Измерения в электрических цепях

Что такое электрическая цепь

Любая электрическая цепь состоит из источника и приемника электрической энергии, соединенных между собой проводами. Что такое провода, это понятно, а в качестве приемника и источника может быть какое угодно сочетание различных устройств. Общий случай простейшей электрической цепи показан на рисунке 1.

Источником электрической энергии может быть обычная батарейка или мощная трансформаторная подстанция. Приемник энергии, показанный на рисунке тоже самый разнообразный – от лампочки для карманного фонаря до многоквартирного жилого дома. Соединительные провода тоже будут соответствовать потребляемой мощности. Далее будут рассматриваться только маломощные источники и приемники не мощнее упомянутой лампочки.

Для источника питания приемник является нагрузкой. Именно так его чаще всего и называют. Далее в статье в качестве нагрузки будут использоваться резисторы, в отдельных случаях лампочки.

Рисунок 1. Простейшая электрическая цепь

Электрическая цепь должна быть замкнута

На бытовом уровне электрическим током называют все, что связано с электричеством. Вот на стене повешена розетка, и в ней живет электрический ток! На самом деле это немного не так. И пока в розетку ничего не включено, то нет никакого тока. Напряжение есть, а тока нет!

Электрический ток протекает только в замкнутой цепи. Если гальваническая батарея, или попросту батарейка, лежит на столе и никуда не подключена напряжение на ее клеммах присутствует. В таком состоянии напряжение называют электродвижущей силой (ЭДС) источника. В формулах и схемах ЭДС обозначается буквой Е.

Закон Ома для всей цепи

Когда к батарее подключается нагрузка, напряжение несколько падает, что обусловлено падением напряжения на внутреннем сопротивлении источника, в данном случае батареи. Это падение учитывается в законе Ома для всей цепи (смотрите: Закон Ома в популярном изложении). Сама цепь показана на рисунке 2.

I = E/( R + r )

Выражение в скобках есть полное сопротивление цепи, полученное как сумма сопротивления нагрузки и внутреннего сопротивления батареи, обозначенного маленькой буквой.

Рисунок 2.

По-другому это математическое выражение записывается так: E = I * (R + r) = I*R + I*r

Обычно произведение тока на сопротивление называют падением напряжения на участке цепи. В данном случае второе слагаемое в формуле есть падение напряжения на внутреннем сопротивлении батареи. Именно на эту величину снижается ЭДС батареи.

По мере разряда батареи ее внутреннее сопротивление растет и, в конце концов, становится настолько большим, что при подключении нагрузки вся ЭДС расходуется на преодоление собственного сопротивления. А напряжение на выходных клеммах становится совсем маленьким, во внешнюю цепь энергию отдавать уже невозможно. В таких случаях говорят, что батарея разрядилась.

Чтобы проверить сказанное, можно собрать простейшую схему, показанную на рисунке 3.

Рисунок 3.

Да собственно и собирать ничего не надо. Просто подключить к батарее вольтметр, а потом просто руками приложить нагрузочное сопротивление. Для проверки батарей типа «Крона» в качестве нагрузки рекомендуется использовать резистор 100 Ом. Показания вольтметра несколько упадут, что зависит от внутреннего сопротивления батареи. Если при такой проверке вольтметр покажет напряжение ниже 7 вольт, то «Крона» подлежит замене.

То же самое происходит в квартирной электропроводке. Достаточно подключить утюг, камин или другую мощную нагрузку, как яркость свечения ламп в люстре несколько снижается. Это наглядно говорит о том, что произошло падение напряжения на проводах. Именно сопротивление проводов в данном случае является внутренним сопротивлением источника электроэнергии.

С гальваническими элементами типа «пальцы — мизинцы», как правило, совсем не церемонятся: просто берут и проверяют на ток короткого замыкания, включив мультиметр в режим измерения тока. Если элемент еще живой, то выдает ток в несколько сот миллиампер, а свежий элемент может дать до 3…5 ампер.

Подобную проверку ни в коем случае нельзя проводить с аккумуляторами, которые внешне похожи на гальванические элементы. Их устройство совсем другое, да и цена намного выше.

Универсальным прибором для измерений в электрических цепях является мультиметр. О том, как привильно им пользоваться читайте здесь:  «Мультиметр для «чайников»: базовые принципы проведения измерений мультиметром».

Смотрите также: Измерение напряжения и Измерение тока