Закон ома неоднородный участок цепи. Закон Ома для однородного участка цепи
Мы рассматривали законОма (см. (98.1)) для однородного участка цепи, т. е. такого, в которомне действует э.д.с. (не действуют сторонние силы). Теперь рассмотрим неоднородный участок цепи, где девствующую э.д.с. на участке 1-2 обозначим через , а приложенную на концах участка разность потенциалов - через
Если ток проходят по неподвижным проводникам, образующим участок I-2, то работа А 12 всех сил (сторонних и электростатических), совершаемая над носителями тока, по закону сохранения и превращения энергии равна теплоте, выделяющейся на участке. Работа сил, совершаемая при перемещении заряда Q 0 на участке 1-2, согласно (97.4),
Э.д.с. , как и сила тока I, - величина скалярная. Ее необходимо брать либо
с положительным, либо с отрицательным знаком в зависимости от знака работы, совершаемой сторонними силами. Если э.д.с. способствует движению положительных зарядов в выбранном направлении (в направлении 1-2), то >0. Если э.д.с. препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то <0.
За время t в проводнике выделяется теплота (см. (99.5))
Из формул (100.1) и (100.2) получим
(100.3)
(100.4)
Выражение (100.3) или (100.4) представляет собойзакон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме, который являетсяобобщенным законом Ома.
Если на данном участке цепи источник тока отсутствует ( =0), то из (100.4) приходим к закону Ома для однородного участка цепи (98.1):
(при отсутствии сторонних сил напряжение на концах участка равно разности потенциалов (см. § 97)). Если же электрическая цепь замкнута, то выбранные точки 1 и 2 совпадают, , тогда из (100.4) получаем закон Ома для замкнутой цепи:
Условия существования постоянного электрического тока.
Условия существования постоянного тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для замкнутой цепи и для активного участка цепи.
Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля или сторонних сил. За направление тока выбрано направление движения положительно заряженных частиц.
Электрический ток называют постоянным, если сила тока и его направление не меняются с течением времени.
Для существования постоянного электрического тока необходимо наличие свободных заряженных частиц и наличие источника тока. в котором осуществляется преобразование какого-либо вида энергии в энергию электрического поля.
Электродвижущей силой источника тока называют отношение работы сторонних сил к величине положительного заряда, переносимого от отрицательного полюса источника тока к положительному.
Сила тока в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении участка и обратно пропорциональна сопротивлению участка при постоянном напряжении.
Где U - напряжение на участке, R - сопротивление участка.
Закон Ома для произвольного участка цепи, содержащего источник постоянного тока.
где φ1 - φ2 + ε = U напряжение на заданном участке цепи, R - электрическое сопротивление заданного участка цепи.
Закон Ома для полной цепи.
Сила тока в полной цепи равна отношению электродвижущей силы источника к сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участка цепи.
где R - электрическое сопротивление внешнего участка цепи, r - электрическое сопротивление внутреннего участка цепи.
Закон сохранения заряда и правило Кирхгофа (вывод).
Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.
Первый закон Кирхгофа вытекает из закона сохранения заряда. Он состоит в том, что алгебраическая сумма токов, сходящихся в любом узле, равна нулю.
Второе правило Кирхгофа получается из обобщенного закона Ома для разветвленных цепей.
В любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной электрической цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов Ii на сопротивления Ri соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме э.д.с. Ek , встречающихся в этом контуре.
Собственно, применяем чистую математику. Возьмем, например, контур, изображенный на рис. 1. Контур состоит из трех участков. Для каждого участка можно записать свою формулу, исходя из закона Ома, но надо учитывать один важный момент.
Во-первых, требуется записывать эти формулы не как независимые, а как систему уравнений, т. к. участки цепи являются составляющими частями контура.
Во-вторых, что бы определится со знаками необходимо учитывать направление токов и ЭДС источников. Для этого нужно выбрать направление обхода контура. Все токи, совпадающие по направлению с направлением обхода контура, считаются положительными, не совпадающие с направлением обхода - отрицательными. Источники тока считаются положительными, если они создают ток, направленный в сторону обхода контура.
В-третьих, направление обхода контура выбирается произвольно. Мы возьмем направление по часовой стрелке.
Исходя из вышесказанного записываем систему уравнений. Начинаем с участка AB, затем BC и CA.
Теперь остается сложить почленно эти уравнения:
Посмотрим, что у нас получилось. Слева в нашем уравнении сумма произведений токов на сопротивление соответствующих участков, справа - сумма всех ЭДС в контуре. Если мы возьмем любой контур с любым количеством участков и источников, то все равно мы получим, в итоге, уравнение, где слева будет сумма произведений токов на сопротивление соответствующих участков, а справа - сумма всех ЭДС в контуре. Таким образом можно записать наши рассуждения в следующем виде: ------à
Последнее уравнение выражает второе правило Кирхгофа.
Электродвижущая сила.
Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то перемещение носителей тока очень быстро приведет к тому, что поле внутри проводника исчезнет и ток прекратится. Для того чтобы поддержать ток длительное время, нужно от конца проводника с меньшим потенциалом j 2 непрерывно отводить приносимые сюда током положительные заряды и переносить их к концу с большим потенциалом (рис. 56.1).
Электрическое по-ле, созданное в проводнике, такой перенос зарядов осуществить не может. Для того чтобы существовал постоянный ток, необходимо действие каких-то иных сил (не кулоновских), перемещающих заряды против электрических сил и поддерживающих постоянство электрических полей. Это могут быть магнитные силы, можно разделять заряды за счет химических реакций, диффузии носителей заряда в неоднородной среде и т. д. Чтобы подчеркнуть отличие этих сил от сил кулоновского взаимодействия принято обозначать их термином сторонние силы . Устройства, в которых происходит перемещение свободных зарядов под действием сторонних сил, называют источниками тока. К ним относятся электромагнитные генераторы, термоэлектрические генераторы, солнечные батареи. Отдельную группу составляют химические источники тока: гальванические элементы, аккумуляторы и топливные элементы.
Действие сторонних сил можно характеризовать, введя понятие напряженности поля сторонних сил: .
Работу сторонних сил по перемещению заряда q на учаcтке dl можно выразить следующим образом:
на всем протяжении участка длиной l :
. (56.1)
Величина, равная отношению работы сторонних сил по перемещению заряда к этому заряду, называется электродвижущей силой (ЭДС):
. (56.2)
В проводнике, по которому течет ток, напряженность электрического поля складывается из напряженности полей кулоновских сил и сторонних сил:
Тогда для плотности тока можем записать
Заменим векторы их проекциями на направление замкнутого контура и умножим обе части уравнения на dl :
Выполнив подстановку , , полученное уравнение приводим к виду
Полученное выражение проинтегрируем по длине электрической цепи:
Интеграл в левой части уравнения представляет собой сопротивление R участка 1-2. В правой части уравнения значение первого интеграла численно равно работе кулоновских сил по перемещению единичного заряда из точки 1 в точку 2 - это разность потенциалов . Значение второго интеграла численно равно работе сторонних сил по перемещению единичного заряда из точки 2 в точку 1 - это электродвижущая сила . В соответствии с этим уравнение (56.3) приводим к виду
Величина IR , равная произведению силы тока на сопротивление участка цепи, называется падением напряжения на участке цепи. Падение напряжения численно равно работе, совершаемой при перемещении единичного заряда сторонними силами и силами электрического поля (кулоновскими).
Участок цепи, содержащий ЭДС, называют неоднородным участ-ком. Силу тока на таком участке находим из формулы (56.4):
Учитывая, что источник тока может включаться в участок цепи двумя способами, заменим знак перед ЭДС на "±":
Выражение (56.5) представляет собой закон Ома для неоднородного участка цепи. Знаки "+" или "-" учитывают, как влияют сторонние силы на протекание тока в указанном направлении: способствуют или препятствуют (рис. 56.2).
Если участок цепи не содержит ЭДС, т. е. является однородным, то из формулы (56.5) следует, что
Из формулы (56.5) следует
где IR - падение напряжения на внешнем участке цепи, Ir - падение напряжения на внутреннем участке цепи.
Следовательно, ЭДС источника тока равна сумме падений напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи .
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.
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.
Статьи по теме
