Закон Ома для участка цепи

29.08.2024 Anna 0 Comments

Закон Ома для участка цепи. Закон Ома является одним из основных законов описания, расчета и работы электрических систем. Обобщенный закон Ома связывает воедино основные параметры цепи и устанавливает взаимосвязь между ними. Любая цепь характеризуется наличием источника с ЭДС (электродвижущей силой) и нагрузки с сопротивлением. В замкнутой цепи течет ток, и его величина определяется указанными выше законами.

Самая простая схема

Закон Ома для замкнутой цепи гласит, что величина тока, протекающего в цепи, обратно пропорциональна сопротивлению нагрузки и прямо пропорциональна приложенному напряжению. Это краткая формулировка, но она полностью отражает суть закона.

Еще в первой половине XIX века знаменитый немецкий ученый Георг Симон Ом описал и подробно остановился на взаимосвязи между напряжением и протекающим током. Его именем названа, пожалуй, самая известная параметрическая зависимость в электротехнике. При жизни Ома определение сопротивления не было известно и резистора как элемента не существовало. Поэтому Джордж Ом ввел в формулу длину проводника и некий коэффициент, характеризующий его материал, так сказать, прототип удельное сопротивление.

Со временем формулировка закона Ома многократно уточнялась, пока не сохранила нынешний вид. В честь первооткрывателя было решено измерять сопротивление в омах.

Для расчетов можно использовать самую простую схему, то есть с помощью графического треугольника.

вычислить мнемонический треугольник iur

Содержание

Две формулировки

Во всей учебной и популярной литературе встречаются две трактовки этого закона: для всей цепи и как частные случаи для ее частей. Принципиальной разницы между ними нет. Закон Ома для участка цепи представляет собой частный случай при определенных условиях.

Так что же представляет собой закон Ома для полной цепи? Формула выглядит следующим образом:

r, R – сопротивление: внутри источника питания (самого) и соответствующей нагрузки;

Ε——Электродвижущая сила источника напряжения.

Иллюстрация полной цепочки

Формула сайта принимает немного иной вид:

R——сопротивление поперечного сечения,
U — разность потенциалов (падение напряжения) на нем).

Сравнивая выражения, становится ясно, что фраза «Закон Ома для частей цепи с ЭДС» не имеет смысла, поскольку электродвижущая сила является характеристикой источника питания, а не разностью потенциалов на этом участке.

Почему в формулу включены значения ЭДС, а не напряжения и что означает внутреннее сопротивление? Проще говоря, блок питания не идеален и имеет свое сопротивление, чем меньше сопротивление, тем лучше параметры источника. Когда величина источника на несколько порядков меньше нагрузки, ею можно пренебречь и напряжение численно равно электродвижущей силе. Обычно это происходит в слаботочных цепях. Другое дело, когда сопротивление источника пропорционально нагрузке. Протекающий ток вызовет некоторое падение напряжения внутри источника, которое будет вычтено из значения ЭДС, и в результате напряжение источника станет меньше его ЭДС.

Владельцам автомобилей со старыми аккумуляторами это явление знакомо. По мере старения аккумулятора помимо уменьшения емкости увеличивается внутренняя нагрузка. При выключенном зажигании напряжение, измеренное на клеммах аккумуляторной батареи, равно ее электродвижущей силе (примерно 12 В). Когда стартер включен, часть цепи потребляет сотни ампер, а напряжение в части цепи на клеммах аккумулятора падает до 9 В или меньше.

Недостающие 3 В все еще присутствуют во внутреннем сопротивлении батареи. Это объемное сопротивление пластин, электролита и соединительных клемм между отдельными группами. Применяя закон Ома к участку цепи для расчета, это явление можно назвать опусканием. Это типично для старых аккумуляторов, особенно в холодное время года, когда внутренняя нагрузка аккумулятора наибольшая. Чтобы уменьшить падение напряжения, согласно закону Ома, на той части цепи, которая содержит ЭДС, необходимо уменьшить мощность, потребляемую стартером, а значит, необходимо уменьшить потери на трение, т е масло в предварительно нагретом масле картер двигателя и выжимает сцепление, чтобы двигатель не пропускал холодное масло в коробку передач. На самом деле в приведенном примере происходит более сложный процесс, но предварительная оценка верна.

Читайте также статью: как сделать москитную сетку на дверь

Внутреннее сопротивление играет важную роль при передаче напряжения по линиям электропередачи. Он доставляется конечным потребителям по линиям электропередачи. Чтобы уменьшить падение напряжения на проводе, нужно увеличить сечение провода или уменьшить силу тока, протекающего по проводу.

Увеличение сечения приводит к увеличению массы и стоимости, что требует снижения тока. При той же мощности нагрузки это можно сделать только одним способом – повышением напряжения. В правильности этого решения можно легко убедиться, применив закон Ома к однородному участку цепи и определив падение напряжения при различных значениях тока. Это определяет абсолютное преимущество использования переменного тока, поскольку задача преобразования переменного тока легко решается с помощью трансформатора.

Второй закон Ома существует, когда характеристики источника напряжения близки к идеальным и его внутреннее сопротивление незначительно, или если необходимо определить разность потенциалов (падение напряжения) на нагрузке (резисторе). Второй закон упрощает расчеты, чем первый закон.

Определить падение напряжения на нагрузке

Переменный ток

Обобщенный закон Ома применим не только к постоянному, но и к переменному току. Если активная нагрузка (резистор) всего одна, разницы с цепью постоянного тока нет, поэтому в расчетах можно использовать ту же дельту IUR. Различные ситуации наблюдаются для реактивных компонентов (конденсаторов и катушек индуктивности). Тогда закон Ома в схемной части используется в комплексном виде, а в качестве нагрузки используется комплексная величина (электрическое сопротивление), так как необходимо учитывать фазовую зависимость между напряжением питания, падение напряжения на падении напряжения. Компоненты цепи и текущий ток.

Ограничения в применении

Каким бы общим ни был закон Ома для замкнутых цепей, существуют определенные ситуации, когда он неприменим:

Когда температура проводника изменяется из-за тока, протекающего через проводник;
Для сверхпроводящих материалов и веществ;
На сверхвысоких частотах скорость колебаний напряженности поля соизмерима с инерционными свойствами носителей заряда;
Под действием приложенного напряжения свойства проводника могут претерпевать резкие изменения (электрический пробой воздушного зазора);
В электровакуумных и газонаполненных вакуумных лампах;
в полупроводниковых веществах и устройствах с pn-переходами.

Некоторые моменты можно обсудить более подробно.

Нагрев

Видео: Физика 10 класс (Урок№29 — Закон Ома для участка цепи. Соединения проводников.)

Нагрев проводника вызывает изменение его свойств. Это явление следует учитывать, когда температурная зависимость сопротивления велика. Классический пример – лампа накаливания. Сопротивление одной части цепи (нити накаливания) изменяется многократно при прохождении через нее тока. Фактами доказано, что, измерив параметры лампы омметром, можно определить значение тока при включении лампы в сеть. Но затем нить начинает нагреваться и ее сопротивление увеличивается. Поэтому расчетное значение уже не будет соответствовать реальной ситуации.

В этом примере закон Ома применим только к установившимся условиям.

именно из-за низкого сопротивления холодной вольфрамовой проволоки большинство отказов ламп накаливания происходит в момент включения. Этот эффект используется в электронных стабилизаторах тока — бареттах, которые были популярны до наступления эпохи полупроводников и используются в некоторых областях до сих пор.

Сверхпроводимость

Некоторые вещества обладают свойством внезапно уменьшать свое электрическое сопротивление при охлаждении до определенной критической температуры перехода. После этого обобщенный закон Ома в его классическом представлении теряет смысл, так как цепь переходит в так называемый режим короткого замыкания, где сила тока ограничивается только сопротивлением источника напряжения.

Инерционность переноса заряда

Реальная скорость переноса отрицательных зарядов в проводящих средах весьма низка. Их движение может начаться под действием электромагнитного поля, движущегося со скоростью света. Однако, как и все частицы материи, электроны обладают массой и, следовательно, некоторой инерцией. Поэтому при высоких скоростях изменения электромагнитного поля носители заряда не смогут сразу отреагировать на его изменения, и закон замкнутой цепи Ома становится неприменимым.

Разряд

Воздушный зазор между противоположно поляризованными электродами обладает высоким сопротивлением, но при увеличении напряжения, в момент возникновения искрового пробоя, сопротивление между электродами практически сразу падает.

Электронные лампы

Ток эмиссии в вакуумных лампах и тлеющий или дуговой разряд в газонаполненных лампах имеют четкую нелинейную зависимость от приложенного напряжения, т е., грубо говоря, сопротивление между электродами зависит от разности потенциалов.

Полупроводники

как и электронные лампы, полупроводниковые материалы имеют внутреннее сопротивление, которое зависит от приложенного напряжения. При контакте полупроводников разного типа проводимости (полупроводники n-типа и p-типа) можно наблюдать зависимость параметров pn-перехода от полярности источника питания. Это свойство лежит в основе диодов и транзисторов. Зависимость силы протекающего тока от приложенного напряжения имеет значительную нелинейность как для прямой, так и для обратной полярности pn-перехода.

Это свойство используется для варисторов — полупроводниковых приборов, сопротивление которых зависит от приложенного напряжения.