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