического заряда, необходимой для перемещения электронов из одной точки цепи  в другую. Поэтому, прежде чем мы сможем точно определить что из себя представляет "Вольт", мы должны понять, как измерить величину называемую "потенциальной энергией". Общей единицей измерения для любой энергии является джоуль. Джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы, равной одному ньютону, на расстояние одного метра в направлении действия силы. Исходя из вышеприведенного определения напряжения, 1 Вольт равен 1 Джоулю электрической потенциальной энергии на (деленному на) 1 Кулон заряда. Таким образом, 9-вольтовая батарея затрачивает 9 джоулей энергии на перемещение каждого кулона электронов через цепь.

Рассмотренные обозначения и единицы измерения электрических величин очень важно знать, так как мы, с настоящего момента, начинаем исследовать соотношения между ними в электрических цепях. Первым, и возможно самым важным соотношением между током, напряжением и сопротивлением является закон Ома, открытый и опубликованный Георгом Симоном Омом в 1827 году. Основным открытием Ома было то, что сила тока в проводнике прямопропорциональна напряжению, приложенному к его концам. Ом выразил своё открытие в виде простого уравнения, описывающего взаимосвязь тока, напряжения и сопротивления:

В этом алгебраическом выражении сила тока (I) прямопропорциональна напряжению (U) и обратно пропорциональна сопротивлению (R). Используя формулу закона Ома и методы алгебры, можно вычислить напряжение и сопротивление:

Давайте посмотрим, как эти уравнения работают при анализе простых электрических схем:

В приведенной выше схеме есть только один источник напряжения (батарея слева) и одно сопротивление току (лампа справа). Это делает ее очень простой в применении закона Ома. Если нам известны значения любых двух из трех величин (силы тока, напряжения и сопротивления) в этой схеме, то используя закон Ома, мы можем вычислить третью.

В первом примере мы вычислим силу тока (I) при заданных значениях напряжения (U) и сопротивления (R):

Чему равна сила тока (I) в этой схеме?

Во втором примере мы вычислим сопротивление (R) при заданных значениях напряжения (U) и силы тока (I):

Чему равно сопротивление (R) лампы?

В последнем примере мы вычислим величину поставляемого батареей напряжения (U) при заданных значениях силы тока (I) и сопротивления (R):

Чему равно поставляемое батареей напряжение (U)?

Закон Ома очень простой и полезный инструмент для анализа электрических цепей. Он так часто используется при обучении электронике, что намертво врезается в память серьезных студентов. Для тех-же, кто не дружит с алгеброй, существует небольшая уловка для запоминания этого закона. Единственное что нужно сделать, это заключить буквы U, I  и R  в треугольник следующим образом:

Если вам известны значения U и I, и нужно вычислить R, то просто зачеркните эту букву в треугольнике, и вы увидите что нужно сделать:

Аналогичным образом можно вычислить значения I и U:

Краткий обзор:

• Напряжение измеряется в вольтах, и обозначается буквами "E" или "U".
• Сила тока измеряется в амперах, и обозначается буквой "I".
• Сопротивление измеряется в омах, и обозначается буквой "R".
• Закон Ома: I = E/R ; U = IR ; R = E/I.