Закон Ома в электронных сигаретах
Закон Ома в электронных сигаретах
Вспоминаем школьный курс физики
Каждый вейпер должен понимать основные физические процессы, которые происходят в электронном испарителе при подаче напряжения. Не только ради безопасности, но и для того, чтобы эффективно использовать возможности устройства. Работа любого электронного испарителя строится на принципах закона Ома.
Закон Ома был открыт в 1826 году немецким физиком Георгом Омом. Открытие Ома впервые дало возможность количественно оценить явления электрического тока. Это открытие имело огромное значение для науки. Рассмотрим, как закон Ома применяется к электронным сигаретам.
Закон Ома — это физический закон, определяющий связь электрического напряжения с силой тока и сопротивлением проводника. Выглядит он следующим образом:
U = I x R,
где U — напряжение (измеряется в вольтах), I — сила тока (в амперах), R —сопротивление элементов цепи (изменяется в Омах).
Сила тока отражает скорость движения электрического заряда по проводнику (в нашем случае — спирали) и зависит от напряжения и сопротивления.
Напряжение аккумулятора — разность потенциалов между контактами батареи. Оно характеризует силу, с которой ток пойдет через спираль. Чем больше напряжение батареи, тем быстрее она отдает ток, тем быстрее нагреется спираль. Напряжение изменяется в зависимости от степени заряженности аккумулятора. В аккумуляторах 18650 напряжение находится в пределах от 4.2 В (заряженный) до 3.2 В (разряженный).
Сопротивление — это свойство спирали препятствовать прохождению электрического тока. Проще говоря, по спирали с низким сопротивлением тока пройдет больше, соответственно и нагреваться она будет быстрее и сильнее.
Для получения большого количества вкусного пара нам необходимо нагреть спираль, которая будет испарять жидкость. Важно, чтобы большой объем жидкости мог нагреваться и испаряться быстро — но не слишком быстро.
Иначе в какой-то момент с хлопка испарится вся жидкость, а новая не успеет пропитать фитиль, и он подгорит.
Сама схема работы испарителя довольна проста. Электронный испаритель, используя напряжение батареи (U), проводит ток (I) через спираль, преодолевая сопротивление (R), вследствие чего происходит нагрев спирали. Спираль, нагреваясь, испаряет жидкость, превращая ее в пар.
Сопротивление зависит от материала спирали, ее диаметра и длины. Спираль может быть выполнена из таких материалов, как фехраль (кантал), нихром, никель, титан, нержавеющая сталь.
Фехраль (FeCrAl), или кантал — это сплав железа, хрома и алюминия. Нихром (nichrome) — общее название группы сплавов, которые состоят из никеля и хрома. Проволоки из фехрали и нихрома обладают высоким удельным электрическим сопротивлением при минимальном температурном коэффициенте, то есть нагреваются довольно быстро, почти не меняя своего сопротивления. Благодаря этому кантал и нихром широко применяются в качестве материала для спиралей.
Мы уже говорили, что по спирали с низким сопротивлением пройдет больше тока, поэтому нагреется она сильнее. Очевидно, что чем меньше диаметр используемой проволоки, тем выше сопротивление, и наоборот, чем диаметр проволоки больше, тем сопротивление ниже. Также на сопротивление спирали влияет и общая длина проводника, в нашем случае это количество витков спирали. Чем больше витков, тем сопротивление выше, и наоборот.
Каждый вейпер должен понимать процессы, которые происходят в электронном испарителе. Это обеспечит не только безопасность, но и получение максимального удовольствия от парения.
zakon-oma.ru — Викиреальность
Логотип сайта
zakon-oma.ru («Закон Ома») — интернет-сайт, посвященный закону Ома. Озаглавлен: «Закон Ома. Формула Закона Ома».
Содержание
|
Общая информация
Сайт посвящен изложению закона Ома во всевозможных вариантах и формулировках.
Заглавная содержит информацию о законе Ома в его классической общеизвестной форме.
В правом сайдбаре, озаглавленном «Законы Ома», приведены ссылки на страницы с другими версиями и формулировками закона Ома: Закон Ома для участка цепи, Закон Ома для полной цепи, Закон Ома в дифференциальной форме, Закон Ома для замкнутой цепи, Закон Ома для однородного участка цепи, Закон Ома для неоднородного участка цепи, Закон Ома в интегральной форме, Закон Ома для магнитной цепи, Закон Ома для переменного тока, Закон Ома в комплексной форме, а также ссылки на связанные статьи: Георг Симон Ом (с биографией автора закона), Закон Кирхгофа и Единицы измерения. Страница «Единицы измерения» описывает единицу измерения сопротивления — Ом и говорит о приборе, его измеряющем — омметре.
В шапку страниц сайта вынесен логотип, состоящий из стилизованного названия сайта.
Страницы сайта содержат иллюстрации и формулы в виде картинок.
На сайте в виде pdf-файла выложен ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений» об единицах измерения, принятых в России.
Выходные данные
Домен zakon-oma.ru был зарегистрирован 4 февраля 2017 года на
В подвале страниц присутствует надпись «Копировать информацию с сайта Закон Ома можно только с активной ссылкой».
Рейтинги и награды
На сайте есть счетчик от Яндекс.Метрика.
Сайт имеет ИКС (бывший тематический индекс цитирования) от Яндекса, равный 110.[2]
Согласно рейтингу от Alexa Rank — у сайта 799,468-е место по посещаемости в мире и 90 079-е место по России (на 12 ноября 2018 года).[3]. По оценке alexa.com, 49,8 % трафика поступает на сайт из России; 3,5 % — из Казахстана; 2,6 % — из Украины; 1,7 % — из Белоруссии.
Разное
Сайт доступен по HTTPS. На страницах сайта присутствуют рекламные баннеры от Google Adsense.
Примечания
- ↑ https://www.nic.ru/whois/?query=zakon-oma.ru
- ↑ https://webmaster.yandex.ru/tic/zakon-oma.ru/
- ↑ https://www.
alexa.com/siteinfo/zakon-oma.ru
alexa.com/siteinfo/zakon-oma.ruСсылки
- Закон Ома
| ||||||||||||||||
top • nanoworld88Сопротивление и закон Ома – Физические науки
Закон Ома
Закон Ома гласит, что ток пропорционален напряжению; цепи являются омическими, если они подчиняются соотношению V=IR.
Цели обучения
Контрастная форма графиков ток-напряжение для омических и неомических цепей
Основные выводы
Ключевые моменты
- Напряжение вызывает ток, а сопротивление препятствует ему.
- Закон Ома относится к пропорциональному отношению между напряжением и током. Это также относится к конкретному уравнению V = IR, которое справедливо при рассмотрении цепей, содержащих простые резисторы (сопротивление которых не зависит от напряжения и тока).
- Цепи или компоненты, которые подчиняются соотношению V=IR, известны как омические и имеют графики зависимости тока от напряжения, которые являются линейными и проходят через начало координат.
- Имеются неомические компоненты и цепи; их графики ВАХ нелинейны и/или не проходят через начало координат.
Это также относится к конкретному уравнению V = IR, которое справедливо при рассмотрении цепей, содержащих простые резисторы (сопротивление которых не зависит от напряжения и тока).Ключевые термины
- простая схема : Цепь с одним источником напряжения и одним резистором.
- омический : То, что подчиняется закону Ома.
Закон Ома
Что вызывает ток? Мы можем думать о различных устройствах, таких как батареи, генераторы, настенные розетки и т. д., которые необходимы для поддержания тока. Все такие устройства создают разность потенциалов и в широком смысле называются источниками напряжения.
Когда источник напряжения подключен к проводнику, он применяет разность потенциалов V, которая создает электрическое поле. Электрическое поле, в свою очередь, воздействует на заряды, вызывая ток. Ток, протекающий через большинство веществ, прямо пропорционален приложенному к нему напряжению V. Немецкий физик Георг Симон Ом (1787-1854) первым экспериментально продемонстрировал, что сила тока в металлической проволоке прямо пропорциональна приложенному напряжению: [latex]\text{I} \propto \text{V}[/latex ].
Это важное соотношение известно как закон Ома. Его можно рассматривать как причинно-следственную связь, где напряжение является причиной, а ток — следствием. Это эмпирический закон, аналогичный закону трения — экспериментально наблюдаемому явлению. Такая линейная зависимость не всегда имеет место. Напомним, что в то время как напряжение управляет током, сопротивление препятствует ему. Столкновения движущихся зарядов с атомами и молекулами в веществе передают энергию веществу и ограничивают ток.
Таким образом, ток обратно пропорционален сопротивлению: [latex]\text{I} \propto \frac{1}{\text{R}}[/latex].
Простая цепь : Простая электрическая цепь, в которой замкнутый путь для протекания тока обеспечивается проводниками (обычно металлическими проводами), соединяющими нагрузку с клеммами батареи, представленными красными параллельными линиями. Зигзагообразный символ представляет одиночный резистор и включает любое сопротивление в соединениях с источником напряжения.
Единицей измерения сопротивления является ом, где 1 Ом = 1 В/А. Мы можем объединить два приведенных выше соотношения, чтобы получить I = V/R. Эту зависимость также называют законом Ома. В этой форме закон Ома действительно определяет сопротивление для определенных материалов. Закон Ома (как и закон Гука) не является универсальным. Многие вещества, для которых выполняется закон Ома, называются омическими. К ним относятся хорошие проводники, такие как медь и алюминий, и некоторые плохие проводники при определенных обстоятельствах.
Омические материалы имеют сопротивление R, не зависящее от напряжения V и тока I. Предмет, имеющий простое сопротивление, называется резистором, даже если его сопротивление мало.
Падение напряжения : Падение напряжения на резисторе в простой цепи равно выходному напряжению батареи.
Дополнительную информацию можно получить, решив I=V/R относительно V, что даст V=IR. Это выражение для V можно интерпретировать как падение напряжения на резисторе, вызванное протеканием тока I. Для этого напряжения часто используется фраза IR-падение. Если измерять напряжение в различных точках цепи, будет видно, что оно увеличивается на источнике напряжения и уменьшается на резисторе. Напряжение аналогично давлению жидкости. Источник напряжения подобен насосу, создающему перепад давления, вызывающему ток — поток заряда. Резистор подобен трубе, которая снижает давление и ограничивает поток из-за своего сопротивления. Сохранение энергии имеет здесь важные последствия. Источник напряжения поставляет энергию (вызывая электрическое поле и ток), а резистор преобразует ее в другую форму (например, в тепловую энергию).
В простой схеме (одна с одним простым резистором) напряжение, подаваемое источником, равно падению напряжения на резисторе, поскольку E = qΔV, и через каждый протекает одно и то же q. Таким образом, энергия, подаваемая источником напряжения, и энергия, преобразуемая резистором, равны.
В истинно омическом устройстве одно и то же значение сопротивления будет рассчитываться из R = V/I независимо от значения приложенного напряжения V. То есть отношение V/I постоянно, и когда ток изображается как функция напряжения кривая линейна (прямая линия). Если напряжение форсируется до некоторого значения V, то это напряжение V, деленное на измеренный ток I, будет равно R. Или, если ток форсируется до некоторого значения I, то измеренное напряжение V, деленное на этот ток I, также равно R. Мы визуализируем график зависимости I от V в виде прямой линии. Однако есть компоненты электрических цепей, которые не подчиняются закону Ома; то есть их связь между током и напряжением (их ВАХ) является нелинейной (или неомической).
Примером может служить диод с p-n переходом.
Кривые вольтамперной характеристики : Кривые ВАХ четырех устройств: двух резисторов, диода и батареи. Два резистора подчиняются закону Ома: график представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Два других устройства не подчиняются закону Ома.
Закон Ома : Краткий обзор закона Ома.
Температура и сверхпроводимость
Сверхпроводимость — это явление нулевого электрического сопротивления и выброса магнитных полей в некоторых материалах ниже критической температуры.
Цели обучения
Описать поведение сверхпроводника при температуре ниже критической и в слабом внешнем магнитном поле
Основные выводы
Ключевые моменты
- Сверхпроводимость является термодинамической фазой и обладает определенными отличительными свойствами, которые в значительной степени независимы микроскопических деталей.
- В сверхпроводящих материалах характеристики сверхпроводимости проявляются при понижении температуры ниже критической. Возникновение сверхпроводимости сопровождается резкими изменениями различных физических свойств.
- Когда сверхпроводник помещается в слабое внешнее магнитное поле H и охлаждается ниже его температуры перехода, магнитное поле выбрасывается.
- Сверхпроводники способны поддерживать ток без приложенного напряжения.
Ключевые термины
- высокотемпературные сверхпроводники : Материалы, которые ведут себя как сверхпроводники при необычно высоких температурах (выше примерно 30 К).
- критическая температура : В сверхпроводящих материалах характеристики сверхпроводимости проявляются при этой температуре (и продолжаются ниже).
- сверхпроводимость : Свойство материала, при котором он не оказывает сопротивления потоку электрического тока.
Сверхпроводимость — это явление абсолютно нулевого электрического сопротивления и выброса магнитных полей, происходящее в некоторых материалах при охлаждении ниже характерной критической температуры.
Он был обнаружен Хайке Камерлинг-Оннесом (показан на фото) 8 апреля 1911 года в Лейдене.
Хайке Камерлинг-Оннес : Хайке Камерлинг-Оннес (1853-1819 гг.)26).
Большинство физических свойств сверхпроводников различаются от материала к материалу, например, теплоемкость и критическая температура, критическое поле и критическая плотность тока, при которых сверхпроводимость разрушается. С другой стороны, существует класс свойств, не зависящих от основного материала. Например, все сверхпроводники имеют точно нулевое удельное сопротивление для низких приложенных токов, когда нет магнитного поля или если приложенное поле не превышает критического значения. Существование этих «универсальных» свойств подразумевает, что сверхпроводимость является термодинамической фазой и, таким образом, обладает определенными отличительными свойствами, которые в значительной степени не зависят от микроскопических деталей.
В сверхпроводящих материалах характеристики сверхпроводимости проявляются, когда температура T опускается ниже критической температуры T c .
Возникновение сверхпроводимости сопровождается резкими изменениями различных физических свойств — отличительной чертой фазового перехода. Например, электронная теплоемкость пропорциональна температуре в обычном (несверхпроводящем) режиме. При сверхпроводящем переходе она претерпевает прерывистый скачок и после этого перестает быть линейной, как показано на рис. 9.0005
Когда сверхпроводник помещается в слабое внешнее магнитное поле H и охлаждается ниже температуры его перехода, магнитное поле выбрасывается. Эффект Мейснера не приводит к полному выбросу поля. Скорее поле проникает в сверхпроводник на очень небольшое расстояние (характеризуемое параметром λ), называемое лондоновской глубиной проникновения. Он экспоненциально затухает до нуля внутри объема материала. Эффект Мейснера является определяющей характеристикой сверхпроводимости. Для большинства сверхпроводников лондоновская глубина проникновения составляет порядка 100 нм.
Сверхпроводящий фазовый переход : Поведение теплоемкости (cv, синий) и удельного сопротивления (ρ, зеленый) при сверхпроводящем фазовом переходе.
Сверхпроводники также способны поддерживать ток без какого-либо приложенного напряжения — свойство, используемое в сверхпроводящих электромагнитах, например, в аппаратах МРТ. Эксперименты показали, что токи в сверхпроводящих катушках могут сохраняться годами без какого-либо заметного ухудшения. Экспериментальные данные указывают на текущую продолжительность жизни не менее 100 000 лет. Теоретические оценки времени жизни постоянного тока могут превышать расчетное время жизни Вселенной, в зависимости от геометрии проволоки и температуры.
Значение этой критической температуры зависит от материала. Обычно обычные сверхпроводники имеют критические температуры в диапазоне от примерно 20 К до менее 1 К. Например, твердая ртуть имеет критическую температуру 4,2 К. По состоянию на 2009 г. самая высокая критическая температура, обнаруженная для обычного сверхпроводника, составляет 39 К для магния. диборид (MgB 2 ), хотя экзотические свойства этого материала вызывают сомнения в правильности отнесения его к «обычным» сверхпроводникам.
Высокотемпературные сверхпроводники могут иметь гораздо более высокие критические температуры. Например, YBa 2 Cu 3 O 7 , один из первых открытых купратных сверхпроводников, имеет критическую температуру 92 К; были обнаружены купраты на основе ртути с критическими температурами выше 130 К. Следует отметить, что химический состав и кристаллическая структура сверхпроводящих материалов могут быть довольно сложными, как показано на рис. Ячейка сверхпроводника YBaCuO. Атомы обозначены разными цветами.
Сопротивление и удельное сопротивление
Сопротивление и удельное сопротивление описывают степень, в которой объект или материал препятствует прохождению электрического тока.
Цели обучения
Определить свойства материала, описываемые сопротивлением и удельным сопротивлением
Ключевые выводы
Ключевые моменты
- Сопротивление объекта (например, резистора) зависит от его формы и материала, из которого он изготовлен. он составлен.
- Удельное сопротивление ρ является внутренним свойством материала и прямо пропорционально общему сопротивлению R, внешней величине, которая зависит от длины и площади поперечного сечения резистора.
- Удельное сопротивление различных материалов сильно различается. Точно так же резисторы варьируются на много порядков.
- Резисторы расположены последовательно или параллельно. Эквивалентное сопротивление сети резисторов, соединенных последовательно, равно сумме всех сопротивлений. Инверсия эквивалентного сопротивления сети резисторов, соединенных параллельно, представляет собой сумму инверсий сопротивления каждого резистора.
он составлен.Основные термины
- 9Эквивалентное сопротивление серии 0028 : Сопротивление сети резисторов, расположенных таким образом, что напряжение в сети является суммой напряжений на каждом резисторе. В этом случае эквивалентное сопротивление представляет собой сумму сопротивлений всех резисторов в сети.
- параллельное эквивалентное сопротивление : сопротивление сети, при которой на каждый резистор действует одна и та же разность потенциалов (напряжение), так что токи через них складываются. В этом случае обратное эквивалентное сопротивление равно сумме обратного сопротивления всех резисторов в сети.
- удельное сопротивление : Как правило, сопротивление материала электрическому току; в частности, степень сопротивления материала потоку электричества.
Сопротивление и удельное сопротивление
Сопротивление — это электрическое свойство, препятствующее прохождению тока. Ток, протекающий по проводу (или резистору), подобен воде, протекающей по трубе, а падение напряжения на проводе подобно падению давления, проталкивающему воду по трубе. Сопротивление пропорционально тому, какое давление требуется для достижения данного потока, а проводимость пропорциональна тому, какой поток возникает при данном давлении. Проводимость и сопротивление обратны.
Сопротивление объекта зависит от его формы и материала, из которого он состоит. Цилиндрический резистор легко анализировать, и таким образом мы можем получить представление о сопротивлении более сложных форм. Как и следовало ожидать, электрическое сопротивление цилиндра R прямо пропорционально его длине L, аналогично сопротивлению трубы потоку жидкости. Чем длиннее цилиндр, тем больше столкновений зарядов с его атомами произойдет. Чем больше диаметр цилиндра, тем больший ток он может пропускать (опять же, аналогично потоку жидкости по трубе). На самом деле, R обратно пропорционально площади поперечного сечения цилиндра A.
Цилиндрический резистор : однородный цилиндр длиной L и площадью поперечного сечения A. Его сопротивление потоку тока аналогично сопротивлению, оказываемому трубой потоку жидкости. Чем длиннее цилиндр, тем больше его сопротивление. Чем больше его площадь поперечного сечения А, тем меньше его сопротивление.
Как уже упоминалось, для данной формы сопротивление зависит от материала, из которого состоит объект.
Различные материалы оказывают различное сопротивление потоку заряда. Определим удельное сопротивление ρ вещества так, чтобы сопротивление R объекта было прямо пропорционально ρ. Удельное сопротивление ρ составляет внутреннее свойство материала, не зависящее от его формы или размера. Напротив, сопротивление R является внешним свойством, которое зависит от размера и формы резистора. (Аналогичная внутренняя/внешняя связь существует между теплоемкостью C и удельной теплоемкостью c). Напомним, что объект, сопротивление которого пропорционально напряжению и току, называется резистором.
Типовой резистор : Типовой резистор с осевым выводом.
Что определяет удельное сопротивление? Удельное сопротивление различных материалов сильно различается. Например, проводимость тефлона примерно в 1030 раз ниже проводимости меди. Почему такая разница? Грубо говоря, металл имеет большое количество «делокализованных» электронов, которые не застревают в одном месте, а свободно перемещаются на большие расстояния, тогда как в изоляторе (например, в тефлоне) каждый электрон прочно связан с одним атомом, и требуется большая сила, чтобы вытащить его.
Точно так же резисторы варьируются на много порядков. Некоторые керамические изоляторы, например те, которые используются для поддержки линий электропередач, имеют сопротивление 10 12 Ом или больше. У сухого человека сопротивление руки к ноге может составлять 10 5 Ом, тогда как сопротивление человеческого сердца составляет около 10 3 Ом. Метровый отрезок медного провода большого диаметра может иметь сопротивление 10 −5 Ом, а сверхпроводники вообще не имеют сопротивления (они неомические). Разность потенциалов (напряжение) в сети представляет собой сумму этих напряжений, поэтому общее сопротивление (эквивалентное последовательное сопротивление) можно найти как сумму этих сопротивлений:
[латекс] \ text {R} _ {\ text {eq}} = \ text {R} _ {1} + \ text {R} _ {2} + \ cdots + \ text {R} _ {\ текст{N}}[/латекс].
Как частный случай, сопротивление N резисторов, соединенных последовательно, каждый из которых имеет одинаковое сопротивление R, определяется как NR.
Резисторы в параллельной конфигурации имеют одинаковую разность потенциалов (напряжение), однако токи через них Добавить. Таким образом, можно рассчитать эквивалентное сопротивление (Req) сети:
[латекс]\frac{1}{\text{R}_{\text{eq}}}=\frac{1}{\text{R }_{1}}+\frac{1}{\text{R}_{2}}+\cdots +\frac{1}{\text{R}_{\text{N}}}[/latex ].
Параллельное эквивалентное сопротивление может быть представлено в уравнениях двумя вертикальными линиями «||» (как в геометрии) в упрощенном виде. Иногда вместо «||» используются две косые черты «//», если в клавиатуре или шрифте отсутствует символ вертикальной линии. Для случая двух параллельных резисторов это можно рассчитать, используя:
[латекс]\текст{R}_{\text{eq}}=\text{R}_{1}\parallel\text{R} _{2}=\frac{\text{R}_{1}\text{R}_{2}}{\text{R}_{1}+\text{R}_{2}}[/ латекс].
Как частный случай, сопротивление N резисторов, соединенных параллельно, каждый из которых имеет одинаковое сопротивление R, выражается как R/N. Сеть резисторов, представляющая собой комбинацию параллельных и последовательных соединений, может быть разбита на более мелкие части, которые являются либо одним, либо другим, как показано на рис.
9.0005
Резисторная сеть : В этой комбинированной схеме цепь может быть разбита на последовательный и параллельный компоненты.
Однако некоторые сложные цепи резисторов не могут быть разрешены таким образом. Они требуют более сложного анализа схемы. Одним из практических применений этих соотношений является то, что нестандартное значение сопротивления обычно может быть синтезировано путем последовательного или параллельного соединения ряда стандартных значений. Это также можно использовать для получения сопротивления с более высокой номинальной мощностью, чем у отдельных используемых резисторов. В частном случае N одинаковых резисторов, соединенных последовательно или параллельно, номинальная мощность отдельных резисторов умножается на N.
Сопротивление, резисторы и удельное сопротивление : Краткий обзор сопротивления, резисторов и удельного сопротивления.
Зависимость сопротивления от температуры
Удельное сопротивление и сопротивление зависят от температуры с линейной зависимостью при малых изменениях температуры и нелинейной при больших.
Цели обучения
Сравнение температурной зависимости удельного сопротивления и сопротивления при больших и малых изменениях температуры
Ключевые выводы
Ключевые моменты
- При изменении температуры на 100ºC или менее удельное сопротивление (ρ) зависит от изменения температуры ΔT следующим образом: [латекс]\text{p} = \text{p}_{0}(1 + \alpha \ Delta \text{T})[/latex] где ρ 0 — исходное удельное сопротивление, а α — температурный коэффициент удельного сопротивления.
- При больших изменениях температуры наблюдается нелинейное изменение удельного сопротивления в зависимости от температуры.
- Сопротивление объекта демонстрирует такую же температурную зависимость, как и удельное сопротивление, поскольку сопротивление прямо пропорционально удельному сопротивлению.
Ключевые термины
- удельное сопротивление : Обычно сопротивление материала электрическому току; в частности, степень сопротивления материала потоку электричества.
- температурный коэффициент удельного сопротивления : Эмпирическая величина, обозначаемая α, которая описывает изменение сопротивления или удельного сопротивления материала в зависимости от температуры.
- полупроводник : Вещество с электрическими свойствами, промежуточными между хорошим проводником и хорошим изолятором.
Удельное сопротивление всех материалов зависит от температуры. Некоторые материалы могут стать сверхпроводниками (нулевое удельное сопротивление) при очень низких температурах (см. ). И наоборот, удельное сопротивление проводников увеличивается с повышением температуры. Поскольку атомы вибрируют быстрее и преодолевают большие расстояния при более высоких температурах, электроны, движущиеся через металл, например, создают больше столкновений, что фактически увеличивает удельное сопротивление.
При относительно небольших изменениях температуры (около 100ºC или менее) удельное сопротивление ρ зависит от изменения температуры ΔT, как это выражается в следующем уравнении:
Сопротивление образца ртути : Сопротивление образца ртути равно нулю при очень низких температурах — это сверхпроводник примерно до 4,2 К. Выше этой критической температуры его сопротивление делает резкий скачок, а затем увеличивается почти до линейно с температурой.
[латекс]\текст{р} = \текст{р}_{0}(1 + \альфа \Дельта \текст{Т})[/латекс]
где ρ 0 – исходное удельное сопротивление и α – температурный коэффициент удельного сопротивления. Для больших изменений температуры α может варьироваться, или может потребоваться нелинейное уравнение для нахождения ρ. По этой причине обычно указывается суффикс для температуры, при которой измерялось вещество (например, α 15 ), и соотношение сохраняется только в диапазоне температур, близких к контрольному.
Обратите внимание, что α положителен для металлов, что означает, что их удельное сопротивление увеличивается с температурой. Температурный коэффициент обычно составляет от +3×10 –3 К –1 до +6×10 –3 К –1 для металлов с температурой, близкой к комнатной. Некоторые сплавы были разработаны специально, чтобы иметь небольшую температурную зависимость. Манганин (состоящий из меди, марганца и никеля), например, имеет α, близкую к нулю, поэтому его удельное сопротивление мало зависит от температуры. Это полезно, например, для создания эталона сопротивления, не зависящего от температуры.
Обратите внимание, что для полупроводников α отрицательно, а это означает, что их удельное сопротивление уменьшается с повышением температуры. Они становятся лучшими проводниками при более высокой температуре, потому что повышенное тепловое возбуждение увеличивает количество свободных зарядов, доступных для переноса тока. Это свойство уменьшения ρ с температурой также связано с типом и количеством примесей, присутствующих в полупроводниках.
Сопротивление объекта также зависит от температуры, так как R 0 прямо пропорционально ρ. Для цилиндра мы знаем, что R=ρL/A, поэтому, если L и A не сильно изменяются с температурой, R будет иметь ту же температурную зависимость, что и ρ. (Исследование коэффициентов линейного расширения показывает, что они примерно на два порядка меньше типичных температурных коэффициентов удельного сопротивления, и поэтому влияние температуры на L и А примерно на два порядка меньше, чем на ρ.) Таким образом,
[латекс]\текст{R} = \текст{R}_{0}(1 + \альфа \Дельта \текст{Т})[/латекс]
— зависимость сопротивления объекта от температуры, где R 0 — исходное сопротивление, а R — сопротивление после изменения температуры T. Многие термометры основаны на влиянии температуры на сопротивление (см. ). Одним из наиболее распространенных является термистор, полупроводниковый кристалл с сильной температурной зависимостью, сопротивление которого измеряется для получения его температуры.
Устройство маленькое, поэтому быстро приходит в тепловое равновесие с той частью тела, к которой прикасается.
Термометры : Эти известные термометры основаны на автоматизированном измерении сопротивления термистора в зависимости от температуры.
Закон Ома: сопротивление и простые цепи
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Объяснить происхождение закона Ома.
- Расчет напряжения, тока или сопротивления по закону Ома.
- Объясните, что такое омический материал.
- Опишите простую схему.
Что движет током? Мы можем думать о различных устройствах, таких как батареи, генераторы, настенные розетки и т. д., которые необходимы для поддержания тока. Все такие устройства создают разность потенциалов и в широком смысле называются источниками напряжения. Когда источник напряжения подключен к проводнику, он прикладывает разность потенциалов В , которая создает электрическое поле.
Электрическое поле, в свою очередь, воздействует на заряды, вызывая ток.
Закон Ома
Ток, протекающий через большинство веществ, прямо пропорционален приложенному к нему напряжению В . Немецкий физик Георг Симон Ом (1787–1854) первым экспериментально продемонстрировал, что ток в металлической проволоке прямо пропорционален приложенному напряжению :
[латекс]I\propto{V}\\[/latex ].
Это важное соотношение известно как закон Ома . Его можно рассматривать как причинно-следственную связь, где напряжение является причиной, а ток — следствием. Это эмпирический закон, аналогичный закону трения — экспериментально наблюдаемому явлению. Такая линейная зависимость не всегда имеет место.
Сопротивление и простые схемы
Если напряжение управляет током, что этому препятствует? Электрическое свойство, препятствующее току (грубо похожее на трение и сопротивление воздуха), называется сопротивлением R .
Столкновения движущихся зарядов с атомами и молекулами в веществе передают энергию веществу и ограничивают ток. Сопротивление определяется как обратно пропорциональное току, или
[латекс]I\propto \frac{1}{R}\\[/латекс].
Таким образом, например, ток уменьшается вдвое, если сопротивление удваивается. Сочетание отношений тока к напряжению и тока к сопротивлению дает
[латекс]I=\frac{V}{R}\\[/латекс].
Это соотношение также называют законом Ома. Закон Ома в этой форме действительно определяет сопротивление для определенных материалов. Закон Ома (как и закон Гука) не является универсальным. Многие вещества, для которых выполняется закон Ома, называются омическими . К ним относятся хорошие проводники, такие как медь и алюминий, и некоторые плохие проводники при определенных обстоятельствах. Омические материалы имеют сопротивление R , который не зависит от напряжения В и тока I . Объект, имеющий простое сопротивление, называется резистором , даже если его сопротивление невелико.
Единицей измерения сопротивления является 90 185 Ом 90 186 и дается символ Ω (греческая омега в верхнем регистре). Преобразование I = V/R дает R = V/I , поэтому единицами сопротивления являются 1 Ом = 1 вольт на ампер:
[латекс]1 \Omega=1\frac{V}{ А}\\[/латекс].
На рис. 1 показана схема простой цепи. Простая схема имеет один источник напряжения и один резистор. Провода, соединяющие источник напряжения с резистором, можно считать имеющими пренебрежимо малое сопротивление, или их сопротивление можно включить в R .
Рисунок 1. Простая электрическая цепь, в которой замкнутый путь для протекания тока обеспечивается проводниками (обычно металлическими проводами), соединяющими нагрузку с клеммами батареи, представленными красными параллельными линиями. Зигзагообразный символ представляет одиночный резистор и включает любое сопротивление в соединениях с источником напряжения.
Пример 1. Расчет сопротивления: автомобильная фара
Каково сопротивление автомобильной фары, через которую протекает ток 2,50 А при подаче на нее напряжения 12,0 В?
Стратегия Мы можем преобразовать закон Ома в формулу I = V/R и использовать его для нахождения сопротивления.
Перестановка I = V/R и подстановка известных значений дает
[латекс]R=\frac{V}{I}=\frac{\text{12}\text{.}\ text{0 V}}{2\text{.}\text{50 A}}=\text{4}\text{.}\text{80 \Omega }\\[/latex].
ОбсуждениеЭто относительно небольшое сопротивление, но оно больше морозостойкости фары. Как мы увидим в разделе «Сопротивление и удельное сопротивление», сопротивление обычно увеличивается с температурой, поэтому лампочка имеет более низкое сопротивление при первом включении и будет потреблять значительно больший ток в течение короткого периода прогрева.
Диапазон сопротивлений превышает многие порядки. Некоторые керамические изоляторы, например те, которые используются для поддержки линий электропередач, имеют сопротивление 10 12 Ом или больше. У сухого человека сопротивление руки к ноге может составлять 10 5 Ом, тогда как сопротивление человеческого сердца составляет около 10 3 Ом.
Метровый отрезок медного провода большого диаметра может иметь сопротивление 10 −5 Ом, а сверхпроводники вообще не имеют сопротивления (они неомические). Сопротивление связано с формой объекта и материалом, из которого он состоит, как будет показано в разделе «Сопротивление и удельное сопротивление». Дополнительную информацию можно получить, решив I = V/R для В , что дает
В = IR
Это выражение для В можно интерпретировать как падение напряжения на резисторе, создаваемое протеканием тока 6 I Для этого напряжения часто используется фраза IR drop . Например, фара в примере 1 выше имеет падение IR 12,0 В. Если измерить напряжение в различных точках цепи, будет видно, что оно увеличивается на источнике напряжения и уменьшается на резисторе. Напряжение аналогично давлению жидкости. Источник напряжения подобен насосу, создающему перепад давления, вызывающему ток — поток заряда.
Резистор подобен трубе, которая снижает давление и ограничивает поток из-за своего сопротивления. Сохранение энергии имеет здесь важные последствия. Источник напряжения поставляет энергию (вызывая электрическое поле и ток), а резистор преобразует ее в другую форму (например, в тепловую энергию). В простой цепи (с одним простым резистором) напряжение, подаваемое источником, равно падению напряжения на резисторе, поскольку PE = q Δ V , и через каждый протекает один и тот же q . Таким образом, энергия, подаваемая источником напряжения, и энергия, преобразуемая резистором, равны. (См. рис. 2.)
Рис. 2. Падение напряжения на резисторе в простой цепи равно выходному напряжению батареи.
Соединения: сохранение энергии В простой электрической цепи единственный резистор преобразует энергию, поступающую от источника, в другую форму. О сохранении энергии здесь свидетельствует тот факт, что вся энергия, подаваемая источником, преобразуется в другую форму одним только резистором.
Мы обнаружим, что закон сохранения энергии имеет и другие важные применения в цепях и является мощным инструментом анализа цепей.
Посмотрите, как формула закона Ома соотносится с простой цепью. Отрегулируйте напряжение и сопротивление и посмотрите, как изменится ток в соответствии с законом Ома. Размеры символов в уравнении изменяются в соответствии с принципиальной схемой.
Нажмите, чтобы запустить симуляцию.
Резюме раздела
- Простая цепь — это цепь, в которой есть один источник напряжения и одно сопротивление.
- Одно из утверждений закона Ома дает отношение между током I , напряжением В и сопротивлением R в простой цепи [латекс]I=\frac{V}{R}\\[/latex] .
- Сопротивление выражается в омах (Ом) и относится к вольтам и амперам как 1 Ом = 1 В/А.
- Падение напряжения или IR на резисторе, вызванное протеканием через него тока, определяется выражением В = IR .
Концептуальные вопросы
- Падение IR на резисторе означает изменение потенциала или напряжения на резисторе. Изменяется ли ток при прохождении через резистор? Объяснять.
- Чем падение IR на резисторе похоже на падение давления в жидкости, протекающей по трубе?
Задачи и упражнения
1. Какой ток протекает через лампу фонарика на 3,00 В, если ее сопротивление в горячем состоянии равно 3,60 Ом?
2. Рассчитайте эффективное сопротивление карманного калькулятора с батареей на 1,35 В, через который протекает ток 0,200 мА.
3. Каково эффективное сопротивление стартера автомобиля, когда через него протекает ток 150 А, когда автомобильный аккумулятор подает на двигатель напряжение 11,0 В?
4. Какое напряжение подается на световой индикатор DVD-плеера с сопротивлением 140 Ом, если через него проходит ток 25,0 мА?
5. а) Найдите падение напряжения в удлинителе с сопротивлением 0,0600 Ом, по которому протекает ток 5,00 А.
(b) Более дешевый шнур использует более тонкую проволоку и имеет сопротивление 0,300 Ом. Каково падение напряжения в нем при протекании 5,00 А? в) Почему напряжение любого используемого электроприбора уменьшается на эту величину? Каково влияние на прибор?
6. Линия электропередачи подвешена к металлическим опорам со стеклянными изоляторами сопротивлением 1,00×10 9 Ом. Какой ток протекает через изолятор, если напряжение равно 200 кВ? (Некоторые высоковольтные линии постоянного тока.)
Глоссарий
- Закон Ома:
- эмпирическое соотношение, утверждающее, что ток I пропорционален разности потенциалов В , ∝ В ; его часто записывают как I = V/R , где R это сопротивление
- сопротивление:
- электрическое свойство, препятствующее току; для омических материалов это отношение напряжения к току, R = V/I
- Ом:
- единица сопротивления, определяемая как 1 Ом = 1 В/А
- Омический:
- тип материала, для которого действует закон Ома
- простая схема:
- схема с одним источником напряжения и одним резистором
Выбранные решения проблем и упражнений
1.