Закон ома для неоднородного участка

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.

Сила тока

Сила тока возникает при наличии частиц со свободными зарядами. Они перемещаются через поперечное сечение проводника из одной точки в другую. Источник питания создает электрическое поле, под действием которого электроны начинают двигаться упорядоченно.

Закон ома для неоднородного участка цепи

Перед тем, как записать формулу для подобной интерпретации закона, следует разобраться в таких понятиях, как линейные и нелинейные участки цепи.

Если сопротивление никаким образом не зависит от тока и подаваемого напряжения, то с ростом второго параметра, первый будет прямо пропорционально возрастать и наоборот, то есть зависимость можно описать прямой линией. Подобная зависимость относится к линейным участкам цепи и сопротивление имеет аналогичное название.

Однако вышеизложенный вариант считается идеальным и его можно смоделировать лишь в идеальных условиях, что фактически невозможно, ведь, как минимум, окружающая среда вносит свои коррективы. В этом случае, рост напряжения не будет прямо пропорциональным силе тока и на графике зависимость будет изображаться в виде кривой.Закон ома для неоднородного участка

На рисунке изображено два графика, первый из которых описывает линейную зависимость, а второй нелинейную.

Чтобы отчетливо понимать разницу между этими понятиями, рассмотрим принцип работы обычной электрической лампы накаливания. При прохождении тока по нити, температура в значительной степени повышается, что приводит к заметному росту сопротивления. Соответственно, при возрастании напряжения, сила тока будет увеличиваться медленнее, то есть не линейно.

Учитывая вышесказанное, можно установить следующую зависимость:

I = U/ R = (f1 – f2) + E/ R,

Где f1 и f2 – потенциалы (соответственно f1 – f2 называется разницей потенциалов), E – ЭДС неоднородного участка цепи, а R – суммарное сопротивление на этом же участке.

Нужно упомянуть и о том, что электродвижущая сила не всегда в этом случае будет иметь положительное значение. Если направление тока источника будет аналогичным с направлением в электрической сети, протонов будет больше, чем электронов (положительных и отрицательных частиц), то в этом случае величина E будет иметь значение со знаком «+», в иной ситуации, этот параметр будет со знаком «-».

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 для неоднородного участка

Преобразование пропорциональности в уравнение, приводит к постоянной «R» — сопротивлению.

Закон ома для неоднородного участка

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.

Закон ома для неоднородного участка

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.

Закон ома для неоднородного участка

Сопротивление

Сопротивление проводников и других веществ (полупроводников и диэлектриков) обусловлено тем, что заряженные частицы взаимодействуют (сталкиваются) с узлами кристаллической решетки и атомами разных примесей и дефектов, что приводит к торможению зарядов.

Наблюдения показали, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине L и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:

$ R = ρ * { L \over S } $ (5),

Рис. 2. Электрический ток I в металлическом цилиндрическом проводнике, длиной L, площадью S, электрическое поле E.

Единицей измерения сопротивления является Ом, равный:

$ = {\over } $ (6).

Единица измерения удельного сопротивления ρ показывает какое сопротивление имеет проводник длиной 1 метр с площадью поперечного сечения 1 м2. Удельные сопротивления всех известных материалов измерены и сведены в справочные таблицы.

Рис. 3. Пример справочной таблицы удельных проводимостей разных веществ

Значения ρ в справочных таблицах приводятся обычно для нормальной, температуры 20С, т.к. величина удельного сопротивления зависит от температуры внешней среды T, и описывается формулой:

$ ρ = ρ_0 * (1 + α * T) $ (7),

где: ρ — удельное сопротивление при 0K, α — температурный коэффициент сопротивления.

Где и когда можно применять закон Ома?

Нужна помощь в написании работы?

Узнать стоимость

Закон Ома в упомянутой форме справедлив в достаточно широких пределах для металлов. Он выполняется до тех пор, пока металл не начнет плавиться. Менее широкий диапазон применения у растворов (расплавов) электролитов и в сильно ионизированных газах (плазме).

Работая с электрическими схемами, иногда требуется определять падение напряжения на определенном элементе. Если это будет резистор с известной величиной сопротивления (она проставляется на корпусе), а также известен проходящий через него ток, узнать напряжение можно с помощью формулы Ома, не подключая вольтметр.

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.

Закон ома для неоднородного участка

Рис. 1. Источники постоянного тока, аккумуляторы, гальванические элементы, генераторы.

Классическая формулировка

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.

Закон ома для неоднородного участкаОсновные формулы

Для запоминания правил пользуются такой картинкой. Чтобы вычислить определенный параметр, закрывают соответствующий сегмент. Взаимное расположение оставшихся компонентов условно изобразит необходимую формулу.

Закон ома для неоднородного участкаТок, 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.

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).

Закон ома для неоднородного участка

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.

Закон Ома для переменного тока

Если в электроцепи имеется емкость или инертность, то этот факт следует однозначно учитывать при расчётах силы тока. Они имеют собственные показатели сопротивления, что приводит к ситуации, которая будет иметь переменный характер. В случае Закона Ома для переменного тока формула записывается следующим образом:

I = U/ Z, где

I – сила тока, U – напряжение, а Z – суммарное значение сопротивления на всех участках электрической цепи (этот параметр именуется еще, как импеданс).

Как говорилось изначально, закон Ома считается эмпирическим. Это обозначает то, что он может не всегда работать и выполнять вычисления на его основе не представляется возможным. Подобная ситуация может сложиться в нескольких случаях:

  • в ситуации, когда электросеть имеет высокую частоту и электромагнитное поле может сильно изменяться за короткие промежутки времени;
  • при наличии проводников, которые обладают свойствами сверхпроводимости, расположенных в условиях низких температурных показателей;
  • при перегреве проводника под воздействием проходящего по нему тока, отношение напряжения и сопротивления может носить переменный, неоднородный характер;
  • если проводник (диэлектрик) находится под высоким напряжением;
  • светодиодных лампах;
  • в полупроводниках и аналогичных устройствах.
Популярные статьи  Тяговый аккумулятор: особенности, назначение, виды

На основе этого закона, можно произвести вывод некоторых формул математическим путем. С их помощью можно производить разнообразные расчеты.

Вольтметр и амперметр

Определение 13

Применяются измерительные приборы для напряжения тока в электрических цепях, называемые вольтметрами и амперметрами.

Определение 14

Вольтметр измеряет разности потенциалов, приложенные к его клеммам.

Подключение к цепи производится параллельно. Каждый из приборов такого типа имеет внутреннее сопротивление RB. Чтобы перераспределение токов не было заметно, нужно проследить за тем, чтобы внутреннее сопротивление было больше, чем на участках подключаемой цепи. На рисунке 1.8.4 изображена такая цепь, тогда данное условие можно записать как RB≫R1.

Это означает, что ток IB=∆φcdRB, протекающий через вольтметр, меньше тока I=∆φcdR1, проходящего по заданному участку цепи.

Внутри прибора также не действуют сторонние силы, поэтому разность потенциалов его клемм совпадет со значением напряжения. Отсюда следует, что вольтметр измеряет напряжение.

Определение 15

Амперметр предназначается для измерения силы тока в цепи.

Его подключение к цепи производится последовательно для прохождения всего измеряемого тока. Внутреннее сопротивление прибора обозначается как RA. В отличие от вольтметра должно иметь малые значения относительно полного сопротивления цепи. На рисунке 1.8.4 показано, что сопротивление амперметра подходит к условию RA≪(r+R1+R2). При включении прибора ток в цепи не должен изменяться.

Измерительные приборы подразделяют на стрелочные и цифровые, последние из которых являются сложными электронными устройствами и способны давать максимально точные значения при измерении.

Рисунок 1.8.4. Включение амперметра (А) и вольтметра (В) в электрическую цепь.

Всё ещё сложно?
Наши эксперты помогут разобраться

Все услуги

Решение задач

от 1 дня / от 150 р.

Курсовая работа

от 5 дней / от 1800 р.

Реферат

от 1 дня / от 700 р.

Закон Ома для неоднородного участка цепи

При прохождении электрического тока в замкнутой цепи на свободные заряды действуют силы со стороны стационарного электрического поля и сторонние силы. При этом на отдельных участках этой цепи ток создается только стационарным электрическим полем. Такие участки цепи называются однородными. На некоторых участках этой цепи, кроме сил стационарного электрического поля, действуют и сторонние силы. Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным участком цепи.

Для того чтобы выяснить, от чего зависит сила тока на этих участках, необходимо уточнить понятие напряжения.

Рис. 1

Рассмотрим вначале однородный участок цепи (рис. 1, а). В этом случае работу по перемещению заряда совершают только силы стационарного электрического поля, и этот участок характеризуют разностью потенциалов . Разность потенциалов на концах участка

где AK — работа сил стационарного электрического поля. Неоднородный участок цепи (рис. 1, б) содержит в отличие от однородного участка источник ЭДС, и к работе сил электростатического поля на этом участке добавляется работа сторонних сил. По определению,

где q — положительный заряд, который перемещается между любыми двумя точками цепи; — разность потенциалов точек в начале и конце рассматриваемого участка;

Тогда говорят о напряжении для напряженности: Eстац.э.п. = Eэ/стат.п. + Eстор. Напряжение U на участке цепи представляет собой физическую скалярную величину, равную суммарной работе сторонних сил и сил электростатического поля по перемещению единичного положительного заряда на этом участке:

Из этой формулы видно, что в общем случае напряжение на данном участке цепи равно алгебраической сумме разности потенциалов и ЭДС на этом участке. Если же на участке действуют только электрические силы ( = 0), то

Таким образом, только для однородного участка цепи понятия напряжения и разности потенциалов совпадают.

Закон Ома для неоднородного участка цепи имеет вид:

где R — общее сопротивление неоднородного участка.

ЭДС может быть как положительной, так и отрицательной. Это связано с полярностью включения ЭДС в участок: если направление, создаваемое источником тока, совпадает с направлением тока, проходящего в участке (направление тока на участке совпадает внутри источника с направлением от отрицательного полюса к положительному), т.е. ЭДС способствует движению положительных зарядов в данном направлении, то > 0, в противном случае, если ЭДС препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то

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.

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.

Популярные статьи  Как подключить узо в однофазной сети

Закон ома для неоднородного участка

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.

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.

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.

Закон ома для неоднородного участка

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.

Закон Ома для неоднородного участка цепи

Физическая величина, равная отношению работы сторонних сил Aст при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника Eэдс:

$ E_{эдс} = {A_{cт}\over q} $ (1).

Таким образом, ЭДС равна работе, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа электростатического поля равна нулю, а работа сторонних сил равна сумме всех ЭДС, действующих в этой цепи.

Работа электростатических сил по перемещению единичного заряда равна разности потенциалов $ Δφ = φ_1 – φ_2 $ между начальной и конечной точками 1 и 2 неоднородного участка. Работа сторонних сил равна, по определению, электродвижущей силе Eэдс, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна:

$ U_п = φ_1 – φ_2 + E_{эдc} $ (2).

Величина Uп называется напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:

$ U_п = φ_1 – φ_2 $ (3).

Немецкий исследователь Георг Симон Ом в начале XIX века установил, что сила тока I, текущего по однородному проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

$ I = {U \over R} $ (4).

Закон ома для неоднородного участка

Рис. 2. Портрет Георга Ома.

Величина R — это электрическое сопротивление. Уравнение (4) выражает закон Ома для однородного участка цепи. Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующем виде:

$ U_п = I * R = φ_1 – φ_2 + E_{эдс} = Δ φ_{12} + E_{эдс}$ (5).

Данное уравнение называется обобщенным законом Ома для неоднородного участка цепи.

Закон Ома в интегральной форме

С дифференциального закона Ома можно непосредственно получить интегральный закон. Для этого умножим скалярно левую и правую части выражения на элементарную длину проводника (перемещение носителя тока), образовав соотношение

(1)

В (1) j*S n = И есть величина силы тока. Проинтегрируем (1) по участку круга L с точки 1 до точки 2

 (2)

В (2) выражение

(3)

есть сопротивление проводника, а — удельное сопротивление. Интеграл в правой части (2) является напряжение U на концах участка

. (4)

Окончательно из (2) — (4) имеем выражение для закона Ома в интегральной форме

(5)

который он установил экспериментально.

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.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

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