Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, приводящие к возникновению ЭДС (рис. 1), называется однородным.
Закон Ома для однородного участка цепи был установлен экспериментально в 1826 г. Г. Омом.
Согласно этому закону, сила тока I в однородном металлическом проводнике прямо пропорциональна напряжению U на концах этого проводника и обратно пропорциональна сопротивлению R этого проводника :
На рисунке 2 изображена схема электрической цепи, позволяющая экспериментально проверить этот закон. В участок MN цепи поочередно включают проводники, обладающие различными сопротивлениями.
Напряжение на концах проводника измеряется вольтметром и может изменяться с помощью потенциометра. Силу тока измеряют амперметром, сопротивление которого ничтожно мало (R
A ≈ 0). График зависимости силы тока в проводнике от напряжения на нем - вольт-амперная характеристика проводника - приведен на рисунке 3. Угол наклона вольт-амперной характеристики зависит от электрического сопротивления проводника R
(или его электропроводимости G
): 
.
8.СОПРОТИВЛЕНИЕ И ПРОВОДИМОСТЬ ПРОВОДНИКОВ. ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ ОТ ФИЗИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ
При замыкании электрической цепи, на зажимах которой имеется разность потенциалов, возникает электрический ток. Свободные электроны под влиянием электрических сил поля перемещаются вдоль проводника. В своем движении свободные электроны наталкиваются на атомы проводника и отдают им запас своей кинетической энергии.
Таким образом, электроны, проходя по проводнику, встречают сопротивление своему движению. При прохождении электрического тока через проводник последний нагревается.
Электрическим сопротивлением проводника (оно обозначается латинской буквой r) обусловлено явление преобразования электрической энергии в тепловую при прохождении электрического тока по проводнику. На схемах электрическое сопротивление обозначается так, как показано на рис. 18.
За единицу сопротивления принят 1 ом . Ом часто обозначается греческой прописной буквой Ω (омега). Поэтому, вместо того чтобы писать: «Сопротивление проводника равно 15 ом», можно написать просто: r = 15 Ω.
1000 ом называется 1 к и л о о м (1 ком, или 1 к Ω).
1 000 000 ом называется 1 м е г о м (1 мгом, или 1 MΩ).
Последовательное и параллельное соединения в электротехнике - два основных способа соединения элементов электрической цепи. При последовательном соединении все элементы связаны друг с другом так, что включающий их участок цепи не имеет ни одного узла. При параллельном соединении все входящие в цепь элементы объединены двумя узлами и не имеют связей с другими узлами, если это не противоречит условию.
При последовательном соединении проводников сила тока во всех проводниках одинакова.
При параллельном соединении падение напряжения между двумя узлами, объединяющими элементы цепи, одинаково для всех элементов. При этом величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников.
Как определить общее сопротивление цепи, если все включенные в нее последовательно сопротивления мы уже знаем? Используя положение, что напряжение U на зажимах источника тока равно сумме падений напряжений на участках цепи, мы можем написать:
U = U1 + U2 + U3
U1 = IR1 U2 = IR2 и U3 = IR3
IR = IR1 + IR2 + IR3
Вынеся в правой части равенства I за скобки, получим IR = I(R1 + R2 + R3).
Поделив теперь обе части равенства на I, будем окончательно иметь R = R1 + R2 + R3
Таким образом, мы пришли к выводу, что при последовательном соединении сопротивлений общее сопротивление всей цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков.
Обязательным условием существования электрического тока является наличие электрического поля, для существования которого, в свою очередь, необходима разность потенциалов (напряжение). Ток будет направлен в сторону уменьшения потенциалов (на рисунке – влево), а свободные электроны будут двигаться в обратную сторону.
На концах участка проводника заданы потенциалы φ_1 и φ_2, причем φ_1>φ_2. Напряжение в таком случае можно найти по формуле:
В 1826 году Георг Ом, обобщив итоги опытов, показавших, что, чем больше напряжение на участке, тем больше сила тока, проходящего через него, получил зависимость, названную законом Ома. В ходе экспериментов Ом выявил, что различные проводники при одинаково заданном напряжении будут проводить ток по-разному, т.е., каждый проводник обладает различной мерой проводимости. Эту величину назвали электрическим сопротивлением.
Определеение Закона Ома для однородного участка цепи гласит: сила тока для однородного проводника на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Формула закона Ома для однородного участка цепи
- I [А] – сила тока,
- U [В] – напряжение,
- R [Ом] – электрическое сопротивление.
Сопротивление – главная характеристика проводника. В зависимости от строения проводника, в них существует различное количество узлов кристаллической решетки и атомов примесей, взаимодействуя с которыми электроны замедляются.
Расчет электрических цепей постоянного тока основан на использовании закона Ома. Для однородного участка цепи применения закона Ома были подробно рассмотрены в предыдущем параграфе. А как найти силу тока в неоднородном участке электрической цепи, на концах которой существует некоторая разность потенциалов и внутри которого имеются скачки потенциалов, например, включен гальванический элемент или аккумулятор?
Контактная разность потенциалов. Рассмотрим сначала неоднородный участок цепи, состоящий из двух последовательно соединенных различных проводников А и В, например, медного и цинкового (рис. 73). Опыт показывает, что между различными проводниками имеется скачок потенциала, который не зависит от тока и существует даже в его отсутствие. Эта контактная разность потенциалов была открыта еще в 1797 г. итальянским физиком А. Вольта, установившим ряд металлов, в котором каждый предыдущий металл при соединении с любым из последующих электризуется положительно: Al, Zn, Sn, Cd, Pb, Sb, Bi, Hg, Fe, Cu, Ag, Au, Pt, Pd.
Рис. 73. Неоднородный участок цепи
Существование контактной разности потенциалов можно продемонстрировать с помощью следующего простого опыта. На стержне электроскопа укрепляют пластину из исследуемого металла (рис. 74).
Рис. 74. Обнаружение контактной разности потенциалов
Ее покрывают тонким слоем изолирующего материала. Сверху кладут пластину из второго исследуемого материала, снабженную изолирующей ручкой, и соединяют эту пластину с землей.
Пластины на некоторое время соединяют проводником. При этом между пластинами возникает контактная разность потенциалов, т. е. образованный ими конденсатор заряжается. Однако существующее в нем напряжение настолько мало, что обнаружить отклонение листочков электроскопа невозможно. Поэтому поступают следующим образом. Верхнюю пластину поднимают, так что емкость образованного пластинами конденсатора уменьшается. Так как заряд на изолированной нижней пластине остается неизменным, то разность потенциалов между ней и землей возрастает во столько раз, во сколько уменьшается емкость. При достаточном раздвижении пластин отклонение листочков электроскопа легко обнаруживается.
Физическая причина возникновения контактной разности потенциалов заключается в различии работы выхода у разных металлов, т. е. минимальной работы, которую нужно совершить, чтобы удалить электрон из металла в вакуум, а также в различии концентрации свободных электронов в них. Величина скачка потенциала зависит от рода металлов, чистоты их поверхностей и от их температуры. Контактная разность потенциалов колеблется от нескольких десятых вольта до единиц вольт.
Если соединить между собой последовательно несколько различных металлов, то возникающая на концах крайних проводников разность потенциалов не зависит от того, какие проводники находятся между ними, т. е. будет такой же, как при непосредственном соединении этих крайних проводников между собой. Подчеркнем, что в отсутствие тока каждый металл остается эквипотенциальным, а скачок потенциала и связанное с ним электрическое поле имеются только в месте контакта.
Ток в неоднородном участке цепи. Подсоединим теперь внешние концы проводников А и В на рис. 73 к источнику постоянного напряжения. Обозначим потенциал левого конца проводника А через а потенциал правого конца проводника В через Потенциалы металлов А и В в месте контакта обозначим через Так как теперь в проводниках идет ток, то, разумеется, Мы пока не знаем, как записать закон Ома для всего рассматриваемого участка цепи, но зато можем записать его для каждого из однородных участков А и В. Так как проводники соединены последовательно, то через них протекает один и тот же ток Предположим, что ток идет слева направо, как показано на рис. 73. Тоща
где - сопротивления участков А и В. Сложим почленно уравнения (1) и перегруппируем слагаемые в левой части следующим образом:
Сумма есть полное сопротивление рассматриваемого участка. Разность потенциалов представляет собой приложенное напряжение Разность есть скачок потенциала в месте контакта металлов, который, как уже отмечалось, не зависит от протекающего тока и определяется только природой металлов и температурой. Значение скачка обозначим через Тоща соотношение (2) можно переписать в виде
Это и есть закон Ома для неоднородного участка цепи.
Отметим, что под напряжением на рассматриваемом участке понимается разность - где - потенциал той точки, от которой течет ток, а - потенциал точки, к которой течет ток. Скачок потенциала в месте контакта определен как , т. е. знак определяется тем, повышает или понижает скачок значение потенциала в цепи в направлении протекания тока: если повышает, если понижает,
Но ведь при рассуждениях мы выбрали направление тока слева направо наугад! А если на самом деле он течет в противоположную сторону? Предположив, что ток течет справа налево, и повторяя буквально все выкладки, мы получим значение силы тока, отличающееся только знаком. Это означает, что, приступая к анализу неоднородного участка цепи, мы можем вообще не задумываться о том, в какую сторону течет ток на самом деле, а задавать ему направление произвольно.
Выбрав направление тока, мы определяем его значение по формуле (3), строго соблюдая сформулированное выше правило знаков для Если в результате ток окажется положительным, то он действительно течет в заданном нами направлении. Если же получится отрицательное значение, то в действительности ток течет в противоположную сторону, а значение его, разумеется, найдено правильно. Ниже мы подробно рассмотрим примеры использования закона Ома для неоднородного участка цепи, иллюстрирующие сформулированное правило знаков.
Если соединить последовательно несколько различных проводников, то, повторяя все приведенные выкладки, легко убедиться, что формула (3) сохраняет свой вид; только теперь под нужно понимать алгебраическую сумму скачков потенциала в контактах, а под - сумму сопротивлений всех проводников.
Замкнутая неоднородная цепь. Рассмотрим теперь замкнутую цепь проводников, составленную из разных металлов. Представим себе, что эта замкнутая цепь получается в результате соединения начала и конца цепочки проводников, т. е. тех точек, к которым
могло быть приложено внешнее напряжение Соединение этих точек в одну означает, что теперь и формула (3) для замкнутой последовательной цепочки принимает вид
где - алгебраическая сумма скачков потенциала между всеми парами соединенных проводников, полное сопротивление замкнутой цепи.
Если контакты между различными металлами находятся при одинаковой температуре, то сумма всех скачков потенциалов будет, очевидно, равна нулю, поскольку скачок потенциала между любыми двумя металлами не зависит от того, что находится между ними.
Электродвижущая сила. При различных температурах контактов в цепи сумма скачков потенциала может быть отличной от нуля, и в цепи пойдет ток, определяемый формулой (4). Сумма скачков потенциала в замкнутой цепи называется электродвижущей силой (ЭДС), а равенство (4) - законом Ома для замкнутой неразветвленной цепи.
Остановимся подробнее на физическом смысле понятия ЭДС. Скачок потенциала в месте контакта двух металлов возникает вследствие различия работы выхода электронов и их концентрации в этих металлах, приводящего к диффузии электронов через контакт. Силы, вызывающие направленный поток электронов, имеют неэлектростатическое (не кулоновское) происхождение. Такие силы неэлектростатического происхождения независимо от их физической природы называют сторонними. Направленный поток электронов через контакт прекращается, когда возникает препятствующее ему электростатическое поле, уравновешивающее действие сторонних сил. Это возникающее электростатическое поле и характеризуется контактной разностью потенциалов.
В рассмотренном случае электродвижущая сила возникает только при различных температурах контактов и называется термоэлектродвижущей силой (термоЭДС).
Закон Ома (4) для замкнутой цепи справедлив не только для термоЭДС, но и для сторонних сил любой природы. Как уже отмечалось, неоднородность цепи может быть обусловлена включением в нее гальванического элемента, аккумулятора, генератора постоянного тока и т. д. Если рассматриваемая цепь содержит несколько ЭДС, то в формуле (4) под нужно понимать алгебраическую сумму всех этих ЭДС, причем знак каждой из них определяется в соответствии со сформулированным выше правилом.
Ниже будет показано, что ЭДС характеризует работу сторонних сил, совершаемую при перемещении зарядов. Другими словами, ЭДС характеризует превращение энергии других видов в электрическую.
ЭДС в разных источниках. В противоположность контактам проводников первого рода (металлы, полупроводники), в которых не происходит никаких химических изменений при прохождении электрического тока, в контактах металлов с электролитами (например, цинка с серной кислотой) происходят химические реакции. Как мы видели, в замкнутой цепи из различных проводников первого рода при одинаковой их температуре не возникает ЭДС. Если же составить замкнутую цепь из проводников первого и второго рода, то в ней возникает отличная от нуля ЭДС даже при постоянной температуре.
Рис. 75. Элемент Даниеля и внешний вид сухого элемента Лекланше
Такого рода комбинация проводников первого рода и электролитов представляет собой химический источник тока «сухой» гальванический элемент, или аккумулятор (рис. 75), в котором электрический ток поддерживается за счет химических реакций между электродами и электролитом. Например, в гальваническом элементе, состоящем из пластин цинка и меди, погруженных в раствор серной кислоты, происходит растворение цинкового электрода в кислоте. В аккумуляторах используются обратимые химические реакции: расходуемый при работе электрод восстанавливается в процессе зарядки. Химические источники тока обеспечивают ЭДС до 2 В.
В генераторах, применяемых на электростанциях для превращения механической энергии в электрическую, сторонние силы по своей природе - это силы, действующие на движущиеся в магнитном поле заряды.
Внутреннее сопротивление источника тока. В любой реальной электрической цепи всегда можно выделить участок, который служит для поддержания тока (источник тока), а остальную часть рассматривать как «нагрузку». В источнике тока обязательно действуют сторонние силы, поэтому в общем случае он характеризуется электродвижущей силой и сопротивлением которое называется внутренним сопротивлением источника. Нагрузка тоже может содержать ЭДС (например, электродвигатель), однако в простейшем случае в нагрузке никакие сторонние силы не действуют, и она характеризуется только сопротивлением.
Простейшая замкнутая цепь. Рассмотрим замкнутую электрическую цепь, содержащую источник тока с ЭДС и внутренним сопротивлением и нагрузку, характеризуемую только сопротивлением
(рис. 76). Сопротивление соединительных проводов будем считать равным нулю. Применяя к такой цепи формулу (4), в знаменателе которой стоит полное сопротивление цепи, запишем ее в виде
где через обозначено сопротивление нагрузки. Идеальный вольтметр, подключенный к сопротивлению т. е. к зажимам (полюсам) работающего источника тока, показывает напряжение как это следует из закона Ома для однородного участка цепи - в данном случае для сопротивления нагрузки. Подставляя сюда силу тока из (5), это напряжение можно выразить через параметры цепи
Рис. 76. Простейшая замкнутая цепь с источником тока
Из (6) видно, что напряжение на зажимах работающего источника всегда меньше его ЭДС. Оно тем ближе к чем больше сопротивление нагрузки . В пределе (точнее когда т. е. когда можно пренебречь сопротивлением источника по сравнению с сопротивлением нагрузки) из (6) следует, что напряжение на зажимах разомкнутого источника равно его ЭДС.
Противоположный предельный случай (точнее, когда т. е. когда сопротивление нагрузки много меньше внутреннего) соответствует так называемому короткому замыканию источника тока. В этом случае а
Ток короткого замыкания, т. е. максимальный ток, который можно получить от данного источника.
Из формулы (5) следует, что напряжение на зажимах источника можно записать в виде
Произведение представляет собой напряжение на сопротивлении т. е. напряжение внутри источника тока. Поэтому формула (8) означает, что ЭДС равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках замкнутой цепи.
Составная внешняя цепь. Как правило, внешняя цепь состоит из нескольких сопротивлений, по-разному соединенных между собой. Все сказанное выше остается справедливым, если под понимать эквивалентное сопротивление всей внешней цепи. Приведенные соотношения позволяют легко рассчитывать такие цепи или проводить их качественный анализ.
Рассмотрим следующие примеры.
1. Требуется определить, как изменятся (увеличатся или уменьшатся) показания всех идеальных вольтметров в цепи, показанной на рис. 77, если, например, уменьшить сопротивление переменного резистора.
При уменьшении сила тока в цепи возрастает. В соответствии с законом Ома для участка цепи напряжение на сопротивлении , возрастает, а напряжение на зажимах источника тока, как следует из формулы (8), уменьшается.
Рис. 77. К исследованию изменений показаний вольтметров
Рис. 78. К исследованию изменений показаний амперметров
Применять закон Ома для участка цепи к сопротивлению затруднительно, поскольку убывает, а ток в цепи возрастает. Поэтому воспользуемся тем, что откуда сразу ясно, что напряжение на резисторе убывает, причем в большей мере, чем
1. Требуется определить, как изменятся показания всех идеальных амперметров в схеме, показанной на рис. 78, при уменьшении сопротивления Очевидно, что при уменьшении полное сопротивление нагрузки уменьшается, и ток I, показываемый амперметром А, возрастает. При этом, как следует из (8), напряжение на параллельно соединенных сопротивлениях и убывает. Поэтому ток показываемый амперметром уменьшается. Сказать сразу, что произойдет с показанием амперметра затруднительно. Однако из равенства немедленно следует, что увеличивается, причем в большей мере, чем I.
Что такое контактная разность потенциалов? Как на опыте можно убедиться в ее существовании?
Покажите, как с помощью закона Ома для однородного участка цепи можно получить формулу (3).
Поясните правило знаков, которым следует руководствоваться при использовании формулы (3).
Что такое электродвижущая сила? Поясните физический смысл понятия ЭДС на примере цепи из разных металлов. Что такое сторонние силы?
Сформулируйте закон Ома для замкнутой неразветвленной цепи.
Какими причинами объясняется ЭДС в цепи из разных металлов или полупроводников, в химических источниках тока, в электрических генераторах?
Выделите основные части любой реальной замкнутой цепи. Какими параметрами они характеризуются?
Как связано напряжение на включенном источнике с его ЭДС? От чего зависит напряжение внутри источника?
Напряжение на источнике тока. Вернемся к формуле (8). Она была получена как следствие закона Ома для замкнутой цепи, выражаемого формулой (5).
Рис. 79. Источник тока как неоднородный участок цепи (в) и компенсационный метод измерения ЭДС (б)
Рассчитаем еще раз ток через источник, рассматривая его как неоднородный участок цепи (рис. 79а). Используя формулу (3), в соответствии с приведенным выше правилом знаков имеем
Нетрудно видеть, что напряжение фигурирующее в формуле (8), равно - Поэтому соотношение (9) фактически совпадает с (8). Однако при таком выводе этой формулы не использовалось предположение, что ток создается только этим источником (т. е. что Поэтому формула (8), как и (9),
фактически справедлива при любом соотношении между потенциалами характеризующими напряжение на источнике тока.
Измерение ЭДС. Определение ЭДС какого-либо источника на опыте обычно производится так называемым компенсационным методом, когда неизвестная ЭДС сравнивается с хорошо известной ЭДС другого, эталонного источника. Для этого используется схема, показанная на рис. 79б. Батарея, ЭДС которой заведомо больше как ЭДС эталонного источника 0, так и измеряемой замыкается на внешнее сопротивление . С помощью переключателя К к некоторой части этого сопротивления можно подключить либо эталонный источник, либо измеряемый. Полярность включения элементов показана на рис. 79б.
Подключим сначала эталонный источник с ЭДС и подберем сопротивление таким образом, чтобы ток через гальванометр, а следовательно, и через эталонный источник обратился в нуль. Запомним значение
Объясните, почему напряжение фигурирующее в формуле (8), действительно равно а не
В чем заключаются достоинства компенсационного метода измерения ЭДС?
Закон Ома для однородного участка цепи:
Участок цепи называется однородным, если в его состав не входит источник тока. I=U/R, 1 Ом – сопротивление такого проводника, в котором сила в 1А течет при 1В.
Величина сопротивления зависит от формы и свойств материала проводника. Для однородного цилиндрического проводника его R=ρl/S, ρ – величина, зависящая от использованного материала – удельное сопротивление вещества, из ρ=RS/l следует, что (ρ) = 1 Ом*м. Величина, обратная ρ – удельная проводимость γ=1/ρ.
Экспериментально установлено, что при повышении температуры электрическое сопротивление у металлов увеличивается. При не слишком низких температурах удельное сопротивление металлов растет ~ абсолютной температуре p = α*p 0 *T, p 0 – удельное сопротивление при 0 о С, α – температурный коэффициент. Для большинства металлов α = 1/273 = 0,004 К -1 . p = p 0 *(1+ α*t), t – температура в о С.
Согласно классической электронной теории металлов в металлахс идеальной кристаллической решеткой электроны движутся не испытывая сопротивления (p = 0).
Причина, вызывающая появление электрического сопротивления – посторонние примеси и физические дефекты кристаллической решетки, а также тепловое движение атомов. Амплитуда колебаний атомов зависит от t. Зависимость удельного сопротивления от t является сложной функцией:
p(T) = p ост + p ид. , p ост – остаточное удельное сопротивление, p ид. - идеальное сопротивление металла.
Идеальное сопротивление соответствует абсолютно чистому металлу и определяется лишь тепловыми колебаниями атомов. На основании общих соображений уд. сопротивление ид. металла должно стремиться к 0 при T → 0. Однако удельное сопротивление как функция слагается из суммы независимых слагаемых, поэтому в связи с наличием примесей и др. дефектов кристаллической решетки удельного сопротивления при понижении t → к некоторому росту пост. p ост. Иногда ля некоторых металлов температурная зависимость p проходит через минимум. Величина ост. уд. сопротивления зависит от наличия дефектов в решетке и содержания примесей.
j=γ*E – закон Ома в дифференцированной форме, описывающий процесс в каждой точке проводника, где j – плотность тока, Е – напряженность электрического поля.
Цепь включает резистор R и источник тока. На неоднородном участке цепи на носители тока действуют кроме электростатических сил сторонние силы. Сторонние силы способны вызвать упорядоченное движение носителей тока, такие как электростатические. На неоднородном участке цепи к полю электрических зарядов добавляется поле сторонних сил, создаваемое источником ЭДС. Закон Ома в дифференцированной форме: j=γE. Обобщая формулу на случай неоднородного проводника j=γ(E+E*)(1).
От закона Ома в дифференцированной форме для неоднородного участка цепи можно перейти к интегральной форме закона Ома для этого участка. Для этого рассмотрим неоднородный участок. В нем поперечное сечение проводника может быть непостоянным. Допустим, что внутри этого участка цепи существует линия, которую будем называть контуром тока, удовлетворяющая:
1. В каждом сечении перпендикулярно контуру величины j, γ, E, E* имеют одинаковые значения.
2. j, E и Е* в каждой точке направлены по касательной к контуру.
Выберем произвольно направление движения по контуру. Пусть выбранное направление соответствует перемещению от 1 к 2. Возьмем элемент проводника площадью S и элементом контура dl. Спроецируем векторы, входящие в (1) на элемент контура dl: j=γ(E+E*) (2).
I вдоль контура равна проекции плотности тока на площадь: I=jS (3).
Удельная проводимость: γ=1/ρ. Заменяя в (2) I/S=1/ρ(E+E*).Умножим на dl и проинтегрируем вдоль контура ∫Iρdl/S=∫Eedl+∫E*edl. Учтем, что ∫ρdl/S=R, а ∫Eedl=(φ 1 -φ 2), ∫E*edl= ε 12 , IR= ε 12 +(φ 1 -φ 2). ε 12 , как и I – величина алгебраическая, поэтому условились, когда ع способствует движению положительных носителей тока в выбранном направлении 1-2, считать ε 12 >0. Но на практике этот случай, когда при обходе участка цепи в начале встречается отрицательный полюс, затем положительный. Если ع препятствует движению положительных носителей, в выбранном направлении, то ε 12 <0.
Из последней формулы I=(φ 1 -φ 2)+(-)ε 12 /R. Эта формула выражает закон Ома для неоднородного участка цепи. Исходя из нее, можно получить закон Ома для неоднородного участка цепи. В этом случае ε 12 =0, следовательно, I=(φ 1 -φ 2)/R, I=U/R, а так же закон Ома для замкнутой цепи: φ 1 =φ 2 , значит I=ع/R, где R – суммарное сопротивление всей цепи: I=ع/ R 0 +r.
Вся прикладная электротехника базируется на одном догмате – это закон Ома для участка цепи. Без понимания принципа этого закона невозможно приступать к практике, поскольку это приводит к многочисленным ошибкам. Имеет смысл освежить эти знания, в статье мы напомним трактовку закона, составленного Омом, для однородного и неоднородного участка и полной цепи.
Классическая формулировка
Этот простой вариант трактовки, известный нам со школы.
Формула в интегральной форме будет иметь следующий вид:
То есть, поднимая напряжение, мы тем самым увеличиваем ток. В то время, как увеличение такого параметра, как «R», ведет к снижению «I». Естественно, что на рисунке сопротивление цепи показано одним элементом, хотя это может быть последовательное, параллельное (вплоть до произвольного)соединение нескольких проводников.
В дифференциальной форме закон мы приводить не будем, поскольку в таком виде он применяется, как правило, только в физике.
Принятые единицы измерения
Необходимо учитывать, что все расчеты должны проводиться в следующих единицах измерения:
- напряжение – в вольтах;
- ток в амперах
- сопротивление в омах.
Если вам встречаются другие величины, то их необходимо будет перевести к общепринятым.
Формулировка для полной цепи
Трактовка для полной цепи будет несколько иной, чем для участка, поскольку в законе, составленном Омом, еще учитывает параметр «r», это сопротивление источника ЭДС. На рисунке ниже проиллюстрирована подобная схема.
Учитывая «r» ЭДС, формула предстанет в следующем виде:
Заметим, если «R» сделать равным 0, то появляется возможность рассчитать «I», возникающий во время короткого замыкания.
Напряжение будет меньше ЭДС, определить его можно по формуле:
Собственно, падение напряжения характеризуется параметром «I*r». Это свойство характерно многим гальваническим источникам питания.
Неоднородный участок цепи постоянного тока
Под таким типом подразумевается участок, где помимо электрического заряда производится воздействие других сил. Изображение такого участка показано на рисунке ниже.
Формула для такого участка (обобщенный закон) будет иметь следующий вид:
Переменный ток
Если в схема, подключенная к переменному току снабжена емкостью и/или индуктивностью (катушкой), расчет производится с учетом величин их реактивных сопротивлений. Упрощенный вид закона будет выглядеть следующим образом:
Где «Z» представляет собой импеданс, это комплексная величина, состоящая из активного (R) и пассивного (Х) сопротивлений.
Практическое использование
Видео: Закон Ома для участка цепи – практика расчета цепей.
Собственно, к любому участку цепи можно применить этот закон. Пример приведен на рисунке.
Используя такой план, можно вычислить все необходимые характеристики для неразветвленного участка. Рассмотрим более детальные примеры.
Находим силу тока
Рассмотрим теперь более определенный пример, допустим, возникла необходимость узнать ток, протекающий через лампу накаливания. Условия:
- Напряжение – 220 В;
- R нити накала – 500 Ом.
Решение задачи будет выглядеть следующим образом: 220В/500Ом=0,44 А.
Рассмотрим еще одну задачу со следующими условиями:
- R=0,2 МОм;
- U=400 В.
В этом случае, в первую очередь, потребуется выполнить преобразование: 0,2 МОм = 200000 Ом,после чего можно приступать к решению: 400 В/200000 Ом=0,002 А (2 мА).
Вычисление напряжения
Для решения мы также воспользуемся законом, составленным Омом. Итак задача:
- R=20 кОм;
- I=10 мА.
Преобразуем исходные данные:
- 20 кОм = 20000 Ом;
- 10 мА=0,01 А.
Решение: 20000 Ом х 0,01 А = 200 В.
Незабываем преобразовывать значения, поскольку довольно часто ток может быть указан в миллиамперах.
Сопротивление.
Несмотря на то, что общий вид способа для расчета параметра «R» напоминает нахождение значения «I», между этими вариантами существуют принципиальные различия. Если ток может меняться в зависимости от двух других параметров, то R (на практике) имеет постоянное значение. То есть по своей сути оно представляется в виде неизменной константы.
Если через два разных участка проходит одинаковый ток (I), в то время как приложенное напряжение (U) различается, то, опираясь на рассматриваемый нами закон, можно с уверенностью сказать, что там где низкое напряжение «R» будет наименьшим.
Рассмотрим случай когда разные токи и одинаковое напряжение на несвязанных между собой участках. Согласно закону, составленному Омом, большая сила тока будет характерна небольшому параметру «R».
Рассмотрим несколько примеров.
Допустим, имеется цепь, к которой подведено напряжение U=50 В, а потребляемый ток I=100 мА. Чтобы найти недостающий параметр, следует 50 В / 0,1 А (100 мА), в итоге решением будет – 500 Ом.
Вольтамперная характеристика позволяет наглядно продемонстрировать пропорциональную (линейную) зависимость закона. На рисунке ниже составлен график для участка с сопротивлением равным одному Ому (почти как математическое представление закона Ома).
Изображение вольт-амперной характеристики, где R=1 Ом
Изображение вольт-амперной характеристики
Вертикальная ось графика отображает ток I (A), горизонтальная – напряжение U(В). Сам график представлен в виде прямой линии, которая наглядно отображает зависимость от сопротивления, которое остается неизменным. Например, при 12 В и 12 А «R» будет равно одному Ому (12 В/12 А).
Обратите внимание, что на приведенной вольтамперной характеристике отображены только положительные значения. Это указывает, что цепь рассчитана на протекание тока в одном направлении. Там где допускается обратное направление, график будет продолжен на отрицательные значения.
Заметим, что оборудование, вольт-амперная характеристика которого отображена в виде прямой линии, именуется – линейным. Этот же термин используется для обозначения и других параметров.
Помимо линейного оборудования, есть различные приборы, параметр «R» которых может меняться в зависимости от силы тока или приложенного напряжения. В этом случая для расчета зависимости нельзя использовать закон Ома. Оборудование такого типа называется нелинейным, соответственно, его вольт-амперные характеристики не будут отображены в виде прямых линий.
Вывод
Как уже упоминалось в начале статьи, вся прикладная электротехника базируется на законе, составленном Омом. Незнание этого базового догмата может привести к неправильному расчету, который, в свою очередь, станет причиной аварии.
Подготовка электриков как специалистов начинается с изучения теоретических основ электротехники. И первое, что они должны запомнить – это закон составленный Омом, поскольку на его основе производятся практически все расчеты параметров электрических цепей различного назначения.
Понимание основного закона электротехники поможет лучше разбираться в работе электрооборудования и его основных компонентов. Это положительно отразится на техническом обслуживании в процессе эксплуатации.
Самостоятельная проверка, разработка, а также опытное изучение узлов оборудования – все это существенно упрощается, если использовать закон Ома для участка цепи. При этом не требуется проводить всех измерений, достаточно снять некоторые параметры и, проведя несложные расчеты, получить необходимые значения.