Закон ома для участка цепи и полной цепи: формулы и определения

История открытия

Зависимость между током, напряжением и сопротивлением в электрической цепи была установлена опытным путём в 1827 году. Занимаясь исследованиями электричества, Георг Симон Ом проводил ряд экспериментов над проводниками, изучая их проводимость, и в частности, подключая последовательно к источнику энергии тонкие проводники, выполненные из различных материалов. Изменяя их длину, он получал определённую силу тока. Им было установлено, что на результаты экспериментов влияет источник электрической энергии, сопротивление которого оказывалось выше, чем у используемых в опытах проводников.

По совету своего наставника Поггендорфа Ом собрал термоэлектрическую батарею, отказавшись от использования химических элементов, применив вместо них открытую Зеебеком термопару медь-висмут. Для измерения параметров цепи им использовались крутильные весы, с магнитной стрелкой сконструированные Кулоном.

На основании своих исследований физик-экспериментатор пришёл к выводу, что отклонение стрелки зависит от определённой силы, названной силой тока. Когда стрелка отклонялась, Ом закручивал весы таким образом, чтобы она возвращалась в своё начальное положение. Угол, на который закручивалась нить, он считал пропорциональной силе тока. Изменяя условия, Ом вывел математическую зависимость, составив уравнение. Выглядело оно следующим образом: Х = а/b + x, где за Х принималась сила, отклоняющая магнитную стрелку, за а — длина исследуемого образца, а b+x обозначали интенсивность и считались постоянной величиной.

В 1862 году в журнале «Физика и химия» публикуется статья Ома под названием «Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество». Результаты его исследований не производят впечатления на других ученых, и его выводы остаются незамеченными. Ом продолжает эксперименты, выясняя, что электричество можно рассмотреть наподобие теплового потока. Подобно разнице температур, благодаря которой совершается тепловое движение, некой величиной можно описать движение электрического заряда. Так он вводит понятие ЭДС.

Говорим о напряжении

Не менее важно понять что такое напряжение. Давайте сразу начнем с аналогии и снова используем воду

Пусть в воронке находится вода. Она просачивается через узкое горлышко, которое создает сопротивление. Если представить, что на воду уложили груз, движение воды ускорится. Этот груз — и есть напряжение. И теперь тоже понятно, почему чем выше напряжение, тем сильнее ток — чем сильнее давление, тем быстрее будет двигаться вода. То есть, зависимость прямая: больше напряжение — больше ток. И именно это положение отражает закон Ома — «давление» стоит в числителе (в верхней части дроби).

Можно попробовать представить напряжение по-другому. Есть все те же электроны, которые скопились на одном краю источника питания. На втором краю их мало. Так как каждый из электронов имеет какой-то заряд, там, где их много, суммарный заряд больше, где мало — меньше. Разница между зарядами и есть напряжение. Это тоже несложно представить. С точки зрения электричества — это более корректное представление, хоть и не точное.

На тему закона Ома есть немало забавных картинок, позволяющих чуть лучше понять все эти явления. Одна из них перед вами и иллюстрирует, как ток зависит от напряжения и сопротивления. Смотрите что получается: сопротивление старается уменьшить ток (обратная зависимость), а с ростом напряжения он увеличивается (прямая зависимость). Это и есть закон Ома, но переданный простыми словами.

Благодаря картинке просто понять зависимость тока от напряжения и сопротивления

Если вы хотите убедиться и в этой зависимости, тоже надо создать простенькую цепь. Но нужен будет либо регулируемый источник питания, либо несколько батареек, которые выдают разное напряжение. Или можно последовательно включать несколько батареек — тоже вариант. Но менять/подпаивать батарейки надо при разорванной цепи (выключенном тумблере).

В этой схеме используются два измерительных прибора: амперметр включается последовательно с нагрузкой (резистор на схеме ниже), вольтметр параллельно нагрузке.

Схема для иллюстрации закона Ома

Так как другие параметры цепи остаются в норме, при увеличении напряжения мы увидим увеличение силы тока. Чем больше напряжение подаем, тем больше отклоняются стрелки вольтметра и амперметра. Если задаться целью построить график, он будет в виде прямой. Если поставить другое сопротивление, график также будет в виде прямой, но угол наклона ее изменится.

Идеальный источник ЭДС

Электродвижущая сила (E) – физическая величина, определяющая степень воздействия внешних сил на перемещение в замкнутой цепи носителей заряда. Иными словами, от ЭДС будет зависеть то, как сильно ток стремится течь по проводнику.

При объяснении подобных непонятных явлений отечественные школьные учителя любят обращаться к методу гидравлических аналогий. Если проводник – это труба, а электрический ток – это количество протекающей по ней воды, то ЭДС – это давление, которое развивает насос, чтобы качать жидкость.

Термин электродвижущая сила родственен такому понятию, как напряжение. Она, ЭДС, так же измеряется в вольтах (ед. изм. – «В»). Каждый источник питания, будь то батарейка, генератор или солнечная панель, обладает своей собственной электродвижущей силой. Зачастую эта ЭДС близка к выходному напряжению (U), но всегда немного меньше его. Вызвано это внутренним сопротивлением источника, на котором неизбежно падает часть вольтажа.

READ  Соотношение мощностей в простейшей электрической цепи

По этой причине идеальный источник ЭДС – это скорее абстрактное понятие или физическая модель, не имеющая места в реальном мире, ведь внутреннее сопротивление элемента питания Rвн хоть и весьма низкое, но всё же отлично от абсолютного нуля.

Идеальный и реальный источник ЭДС

Короткое замыкание

С уменьшением сопротивления внешней цепи, R -> 0,  сила тока достигает максимального значения Iк.з. Этот случай называют коротким замыканием. Для источников тока, имеющих сравнительно малое внутреннее сопротивление (например, в свинцовых аккумуляторах r=0,1-0,001 Ом), сила тока короткого замыкания может достичь очень больших значений. Проводники могут расплавиться, а сам источник — выйти из строя. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питающихся от трансформаторных подстанций, ЭДС которых измеряется сотнями вольт. Сила тока короткого замыкания в них может достичь нескольких тысяч ампер.

Электродвижущая сила

При подключении к полюсам источника проводник, благодаря наличию разности потенциалов, свободные электроны проводимости, не прекращая хаотического движения, под действием кулоновских сил начнут двигаться направлено — от конца проводника с более низким потенциалом к концу с высшим, то есть от отрицательного полюса источника тока к положительному. Но силы электрического поля не могут переместить электрические заряды между полюсами внутри источника, поскольку действуют на них в противоположном направлении. Поэтому внутри источника, кроме электрических сил F кл , действуют еще и сторонние силы F ст. Природа сторонних сил может быть различной: в химических элементах — это действие химических реакций, в фотоэлементах — действие солнечных лучей, электрогенераторах — изменение магнитного потока.


Движение носителей заряда в полной электрической цепи

Сторонние силы перемещают отрицательные заряды от положительного полюса батареи к отрицательному и противодействуют электрическим силам, которые стремятся выровнять потенциалы на полюсах. Благодаря этому заряды циркулируют по замкнутому кругу, создавая ток. Участок круга, в которой заряды движутся под действием кулоновских сил, называют однородной, а ту, в которой носители заряда движутся под действием как кулоновских, так и сторонних сил, — неоднородной. Если соединить концы неоднородного участка, получим полный круг, в котором ту часть замкнутого круга, в которой заряды движутся под действием кулоновских сил (электростатической разности потенциалов), называют внешней, а ту, в которой носители заряда движутся под действием сторонних сил, — внутренней. Полюса источника тока разделяют внутренний и внешний участки цепи.


Электрическая цепь: а — однородный участок;б — неоднородный участок; в — полный круг, содержащий внешнюю и внутреннюю части

Для перемещения зарядов сторонние силы выполняют соответствующую работу А. Чем больше заряд перемещается, тем больше работа выполняется. Иными словами, A ст  ~ q или, используя знак равенства, A ст  = εq, где ε — постоянный коэффициент пропорциональности, характеризующий соответствующий источник и называеющийся электродвижущей силой источника тока (сокращенно ЭДС).

Электродвижущая сила ε — это физическая величина, характеризующий энергию стороних сил источника тока и измеряется: работой сторонних сил (то есть сил не электростатического происхождения), выполненной для перемещения единичного позитивного электрического заряда, ε = A ст/q.

Единица электродвижущей силы — вольт, 1 В = 1 Дж/ 1Кл.

В результате разделения внутри источника положительных и отрицательных зарядов, источник приобретает запас потенциальной электрической энергии, которая тратится на выполнение работы по перемещению зарядов по всей окружности. Работа сторонних сил равна сумме работ, выполняемых по перемещению заряда на внутренней и внешней участках цепи.

В источниках тока постоянно происходит разделение положительных и отрицательных зарядов, которые сосредотачиваются на его полюсах, что вызывает появление электрического поля (стационарного). Свойства этого поля отличаются от электрического поля неподвижных зарядов, которое мы изучали в электростатике. В таблице 2 представлены сравнения свойств электрических полей подвижных и неподвижных зарядов.

Электростатическое поле неподвижных зарядов Стационарное электрическое поле движущихся зарядов
Линии напряженности являются незамкнутыми.

Работа поля по замкнутому контуру равна нулю

Имеет замкнутые линии напряженности.

Работа поля по перемещению заряда вдоль замкнутой линии напряженности не равна нулю.

Такое поле называют вихревым

Работа и мощность электрического тока

Электрическое поле, создавая упорядоченное движение заряженных частиц в проводнике, выполняет работу, которую принято называть работой тока.

Работа электрического тока А — физическая величина, характеризующая: изменение электрической энергии тока — превращение ее в другие виды.
Единица работы электрического тока — джоуль, 1 Дж. В быту и технике используют также внесистемная единица — киловатт-час (кВт • ч), 1 кВт • ч = 3,6 • 106 Дж.

Если рассматривать внешний участок электрической цепи, то работа тока определяется как А = qU = UIt, где q — заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время t, U — электрическое напряжение на участке цепи, I — сила тока.

Если на участке цепи, по которой проходит ток, не выполняется механическая работа и не происходят химические реакции, то результатом работы электрического тока будет только нагрев проводников. Нагретый проводник вследствие теплообмена отдает полученную энергию в окружающую среду. Согласно закону сохранения энергии, количество выделенной теплоты равна работе тока: Q = А и вычисляется по закону Джоуля — Ленца: количество теплоты Q, выделяемой за время t в проводнике с сопротивлением R во время прохождения по нему тока силой I, равна Q = I2Rt.

Воспользовавшись законом Ома I = U/R, математически можно получить и такие формулы закона Джоуля — Ленца: Q =U2t/R и Q = UIt. Однако, если в цепи выполняется механическая работа или происходят химические реакции, эти формулы использовать нельзя.

Мощность электрического тока Р — физическая величина, характеризующая способность электрического тока выполнять определенную работу и измеряется работой, выполненной в единицу времени, Р = A/t, здесь А — работа электрического тока, t — время, за которое эта работа выполнена. Мощность во внешнем участке электрической цепи можно определить по формулам Р = UI, Р = I2R, Р = U2/R, где U — электрическое напряжение, I — сила тока, R — электрическое сопротивление участка цепи. Единица мощности — ватт, 1 Вт = 1.

Если цепь состоит из нескольких потребителей, то при параллельном их соединения общая мощность тока во всей цепи равна сумме мощностей отдельных потребителей

Это стоит принять во внимание. В быту мы пользуемся мощными электрическими приборами

Если одновременно их включить, то общая мощность может превышать ту, на которую рассчитана электрическая сеть в помещении.

Выясним, в каком случае в электрической цепи выделяется максимальная мощность. Для этого запишем закон Ома для полной цепи в таком виде: ε = IR + Ir. Умножив обе части уравнения на I, получим: εI = I 2 R + I 2 r, где εI — полная мощность, которую развивает источник тока, I2R — мощность потребителей внешней участка цепи, I2г — мощность, которую потребляет внутренняя часть круга. Итак, потребляемая мощность внешней частью цепи, составляет: P = εI – I 2 r.


График зависимости потребляемой мощности во внешней части цепи от силы тока

Графиком зависимости Р (I) является парабола, вершина которой имеет координаты {ε/2r;ε2/4r}. Из графика видно, что максимальная мощность потребляется во внешнем цепи при силе тока I = ε/2r.

Закон Ома для участка цепи

Для описания электрической цепи не содержащего ЭДС можно использовать закон Ома для участка цепи. Это наиболее простая форма записи. Он выглядит так:

I=U/R

Где I – это ток, измеряется в Амперах, U – напряжение в вольтах, R – сопротивление в Омах.

Такая формула нам говорит, что ток прямопропорционален напряжению и обратнопропорционален сопротивлению – это точная формулировка Закона Ома. Физический смысл этой формулы – это описать зависимость тока через участок цепи при известном его сопротивлении и напряжении.

Внимание! Эта формула справедлива для постоянного тока, для переменного тока она имеет небольшие отличия, к этому вернемся позже. Кроме соотношения электрических величин данная форма нам говорит о том, что график зависимости тока от напряжения в сопротивлении линеен и выполняется уравнение функции:

Кроме соотношения электрических величин данная форма нам говорит о том, что график зависимости тока от напряжения в сопротивлении линеен и выполняется уравнение функции:

f(x) = ky или f(u) = IR или f(u)=(1/R)*I

Закон Ома для участка цепи применяют для расчетов сопротивления резистора на участке схемы или для определения тока через него при известном напряжении и сопротивлении. Например, у нас есть резистор R сопротивлением в 6 Ом, к его выводам приложено напряжение 12 В. Необходимо узнать, какой ток будет протекать через него. Рассчитаем:

I=12 В/6 Ом=2 А

Идеальный проводник не имеет сопротивления, однако из-за структуры молекул вещества, из которого он состоит, любое проводящее тело обладает сопротивлением. Например, это стало причиной перехода с алюминиевых проводов на медные в домашних электросетях. Удельное сопротивление меди (Ом на 1 метр длины) меньше чем алюминия. Соответственно медные провода меньше греются, выдерживают большие токи, значит можно использовать провод меньшего сечения.

Еще один пример — спирали нагревательных приборов и резисторов обладают большим удельным сопротивлением, т.к. изготавливаются из разных высокоомных металлов, типа нихрома, кантала и пр. Когда носители заряда движутся через проводник, они сталкиваются с частицами в кристаллической решетке, вследствие этого выделяется энергия в виде тепла и проводник нагревается. Чем больше ток – тем больше столкновений – тем больше нагрев.

READ  Гост 2.770-68 ескд. обозначения условные графические в схемах. элементы кинематики

Чтобы снизить нагрев проводник нужно либо укоротить, либо увеличить его толщину (площадь поперечного сечения). Эту информацию можно записать в виде формулы:

Rпровод=ρ(L/S)

Где ρ – удельное сопротивление в Ом*мм2/м, L – длина в м, S – площадь поперечного сечения.

Просадка напряжения

Если мультиметром померить напряжение на заряженном автомобильном аккумуляторе, то оно составит величину порядка 12-12,2 В. Такой вольтаж считается оптимальным для этих приборов в режиме холостого хода. Однако под нагрузкой дела обстоят иначе.

Если к аккумулятору подключить мощную галогенную лампу и снова произвести замер, то можно увидеть, что разность потенциалов на клеммах аккумулятора уменьшилась на 0,2-0,3 В и теперь составляет 11,7-11,8 вольт. Данное явление свойственно всем нестабилизированным источникам питания и называется просадкой напряжения.

Просадка до 11,79 вольт

Важно! Работая с автомобильными аккумуляторами, следует соблюдать осторожность. Данный источник энергии способен в режиме короткого замыкания отдавать токи в сотни ампер. Непреднамеренное замыкание клемм батареи, например, гаечным ключом, может привести к серьёзным ожогам или пожару

Непреднамеренное замыкание клемм батареи, например, гаечным ключом, может привести к серьёзным ожогам или пожару.

В бытовых условиях подобное наблюдается при включении мощных электрических приборов, таких как чайник или обогреватель. В момент, когда вилка попадает в розетку, можно наблюдать едва заметное кратковременное затухание ламп накаливания или щелчок в динамиках акустических систем. При этом, чем мощнее электроприбор, тем сильнее и дольше будет просадка.

Данное явление в первую очередь вызвано внутренним сопротивлением химического источника ЭДС и протекающего по нему тока нагрузки. Различные типы аккумуляторов обладают неодинаковыми материалами проводников и электролитов. Поэтому отличаются и их внутренние сопротивления.

Закон Ома для параллельной и последовательной цепи

В зависимости от типа соединения наблюдается разный характер протекания тока и распределения напряжений. Для участка цепи последовательного соединения элементов напряжение, ток и сопротивление находятся по формуле:

I=I1=I2

U=U1+U2

R=R1+R2

Это значит, что в цепи из произвольного количества последовательно соединенных элементов протекает один и тот же ток. При этом напряжение, приложенное ко всем элементам (сумма падений напряжения), равно выходному напряжению источника питания. К каждому элементу в отдельности приложена своя величина напряжений и зависит от силы тока и сопротивления конкретного:

Uэл=I*Rэлемента

Сопротивление участка цепи для параллельно соединённых элементов рассчитывается по формуле:

I=I1+I2

U=U1=U2

1/R=1/R1+1/R2

Для смешанного соединения нужно приводить цепь к эквивалентному виду. Например, если один резистор соединен с двумя параллельно соединенными резисторами – то сперва посчитайте сопротивление параллельно соединенных. Вы получите общее сопротивление двух резисторов и вам остаётся сложить его с третьим, который с ними соединен последовательно.

Последовательное и параллельное включение элементов

Для элементов электрической цепи (участка цепи) характерным моментом является последовательное либо параллельное соединение. Соответственно, каждый вид соединения сопровождается разным характером течения тока и подводкой напряжения. На этот счёт закон Ома также применяется по-разному, в зависимости от варианта включения элементов.

Цепь последовательно включенных резистивных элементов

Применительно к последовательному соединению (участку цепи с двумя компонентами) используется формулировка:

  • I = I1= I2 ;
  • U = U1+ U2 ;
  • R = R1+ R2

Такая формулировка явно демонстрирует, что, независимо от числа последовательно соединенных резистивных компонентов, ток, текущий на участке цепи, не меняет значения. Величина напряжения, приложенного к действующим резистивным компонентам схемы, является суммой и составляет в целом значение источника ЭДС.

При этом напряжение на каждом отдельном компоненте равно: Ux = I * Rx. Общее сопротивление следует рассматривать как сумму номиналов всех резистивных компонентов цепи.

Цепь параллельно включенных резистивных элементов

На случай, когда имеет место параллельное включение резистивных компонентов, справедливой относительно закона немецкого физика Ома считается формулировка:

  • I = I1+ I… ;
  • U = U1= U2 … ;
  • 1 / R = 1 / R1+ 1 / R2 + …

Не исключаются варианты составления схемных участков «смешанного» вида, когда используется параллельное и последовательное соединение. Для таких вариантов расчет обычно ведется изначальным расчетом резистивного номинала параллельного соединения. Затем к полученному результату добавляется номинал резистора, включенного последовательно.

Интегральная и дифференциальная формы закона

Все вышеизложенные моменты с расчетами применимы к условиям, когда в составе электрических схем используются проводники, так сказать, «однородной» структуры. Между тем на практике нередко приходится сталкиваться с построением схематики, где на различных участках структура проводников меняется. К примеру, используются провода большего сечения или, напротив, меньшего, сделанные на основе разных материалов.

Для учёта таких различий существует вариация, так называемого, «дифференциально-интегрального закона Ома». Для бесконечно малого проводника рассчитывается уровень плотности тока в зависимости от напряженности и величины удельной проводимости.

Под дифференциальный расчет берется формула: J = ό * E. Для интегрального расчета, соответственно, формулировка: I * R = φ1 – φ2 + έ Однако эти примеры скорее уже ближе к школе высшей математики и в реальной практике простого электрика фактически не применяются.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: