Формулировка закона
Закон относится к базовому положению в электротехнике.
Формула Ома для участка цепи:
V = IR, где:
- V — напряжение между 2-мя точками, В;
- R — сопротивление, свойство материала, используемого для описания противодействия потоку тока, Ом;
- I — сила тока на участке цепи — поток электронов или электронно-дефицитных атомов, определяемая в А.
Закон Ома
Преобразование пропорциональности в уравнение, приводит к постоянной «R» — сопротивлению.
Зависимость тока и сопротивления
В 1-м случае, закон Ома для участка цепи выражается формулой: I = V/R, понятно, что электроток рассчитывают делением V на R. 2-й вариант утверждает, что V рассчитывают, если известны I и R в цепи. Из уравнения очевидно, что если растут I или R, в то время как другой не изменяется, напряжение также должно возрасти.
Зависимость тока и напряжения
Третий вариант подтверждает, что можно рассчитать R в цепи, перед тем, как найти сопротивление участка цепи по формуле нужно знать два других показателя. Если ток поддерживается постоянным, то рост напряжения приведет к увеличению сопротивления.
Замкнутая сеть
Для замкнутой цепи
Замкнутая цепь означает закрытое электросоединение, по которому циркулирует ток. Когда существует ряд проводов, соединяющих друг с другом и замыкающих цепь так, что I проходит от одного конца круга к другому, это будет замкнутая цепь.
ЭДС (Е) — обозначается и измеряется в вольтах и имеет отношение к напряжению, генерируемому батареей или магнитной силой по закону Фарадея, утверждающего, что изменяющееся во времени магнитное поле будет индуцировать электроток.
Тогда: Е = IR + Ir
Е = I(R + r)
I = Е/(R + r)
Где: r — сопротивление источника тока.
Это выражение известно, как закон Ома цепей с замкнутым контуром.
Неоднородная цепь
Для неоднородного участка цепи
Возможно применение омовских расчетов для неоднородных цепей:
I = (V+E)/R=VAB/R
Если Еcт и Екул совпадут по направлению — ЭДС и напряжение будут иметь одинаковый знак.
Фактически в замкнутом участке сети V=0, поскольку кулоновское поле неактивно.
Вам это будет интересно Инверторный преобразователь напряжения с 12 на 220 вольт
В связи с чем: I = E /(R+r), где: r — показатель относится источнику тока.
Калькулятор, который основан на законе Ома
Используйте этот калькулятор, который основан на законе Ома для расчета соотношений между током, напряжением, сопротивлением и мощностью в электрических цепях. Чтобы воспользоваться калькулятором, введите значения в 2 любых поля и нажмите кнопку «рассчитать».
Напряжение (V)ВТок (I)AСопротивление (R)ОмМощность (P)ВтРассчитатьСбросить
Дополнительные методы расчета цепей
Закон Кирхгофа
Все дополнительные методы расчета цепей в той или иной мере являются или основаны на первом и втором законах Кирхгофа. К этим методам относятся:
- Метод контурных токов – основан на введении дополнительных величин контурных токов, удовлетворяющих 1-му закону Кирхгофа;
- Метод узловых потенциалов – с его помощью находят потенциалы всех узлов схемы и затем по известным потенциалам токи во всех ветвях. Метод базируется на первом законе Кирхгофа;
- Метод эквивалентного генератора – этот метод предоставляет решение задачи, как найти ток только в одной или нескольких ветвях. Суть метода в том, что любую электрическую цепь по отношению к исследуемой ветви можно представить в виде эквивалентного генератора;
- Метод наложения – основан на том, что ток в цепи или ветви схемы равен алгебраической сумме токов, наводимых каждым источником в отдельности.
Основная часть методов расчета направлена на упрощение процедуры определения токов в ветвях схемы. Эти мероприятия проводятся либо упрощением систем уравнений, по которым проводятся расчеты, либо упрощением самой схемы. Основываясь, в первую очередь, на постулаты Кирхгофа, любой из методов отвечает на вопрос: как определить силу тока и напряжение электрической цепи.
Физика для средней школы
В дифференциальной форме
Формулу очень часто представляют в дифференциальном виде, поскольку проводник обычно неоднородный и потребуется разбить его на минимально возможные участки. Ток, проходящий через него, связан с величиной и направлением, поэтому считается скалярной величиной. Всякий раз, когда нужно найти результирующий ток через провод, берут алгебраическую сумму всех отдельных токов. Поскольку это правило действует только для скалярных величин, ток принимают также в качестве скалярной величины. Известно, через сечение проходит ток dI = jdS. Напряженье, на нем равняется Еdl, тогда для провода с постоянным сечением и равной протяженности будет верно соотношение:
Дифференциальная форма
Поэтому, выражение тока в векторном виде будет: j = E.
Важно! В случае металлических проводников с ростом температуры проводимость падает, а для полупроводников — растет. Омовский закон не демонстрирует строгую пропорциональность. Сопротивление большой группы металлов и сплавов исчезает при температуре, близкой к абсолютному нулю, а процесс называется сверхпроводимостью.
Для переменного тока
Нужно понимать, что закон не применим напрямую к переменным цепям, например, с катушками индуктивности, конденсаторами или линиям передач. Закон может использоваться только для чисто резистивных цепей переменного тока без каких-либо изменений. В цепи RLC противодействие току является импедансом Z, который образует комбинацию двух ортогональных частей сопротивления.
Переменный ток
Im=Vm/Z
В этом случае Vm связано с Im с помощью константы пропорциональности Z (импеданса) и константы пропорциональности R. Для чисто резистивных линий, где (Z = R).
Vm = ImZ и Vm = ImR
Z — это общее сопротивление участка к переменному току, состоящее из реальной части — сопротивления и мнимой — реактивности.
Формула ее определяется теоремой Пифагора, поскольку угол Ф зависит от реактивной составляющей.
Интегральная форма
Режимы работы электрических цепей
Электрические цепи и их элементы могут работать в различных режимах в отношении величин напряжений, токов и мощностей. Наиболее характерными являются номинальный и согласованный, а также режимы холостого хода (х.х) и короткого замыкания (к.з).
Номинальным режимом работы элемента электрической цепи считается режим, при котором он работает с номинальными параметрами.
Согласованным является режим, при котором мощность, отдаваемая источником или потребляемая приемником, имеет максимальное значение. Такое значение получается при определенном соотношении (согласовании) параметров электрической цепи.
Под режимом холостого хода понимается такой режим, при котором через источник или приемник не протекает электрический ток. При этом источник не отдает энергию во внешнюю часть цепи, а приемник не потребляет ее. Для двигателя это будет режим без механической нагрузки на валу.
Режимом короткого замыкания называется режим, возникающий при соединении между собой разноименных зажимов источника или пассивного элемента, а также участка электрической цепи, находящегося под напряжением.
Дополнительно по теме
- История формирования ТОЭ
- Электрические цепи постоянного тока
- Пример расчета цепей постоянного тока
- Электрические цепи переменного тока
- Расчет цепей переменного тока
- Символический метод расчета цепей
- Резонансные явления
- Переходные процессы
- Трехфазные цепи
- Симметричные составляющие трехфазной системы
- Нелинейные цепи
- Несинусоидальные токи и напряжения
- Магнитные цепи
Пример применения закона Ома
В этом примере лампочка накаливания подключена к источнику постоянного напряжения с U=12 В. Цель — определить сопротивление лампочки. Для измерения силы тока также имеется амперметр.
Первая часть задачи — определить силу тока с помощью амперметра. Для этого его необходимо правильно вставить в цепь. Поскольку мы будем вычислять электрический ток, который протекает через лампочку, амперметр должен быть подключен последовательно с ней.
Непосредственно после включения источника напряжения измеряется ток I, равный 1A. Сопротивление лампочки можно рассчитать по закону Ома:
R = U / I = 12В / 1А = 12 Ом.
Через некоторое время вы снова смотрите на амперметр и замечаете, что ток упал до 200 мА.
Сопротивление лампочки изменилось. Почему так произошло? Это связано с разной температурой в момент включения и во время обычной работы, так как лампочка нагревается. Поэтому сопротивление холодной лампы ниже, чем теплой. Именно поэтому лампочку часто называют терморезистором.
Неоднородный участок цепи постоянного тока
Неоднородную структуру имеет такой участок цепи, где помимо проводников и элементов, присутствует источник тока. Его ЭДС необходимо учитывать при расчетах общей силы тока на данном участке.
Существует формула, которая дает определение основным параметрам и процессам неоднородного участка: q = q0 x n x V. Ее показатели характеризуются следующим образом:
- В процессе перемещения зарядов (q) они приобретают определенную плотность. Ее показатели зависят от силы тока и площади поперечного сечения проводника (S).
- В условиях определенной концентрации (n) можно точно указать численность единичных зарядов (q0), которые были перемещены за единичный отрезок времени.
- Для расчетов проводник условно считается цилиндрическим участком, имеющим какой-то объем (V).
При подключении проводника к аккумулятору, последний через некоторое время будет разряжен. То есть, движение электронов постепенно замедляется и, в конце концов, прекратится совсем. Этому способствует молекулярная решетка проводника, оказывающая противодействие, столкновения электронов между собой и другие факторы. Для преодоления такого сопротивления следует дополнительно приложить определенные сторонние силы.
Во время расчетов эти силы суммируются с кулоновскими. Кроме того, для перенесения единичного заряда q из 1-й точки во 2-ю потребуется выполнение работы А1-2 или просто А12. С этой целью создается разница потенциалов (ϕ1 – ϕ2). Под действием источника постоянного тока возникает ЭДС, перемещающая заряды по цепи. Величина общего напряжения будет состоять из всех сил, отмеченных выше.
Полярность подключения к источнику постоянного тока нужно учитывать в расчетах. При изменении клемм будет меняться и ЭДС, ускоряющая или замедляющая перемещение зарядов.
Классическая формулировка
Закон Ома в дифференциальной форме
Для участка цепи без источника ЭДС достаточно использовать классический закон Ома:
I (сила тока) = U (напряжение) /R (электрическое сопротивление).
Данное соотношение было установлено экспериментальным путем в начале 19 века. В названии сохранена фамилия немецкого ученого, который сделал открытие. Напряжение определяют по разнице потенциалов на концах проводника:
U = ϕ1 – ϕ2.
Элементарные вычисления показывают взаимные зависимости перечисленных параметров:
- I1 = 24/6 = 4А;
- I2 = 60/6 = 10А.
Увеличив разницу потенциалов, при неизменном сопротивлении получают большую силу тока:
I2 > I1.
Чтобы уменьшить ток до нужного уровня, при работе с определенным источником питания изменяют сопротивление:
- I1 = 24/4 = 6А;
- I2 = 24/12 = 2А.
Основные формулы
Для запоминания правил пользуются такой картинкой. Чтобы вычислить определенный параметр, закрывают соответствующий сегмент. Взаимное расположение оставшихся компонентов условно изобразит необходимую формулу.
Ток, напряжение и сопротивление
Эта картинка наглядно демонстрирует взаимное влияние тех основных электрических параметров. С ее помощью можно пояснить особенности практического применения на примере типового проекта домашней сети питания.
В современных жилых объектах часто используют кондиционеры, духовые шкафы, другую технику с большой мощностью потребления. Для нормального функционирования требуется увеличивать ток, потому что напряжение ограничено стандартами. Повышающие трансформаторы в данном случае не пригодятся, так как серийные изделия рассчитаны на подключение к сети 220 (380) V.
При увеличении силы тока понадобятся проводники с достаточно большим поперечным сечением. В противном случае концентрация зарядов на единицу объема повысится до критичной величины. Воздействие на кристаллическую решетку повысит температуру металла вплоть до механического разрушения проводки.
Чтобы исключить проблемы, кроме кабельной продукции, тщательно выбирают защитные автоматы. Для создания проекта электроснабжения и перечня подходящих функциональных компонентов пользуются представленными выше формулами.
Таблица удельных сопротивлений различных материалов
|
Удельное сопротивление ρ, Ом*мм2/м |
Удельное сопротивление ρ, Ом*мм2/м |
|
Алюминий |
0,028 |
|
Бронза |
0,095 — 0,1 |
|
Висмут |
1,2 |
|
Вольфрам |
0,05 |
|
Железо |
0,1 |
|
Золото |
0,023 |
|
Иридий |
0,0474 |
|
Константан ( сплав Ni-Cu + Mn) |
0,5 |
|
Латунь |
0,025 — 0,108 |
|
Магний |
0,045 |
|
Манганин (сплав меди марганца и никеля — приборный) |
0,43 — 0,51 |
|
Медь |
0,0175 |
|
Молибден |
0,059 |
|
Нейзильбер (сплав меди цинка и никеля) |
0,2 |
|
Натрий |
0,047 |
|
Никелин ( сплав меди и никеля) |
0,42 |
|
Никель |
0,087 |
|
Нихром ( сплав никеля хрома железы и марганца) |
1,05 — 1,4 |
|
Олово |
0,12 |
|
Платина |
0.107 |
|
Ртуть |
0,94 |
|
Свинец |
0,22 |
|
Серебро |
0,015 |
|
Сталь |
0,103 — 0,137 |
|
Титан |
0,6 |
|
Хромаль |
1,3 — 1,5 |
|
Цинк |
0,054 |
|
Чугун |
0,5-1,0 |
Ответ: нить накаливания сделана из константана.
Использование на практике
Закон Ома лежит в основе всех расчетов производимых в электронике и электротехнике. Будущих специалистов с первых дней учат, как использовать так называемый треугольник. Чтобы найти какую-то искомую величину, должны выполняться простые арифметические действия. Если два оставшихся параметра находятся в одной строке – они перемножаются. Если на разных уровнях, то верхний всегда делится на нижний.
Практически данная схема выглядит так:
- U = I x R, I = U/R, R = U/I.
Самые простые вычисления производятся на основе данных измерительных приборов. На участке цепи измерение тока выполняется амперметром, а напряжения – вольтметром. После этого найти сопротивление математическим путем не составит труда.
Для замеров сопротивления тоже есть прибор – омметр. Полученное выражение, подставляется в одну из формул, после чего находятся величины силы тока или напряжения. Точность омметра зависит от стабильности напряжения, подаваемого источником тока. Стабилизация проводится путем добавления резистора, выполняющего функцию регулятора.
Иногда требуется исключить из схемы какой-нибудь элемент без демонтажа. С этой целью проводится шунтирование, когда приходится устанавливать проводник на входных клеммах ненужного резистора. Ток начинает идти через шунт с меньшим сопротивлением, а напряжение на резисторе падает до нуля.
Закон Ома используется в защитных системах. Это делается с помощью уставок, обеспечивающих нормальную работу и отключающих питание лишь в аварийных ситуациях.
Сторонние силы
Для того, чтобы в проводнике электрический ток был длительное время, необходимо создать определенные условия. Для этого на отдельных участках цепи, кроме сил стационарного поля, действуют, так называемые, сторонние силы. Участки цепи, на которых имеется действие дополнительных, сторонних, сил называются неоднородными. В этом случае перемещение зарядов возникает под действием сил не электростатической природы, действующих в устройствах, называемых источниками постоянного тока.
Силы, приводящие в движение электрические заряды внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических реакций, происходящих между частицами металлического электрода и молекулами электролита. В генераторах постоянного тока сторонней силой является сила, возникающая от действия магнитного поля на движущийся электрический заряд. Работа источника тока похожа на функцию насоса, который заставляет двигаться жидкость (качает) по трубам замкнутого гидравлического контура. Под воздействием сторонних сил заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи длительное время поддерживается постоянный электрический ток.
Рис. 1. Источники постоянного тока, аккумуляторы, гальванические элементы, генераторы.
В организме человека имеется множество химических веществ, которые вступая друг с другом в различные реакции, способствуют возникновению электрической энергии. Например, в сердце есть клетки, которые в процессе поддержания сердечного ритма поглощают натрий и выделяют калий, что приводит к образованию электрических зарядов. При достижении определенной величины заряда, возникает импульс электрического поля, заставляющий сокращаться сердечную мышцу. Эти импульсы регистрируют с помощью кардиографа в больницах и поликлиниках при снятии электрокардиограммы (ЭКГ), дающей информацию о работе сердца..
Таблица-шпаргалка
Используя закон Ома для участка цепи, а также формулу для мощности электрического тока: P = U*I — я подготовил для вас полезную таблицу-шпаргалку, которая позволяет соотносить между собой сопротивление (R), силу тока (I), напряжение (U) и мощность электрического тока (P). Будет точно полезно не только школьникам!
| Известные величины | R (сопротивление) | I (сила тока) | U (напряжение) | P (мощность) |
| Ток и сопротивление | U = I × R | P = I2 × R | ||
| Напряжение и ток | R = U / I | P = U × I | ||
| Мощность и ток | R = P / I2 | U = P / I | ||
| Напряжение и сопротивление | I = U / R | P = U2 / R | ||
| Мощность и сопротивление | I = P / R | |||
| Напряжение и мощность | R = U2 / R | I = P / U |
Действие электродвижущих сил
Электродвижущая сила (ЭДС) является скалярной величиной, характеризующей работу не электрических сил, заставляющих производить разность потенциалов на выходе.
Дополнительная информация. Скалярная величина – это когда она может быть выражена только определённым значением. В отличие от векторной величины, которая определяется не только значением, но и направлением.
Используется ЭДС в генераторах, преобразующих какую либо работу А (джоуль) в электрическую. Для этого могут быть использованы такие виды энергии по их происхождению:
- Механическая индукционная. Вывод ЭДС возникает при пересечении проводником линий магнитного поля;
- Механическая пьезоэлектрическая. Возникновение ЭДС происходит при деформации некоторых веществ;
- Световая энергия. Здесь ЭДС появляется в полупроводниках при действии на них световых лучей;
- Термическая энергия. ЭДС образуется, когда контакты из разнородных проводников находятся под разными температурами;
- Химическая энергия. Возникновение ЭДС происходит вследствие химических реакций.
В зависимости от характера энергии и устройства генератора ЭДС может возникать как переменная, так и постоянная. Переменная может быть как синусоидальная (магнитные индукционные генераторы), так и импульсная (пьезозажигалки). Постоянную ЭДС преобразуют в основном из химической (элементы питания, аккумуляторы), световой (фотоэлементы) энергий и температуры (элементы Пельтье).
Генераторы тока
ЭДС образует на разноименных проводниках разность потенциалов. Если не соединять проводником клеммы, на которых имеется разность потенциалов, то тока в цепи не будет. Следовательно, никакой энергии не будет израсходовано. На клеммах будет оставаться разность потенциалов. Работу для поддержания этой разности совершать не надо.
Если к клеммам с разностью потенциалов подключить проводник с нагрузкой, то через него будет протекать электрический ток, выполняя работу в нагрузке. При этом разность потенциалов на клеммах будет стремиться к 0, что приведёт к падению тока до 0. Для поддержания разности потенциалов стабильной величиной необходимо, чтобы ЭДС получала энергию. Эта энергия затрачивает работу, равную той, которая совершается в нагрузке.
Советуем изучить Правила техники безопасности при эксплуатации электроустановок
Движение тока по неоднородным проводникам
Разность потенциалов, вызванная ЭДС, будет производить напряжение на клеммах генератора. ЭДС – это скалярная величина. При подключении к клеммам проводника через него потечёт ток, плотность которого выражается, например, Ī. Это уже векторная величина. Если ток создан только разностью потенциалов на клеммах, то векторы потенциала и плотности тока будут совпадать. Такой проводник называют однородным. Закон Ома для однородного участка цепи:
I=U/R.
Вектор напряжённости
Неоднородный проводник, кроме сил, которые образованы разностями потенциалов, имеет сторонние силы. Для определения плотности тока Ī пользуются законом Ома в дифференциальной форме для неоднородных проводников:
Ī=γ(E+Ē₁+ Ē₂+ Ēn).
Векторы и каждый участок проводника складываются, E – напряжённость, созданная разностью потенциалов на клеммах проводника (скалярная величина). Ē₁, Ē₂, Ēn – векторные величины напряжённости первой, второй и энной сторонних сил.
Так как γ – удельная проводимость проводника, обратная сопротивлению, ϕ₁ – потенциал на 1-ой точке, ϕ₂ – потенциал на 2-ой точке, то закон Ома для неоднородного участка цепи от 1-ой до 2-ой точки будет записываться так:
Ī =(ϕ₁ – ϕ₂+ Ē)/R.
Для ознакомления металлы и их удельное сопротивление:
- Серебро – 1,6×10ˉ⁸Ом×м;
- Медь – 1,72×10ˉ⁸ Ом×м;
- Алюминий – 2,6×10ˉ⁸ Ом×м;
- Латунь – 3…7,0×10ˉ⁸ Ом×м;
- Бронза – 8,0×10ˉ⁸ Ом×м;
- Железо – 9,8×10ˉ⁸ Ом×м;
- Свинец – 2.0×10ˉ⁶Ом×м;
- Графит – 3…5,0×10ˉ⁵Ом×м.
В интегральной форме
Данную форму можно получить из дифференциального выражения с использованием
теоремы Гаусса (дивергенции) к закону сохранения заряда. Для того чтобы вывести интегральный закон Ома для конкретной неоднородного проводника, показывают направление вектора плотности I, сам I и потенциалы на входе/ выходе.
Участок с положительной ЭДС (Е) источник, а с отрицательной — потребитель. Поэтому в записи закона Ома, его нужно писать в арифметическом выражении:
I = Е/(r + R).
Что такое ЭДС и откуда она берется
ЭДС расшифровывается, как электродвижущая сила. Обозначается греческой буквой ε и измеряется, как и напряжение, в Вольтах.
- ЭДС — это сила, которая движет заряженные частицы в цепи. Она берется из источника тока. Например, из батарейки.
Химическая реакция внутри гальванического элемента (это синоним батарейки) происходит с выделением энергии в электрическую цепь. Именно эта энергия заставляет частицы двигаться по проводнику.
Зачастую напряжение и ЭДС приравнивают и говорят, что это одно и то же. Формально, это не так, но при решении задач чаще всего и правда нет разницы, так как эти величины обе измеряются в Вольтах и определяют очень похожие по сути своей процессы.
В виде формулы Закон Ома для полной цепи будет выглядеть следующим образом:
|
Закон Ома для полной цепи I = ε/(R + r) I — сила тока [A] ε — ЭДС [В] R — сопротивление [Ом] r — внутреннее сопротивление источника [Ом] |
Любой источник не идеален. В задачах это возможно («источник считать идеальным», вот эти вот фразочки), но в реальной жизни — точно нет. В связи с этим у источника есть внутреннее сопротивление, которое мешает протеканию тока.
Решим задачу на полную цепь.
Задачка
Найти силу тока в полной цепи, состоящей из одного резистора сопротивлением 3 Ом и источником с ЭДС равной 4 В и внутренним сопротивлением 1 Ом
Решение:
Возьмем закон Ома для полной цепи:
I = ε/(R + r)
Подставим значения:
I = 4/(3+1) = 1 A
Ответ: сила тока в цепи равна 1 А.
Резистор
Все реальные проводники имеют сопротивление, но его стараются сделать незначительным. В задачах вообще используют словосочетание «идеальный проводник», а значит лишают его сопротивления.
Из-за того, что проводник у нас «кругом-бегом-такой-идеальный», чаще всего за сопротивление в цепи отвечает резистор. Это устройство, которое нагружает цепь сопротивлением.
Вот так резистор изображается на схемах:
В школьном курсе физики используют Европейское обозначение, поэтому запоминаем только его. Американское обозначение можно встретить, например, в программе Micro-Cap, в которой инженеры моделируют схемы.
Вот так резистор выглядит в естественной среде обитания:
Полосочки на нем показывают его сопротивление.
На сайте компании Ekits, которая занимается продажей электронных модулей, можно выбрать цвет резистора и узнать значение его сопротивления:
Источник: сайт компании Ekits
О том, зачем дополнительно нагружать сопротивлением цепь, мы поговорим в этой же статье чуть позже.
Единицы измерения
При выполнении расчетов по закону Ома используют совместимые единицы в СИ. Если отличны от «Ом»- для сопротивления, «Ампер» — для тока и «Вольт» — для напряжения, то перед выполнением расчетов выполняют преобразование единиц измерения. Например, килоомы должны быть переведены в омы, а микроамперы — в амперы.
Сопротивление — это свойство любого объекта или материала сопротивляться, или противостоять потоку электротока. Единицей его принят «Ом». Аббревиатура для электросопротивления — R, а символ — греческая буква омега. Для некоторых электрорасчетов используется его обратная величина проводимость — 1/R, символ, которой имеет обратное значение омеги.
Вам это будет интересно Как провести замер сопротивления изоляции
Вольт — это энергия в 1 Дж, потребляемая, когда в цепи протекает электрозаряд в 1 кулон: 1 В = 1 Дж / 1С.
Ампер измеряет количество электрического заряда, который течет в электроцепи за 1 секунду: 1А = 1С / 1сек.
Треугольник Ома
Взаимосвязь между величинами легко получить по треугольнику Ома. Это простой способ запомнить отношения напряжения, тока и сопротивления. Он служит уловкой, чтобы найти любую из трех величин, учитывая, что две другие известны.
При этом величины U, I и R расположены в виде треугольника, как показано на рисунке выше. Напряжение (U) находится наверху, а две другие величины, то есть ток (I) и сопротивление ®, расположены ниже рядом друг с другом горизонтально. Разделение между верхней и нижней частями указывает на деление, а линия, разделяющая левую и правую части на умножение.
Электрический ток и его характеристики
Определение 9
Проводники, которые подчинены закону Ома, получили название линейных.
Для изображения графической зависимости силы тока I от U (графики называют вольт-амперными характеристиками, ВАХ) используется прямая линия, проходящая через начало координат.
Существуют устройства, не подчиняющиеся закону Ома. К ним относят полупроводниковый диод или газоразрядную лампу. Металлические проводники имеют отклонения от закона Ома при токах большой силы. Это связано с ростом температуры.
Определение 10
Участок цепи, содержащий ЭДС, позволяет записывать закон Ома таким образом:
IR=U12=φ1-φ2+δ=∆φ12+δ.
Формула получила название обобщенного законаОма или закон Ома для неоднородного участка цепи.
Рисунок 1.8.2 показывает замкнутую цепь с постоянным током, причем ток цепи (cd) считается однородным.
Рисунок 1.8.2. Цепь постоянного тока.
Исходя из закона Ома IR=∆φcd, участок (ab) содержит источник тока с ЭДС, равной δ. Тогда для неоднородного участка формула примет вид Ir=∆φab+δ. Сумма обоих равенств дает в результате выражение I(R+r)=∆φcd+∆φab+δ. Но ∆φcd=∆φba=-∆φab, тогда I=δR+r.
Определение 11
Формула I=δR+r выражает закон Ома для полной цепи. Запишем ее, как определение: сила тока в полной цепи равняется электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.
Рисунок 1.8.2 говорит о том, что R неоднородного тела может быть рассмотрено как внутреннее сопротивление источника тока. Тогда (ab) участок будет являться внутренним участком источника.
Определение 12
При замыкании a и b с помощью проводника с малым по сравнению с внутренним сопротивлением источника получим, что в цепи имеется ток короткого замыкания Iкз=δr.
Сила тока короткого замыкания является максимальной, получаемой от источника с ЭДС и внутренним сопротивлением r. Если внутренне сопротивление мало, тогда ток короткого замыкания может вызвать разрушение электрической цепи или источника.
Пример 1
Свинцовые аккумуляторы автомобилей имеют силу тока короткого замыкания в несколько сотен ампер. Особую опасность представляют замыкания в осветительных сетях, которые имеют подпитку от подстанций. Во избежание разрушительных действий предусмотрены предохранители или автоматы для защиты сетей.
Чтобы при превышении допустимых значений силы тока не произошло короткого замыкания, используют внешнее сопротивление. Если сопротивление r равняется сумме внутреннего и внешнего сопротивления источника, сила тока не будет превышать норму.
При наличии разомкнутой цепи разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равняется ее ЭДС. Когда внешнее R включено и ток I подается через батарею, то разность потенциалов на полюсах запишется, как ∆φba=δ-Ir.
Рисунок 1.8.3 дает точное схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС, равной δ, внутренним r в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку, режим короткого замыкания. E→ является напряженностью внутри электрического поля внутри батареи, a – силами, действующими на положительные заряды, Fст→– сторонней силой. Исчезновение электрического поля возникает при коротком замыкании.
Рисунок 1.8.3. Схематическое изображение источника постоянного тока: 1 – батарея разомкнута;
2 – батарея замкнута на внешнее сопротивление R; 3 – режим короткого замыкания.
Закон Ома для полной цепи
Если замкнутая цепь состоит из сопротивления цепи, равного R, и источника тока с электродвижущей силой Eэдс и внутренним сопротивлением r, то в этом случае ток цепи I будет равен:
$ I = {E_{эдс} over R + r} $(6).
Выражение (6) называется законом Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна ЭДС источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.
Проводники, в точности соответствующие закону Ома, называются линейными, так как график зависимости тока I от напряжения U изображается прямой линией. Следует отметить, что существуют много материалов, которые не подчиняются закону Ома, например, полупроводники или газоразрядные лампы. У металлических проводников отклонения от линейной зависимости появляются при больших токах, так как сопротивление металлов возрастает с ростом температуры.
Рис. 3. График зависимости сопротивления металлических проводников от температуры.
Реостат
Есть такие выключатели, которые крутишь, а они делают свет ярче-тусклее. В такой выключатель спрятан резистор с переменным сопротивлением — реостат.
Стрелка сверху — это ползунок. По сути, он отсекает ту часть резистора, которая находится от него справа. То есть, если мы двигаем ползунок вправо — мы увеличиваем длину резистора, а значит и сопротивление. И наоборот — двигаем влево и уменьшаем.
По формуле сопротивления это очень хорошо видно, так как длина проводника находится в числителе:
|
Сопротивление R = ρ l/S R — сопротивление [Ом] l — длина проводника [м] S — площадь поперечного сечения [мм^2] ρ — удельное сопротивление [Ом*мм^2/м] |
I — сила тока
Единица тока — количества заряда ©, которое перемещается за единицу времени. Ампер (A) является общей единицей тока, равной 1 С/сек, а символом его — «I». Ток — внутреннее свойство, поскольку зависит от других аспектов, таких как размер системы. Чтобы точно сравнить величину тока для разных систем, ток нормализуется по площади или массе системы. Это описано следующими выражениями:
J = I / S;
J = I / m
Где:
- J — плотность тока в мм2 или гр;
- I — сила тока (A);
- S — площадь сечения провода мм2;
- m — масса (гр).
Обратите внимание! Часто «J» используется как ток вместо «I». Для того чтобы предотвратить путаницу с мнимыми числами, нужно уточнять символы, так как они могут варьироваться в зависимости от конкретного случая.
Трактовка и пределы применимости закона Ома
Если необходимо определить одну из величин: ток, напряжение или сопротивление для однородной цепи, то пользуются формулой, формулировка которой изображена на рисунке.
Закон Ома в треугольнике
Для удобства решения тождества величины изображены в треугольнике. Теперь, пользуясь первой формулой, зная сопротивление цепи и ток, можно высчитать напряжение, которое действует на замкнутый контур. Зная напряжение и сопротивление цепи, можно определить ток по 2-ой формуле. По 3-ей формуле высчитывают сопротивление нагрузки, зная напряжение и ток.
Существуют исключения, когда закон Ома не соблюдается. Примеры:
- В переменных ЭДС, если нагрузка имеет индукционный или ёмкостный характер. При повышении частоты из-за инерционности носителей заряда вступают в силу законы электродинамики. Конденсаторы и катушки индуктивности в качестве сопротивления для переменного тока, колебательный контур.
- Для веществ, обладающих сверхпроводимостью при низких температурах. Датчики измерительных приборов высокой точности, сверхпроводящие соленоиды, сверхпроводящие кабели с током 5 000 А.
- При высоких температурах, когда проводник начинает проявлять нелинейную характеристику сопротивления. Вольфрамовая нить лампы накаливания, спирали нагревательных элементов.
- При высоких напряжениях, когда происходит пробой диэлектрика. Свечи зажигания карбюраторных двигателей, наконечники для защиты от тлеющего разряда высоковольтных ЛЭП.
- В наполненных газом люминесцентных и вакуумных лампах. Люминесцентные лампы, вакуумные индикаторы, индикаторы тлеющего разряда.
- В полупроводниковых приборах с p-n переходами и в нелинейных полупроводниках. Это светодиоды, стабилитроны, транзисторы, электронные приборы.
Интересно. Используется закон Ома в дифференциальной форме, когда имеется несколько ЭДС, или цепь проводников находится под воздействием сторонних сил. К примеру, при зарядке аккумуляторов солнечными батареями или другими ЭДС, также в генераторах с обмотками возбуждения, если их дифференцировать.
Измерительный мост
Материалы проводников, к которым применяется закон Ома, названы оммическими или линейными проводниками. Те, у которых сопротивление имеет функциональную зависимость от интенсивности тока, – нелинейными. Так могут вести себя металлы при крайне низких или высоких температурах.
U — напряжение
Напряжение является еще одной важной единицей закона Ома, которая устанавливает объем работы, необходимой для перемещения заряда. Напряжение «V» измеряет электрический потенциал «Вольт», которым объект обладает по отношению к заряду. Подавая напряжение, выполняется работа, которая обеспечивает движение заряда. Количество заряда, известный как точечный заряд, его определение может быть выполнено следующим образом:
V = kq / (r • r), где:
- V — электрический потенциал (V);
- k — кулоновская постоянная = 8,99 × 10 9Н • м 2 • С −2;
- q — заряд точки©;
- r — расстояние от точечного заряда (м).
Вам это будет интересно Схема блока АВР
Тест по теме
- Вопрос 1 из 10
Достаточными условиями для появления электрического тока является наличие свободных носителей заряда и…?
- Электрического поля
- Металлических проводов
- Магнитного поля
- Сопротивления
Начать тест(новая вкладка)Доска почётаЧтобы попасть сюда — пройдите тест.
- Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
Средняя оценка: 4.4. Всего получено оценок: 114.
А какая ваша оценка?
Новые тестыБудь в числе первых на доске почета
- Все
- Литература
- Русский язык
- Чтение
- География
- Окружающий мир
- Физика
- Английский язык
- Биология
- Геометрия
- Алгебра
- Математика
- Обществознание
- Химия
- Информатика
- История России
- История
Все тесты Последние результаты
Гость завершил Тест по произведению «Остров сокровищ» Стивенсон с результатом 10/103 секунды назад
Гость завершил Тест «Бесприданница» с результатом 15/1517 секунд назад
Гость завершил Тест по произведению «Уроки французского» с результатом 6/1120 секунд назад
Гость завершил Тест «Ася» с результатом 12/1426 секунд назад
Гость завершил Тест «Герой нашего времени» с результатом 7/1626 секунд назад
Гость завершил Тест по произведению «Сахарный ребенок» Громова с результатом 10/1031 секунда назад
Гость завершил Тест по стихотворению «Письмо к женщине» Есенина с результатом 7/839 секунд назад
Гость завершил Тест «Гамлет» с результатом 11/1542 секунды назад
Гость завершил Тест «Повесть о настоящем человеке» с результатом 13/1644 секунды назад
Гость завершил Тест «Тарас Бульба» с результатом 13/1653 секунды назад
Гость завершил Тест по произведению «Лапти» Бунин с результатом 6/1056 секунд назад
Гость завершил Тест по произведению «Капитанская дочка» с результатом 11/1259 секунд назад
Гость завершил Тест «Медный всадник» с результатом 11/111 минута назад
Гость завершил Тест по произведению «Вечера на хуторе близ Диканьки» Гоголь с результатом 8/101 минута назад
Гость завершил Тест «История болезни» с результатом 9/101 минута назад
Гость завершил Тест «Метель» с результатом 8/131 минута назад
Гость завершил Тест «Ася» с результатом 10/141 минута назад
Гость завершил Тест «Детство» с результатом 13/141 минута назад
Гость завершил Тест на тему Как пишется «с днем рождения»? с результатом 3/51 минута назад
Гость завершил Тест «Евгений Онегин» с результатом 14/162 минуты назад
Не понравилось? — Напиши в комментариях, чего не хватает.
