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:
Необходимое для нашей цепи сопротивление имеет значение, равное 350 Ом. В продаже нет элементов сопротивления на 350 Ом, потому что такие элементы изготавливают только с определенными значениями. Величина сопротивления, наиболее близкая к нашему, это 390 Ом.
Теперь попробуем рассчитать мощность, потребляемую сопротивлением. Мы видели, что мощность равна напряжению умноженному на ток:
Рмощность = U · I
Закон Ома гласит:
U = I · R
Поэтому мощность может быть записана в виде:
Pмощность = U · I = (I · R) · I = I2 · R
Подставляя в формулу наши значения:
Рмощность = (0,020)2 · 390 = 0,156 (Ватт)
В продаже есть различные элементы сопротивления, способные выдерживать разные мощности.
В данном случае будет достаточно обычного сопротивления в 1/4 Вт, что составляет 0,25 Вт. Если бы мы выбрали сопротивление с меньшей мощностью, мы бы рисковали перегреть элемент… или даже сжечь его!
Электрические измерения
Электрические явления невидимы. Мы не можем видеть электроны, которые проходят через металлическую проволоку. Их также невозможно сосчитать! Несмотря на эти трудности, мы можем измерить ток и напряжение, наблюдая «вторичные» эффекты, такие как электромагнитные поля, вызванные движением токов. Мы видели, что для измерения токов и напряжений должны использоваться вольтметры или амперметры, но более практично использовать тестер или мультиметр, то есть прибор, способный измерять различные электрические величины. Тестеры имеют цифровой дисплей или индикатор со стрелкой, поворотный переключатель и три или четыре гнезда для подключения щупов, то есть пары проводов с металлическим наконечником. Один щуп всегда красного цвета, а другой черного. Эти цвета принято считать положительным (красный) и отрицательным (черный).
Рис. 1.25. Современный цифровой мультиметр и аналоговый тестер со стрелкой
Можно купить дешевые приборы, которые измеряют только напряжение, ток и сопротивление, или более сложные и дорогие, которые также могут измерять мощность, частоты, индуктивности, транзисторы, диоды и температуры. Вы также можете найти приборы со стрелкой, которые могут оказаться сложнее в использовании, потому что часто содержат несколько шкал измерений, наложенных друг на друга, а также множество гнезд (разъемов) для подключения щупов. На самом деле различные приборы для измерения имеют ряд общихчерт, и, как только вы научитесь использовать один, вам не доставит трудности использовать и другие. Все модели имеют гнездо с надписью «СОМ», что означает общий провод. В это гнездо всегда подключается черный щуп, то есть отрицательный. У нас есть также гнездо с надписью V/OHM для измерения напряжений и сопротивлений, и одно или несколько гнезд для тока, как правило, с пометкой мА или А. Входы для токов разделены, поскольку измерения некоторых мощностей требуют определенных мер безопасности для пользователя и для цепей тестера. Токи, которые мы используем в наших экспериментах, будут иметь величины не более несколько сотен миллиампер.
Прибор снабжен переключателем, чтобы установить тип измерения и значение (или точность). Переключатель разделен на участки. В поле для напряжений имеются различные настройки, например мы можем найти: 200 мВ, 2 В, 20 В, 200 В. Современные и более дорогие устройства самостоятельно приспосабливаются к измеряемым величинам. Если мы хотим измерить напряжение 10 В прибором, установленным на 2 В, мы не повредим тестер, но измерение будет осуществляться до полной шкалы (на экране отображается предупреждение или особая надпись). То же самое касается измерения тока и сопротивлений.