Почему тонкий провод греется, а предохранитель сгорает при коротком замыкании? Меняй напряжение и сопротивление, смотри на амперметр, вольтметр и нагрев резистора.
Проще всего представить воду. Бак поднят на высоту и давит на воду в трубе: это напряжение. Узкий участок трубы тормозит поток: это сопротивление. Сколько литров вытекает за секунду: это ток. Поднимешь бак выше, потечет больше. Сделаешь трубу уже, потечет меньше. Закон Ома говорит то же самое числами.
Ток растет прямо пропорционально напряжению (прямая), но падает обратно пропорционально сопротивлению (гипербола). Мощность растет как квадрат напряжения.
ⓘ Источник и провода идеальные: их собственное сопротивление равно нулю. Сопротивление резистора не зависит от нагрева. В цепи стоит предохранитель на 10 А.
Первые две формулы это один и тот же закон, записанный для разных вопросов. Третья отвечает, сколько энергии превращается в тепло. Под каждой формулой стоят числа из опыта: двигай ползунки выше, и подстановка пересчитается.
Какой ток потечет по цепи?
Ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Больше напряжение, больше ток. Больше сопротивление, меньше ток.
Как узнать сопротивление по приборам?
Та же формула, решенная относительно R. Вольтметр показывает напряжение на детали, амперметр ток через нее. Делим одно на другое и получаем сопротивление. Именно так работает омметр в любом мультиметре.
Сколько тепла выделяется и почему сгорает предохранитель?
Мощность показывает, сколько джоулей энергии ток отдает детали каждую секунду. В резисторе вся она уходит в тепло. Ток стоит в квадрате: в два раза больший ток греет провод в четыре раза сильнее.
Закон Ома вывели не на бумаге, а из опыта. В 1826 году Георг Ом пропускал ток через проволоки разной длины и измерял его при разном напряжении. Оказалось, что для каждой проволоки отношение U / I остается одним и тем же числом. Это число и назвали сопротивлением.
Если отложить результаты на графике, точки для одной проволоки ложатся на прямую, выходящую из нуля. Чем круче прямая, тем меньше сопротивление: при том же напряжении течет больший ток. На рисунке два резистора, 2 Ом и 4 Ом. При 12 В через первый течет 6 А, через второй вдвое меньше, 3 А.
Прямая получается не всегда. Нить лампы при нагреве увеличивает сопротивление в 10 раз и больше, у диода ток почти не течет, пока напряжение не превысит порог. Поэтому закон Ома точно работает для металлов при постоянной температуре, а для остальных деталей его применяют осторожно.
Электрик проверяет мультиметром датчик или обмотку: сопротивление в норме, обрыв (бесконечность) или замыкание (почти ноль). Прибор при этом просто считает R = U / I.
При коротком замыкании сопротивление цепи падает почти до нуля, и ток по закону Ома резко растет. Предохранитель рассчитан на определенный ток и перегорает раньше, чем загорится проводка.
Тонкий провод имеет большее сопротивление и сильнее греется: P = I² · R. По току нагрузки выбирают сечение так, чтобы провод не перегревался и на нем не терялось напряжение.
Сопротивление металла и полупроводника меняется с температурой. Блок управления двигателем измеряет сопротивление датчика охлаждающей жидкости или масла и по нему узнает температуру.
Датчики давления и уровня на производстве передают сигнал током. На входе контроллера стоит резистор 250 Ом, и по закону Ома ток 4–20 мА превращается в напряжение 1–5 В.
Опасность определяет ток через тело, а не напряжение само по себе. При сопротивлении тела около 1000 Ом напряжение 220 В дает ток около 0,2 А, и это смертельно. Поэтому работают в сухих перчатках и под защитой автомата.
Источник считается идеальным: его напряжение не проседает под нагрузкой. У настоящего аккумулятора есть внутреннее сопротивление, поэтому при большом токе напряжение на клеммах падает, а ток короткого замыкания ограничен (об этом тема 2.6). Сопротивление резистора не меняется при нагреве, хотя у реальных деталей оно растет. Предохранитель в опыте срабатывает мгновенно, а настоящий перегорает тем быстрее, чем сильнее перегрузка. Для понимания закона и оценок модель работает хорошо.