Закон ома как звучит: Закон постоянного тока. Закон Ома

Основные электрические законы. Применение закона ома на практике

Закон Ома
Немецкий физик Георг Ом (1787 -1854) экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорционально напряжению U на концах проводника:

I = U/R, (1)

где R – .
Уравнение (1) выражает закон Ома для участка цепи (не содержащего источника тока): сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорционально сопротивлению проводника.
Участок цепи, в котором не действуют э.д.с. (сторонние силы) называют однородным участком цепи, поэтому эта формулировка закона Ома справедлива для однородного участка цепи.
Подробнее смотрите здесь:
Теперь рассмотрим неоднородный участок цепи, где действующую э.д.с. на участке 1 – 2 обозначим через Ε12, а приложенную на концах участка – через φ1 – φ2.
Если ток проходит по неподвижным проводникам, образующим участок 1-2, то работа A12 всех сил (сторонних и электростатических), совершаемая над носителями тока, по равна теплоте, выделяющейся на участке. Работа сил, совершаемая при перемещении заряда Q0 на участке 1- 2:

A12 = Q0E12 + Q0(φ1 – φ2) (2)

Э.д.с. E12, как и I, – величина скалярная. Её необходимо брать либо с положительным, либо с отрицательным знаком в зависимости от знака работы, совершаемой сторонними силами. Если е.д.с. способствует движению положительных зарядов в выбранном направлении (в направлении 1-2), то E12 > 0. Если э.д.с. препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то E12 За время t в проводнике выделяется теплота:

Q =I 2 Rt = IR(It) = IRQ0 (3)

Из формул (2) и (3) получим:

IR = (φ1 – φ2) + E12 (4)

Откуда

I = (φ1 – φ2 + E12) / R (5)

Выражение (4) или (5) представляет собой закон Ома для неоднородного участка цепи в интегральной форме, который является обобщённым законом Ома.
Если на данном участке цепи источник тока отсутствует (E12 = 0), то из (5) приходим к закону Ома для однородного участка цепи

I = (φ1 – φ2)/R = U / R

Если же замкнута, то выбранные точки 1 и 2 совпадают, φ1 = φ2; тогда из (5) получаем закон Ома для замкнутой цепи:

I = E / R,

где E – э. д.с., действующая в цепи, R – суммарное сопротивление всей цепи. В общем случае R = r + R1, где r – внутреннее сопротивление источника тока, R1 – сопротивление внешней цепи. Поэтому закон Ома для замкнутой цепи будет иметь вид:

I = E / (r+R1).

Если цепь разомкнута, в ней ток отсутствует (I = 0), то из закона Ома (4) получим, что (φ1 – φ2) = E12 , т.е. э.д.с., действующая в разомкнутой цепи, равна разности потенциалов на её концах. Следовательно, для того чтобы найти э.д.с. источника тока, надо измерить разность потенциалов на его клеммах при разомкнутой цепи.
Примеры расчетов по закону Ома:

Закон Ома для участка цепи: сила тока I на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению

U на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению R.

Формула закона: I =. Отсюда запишем формулыU = IR и R = .

Рис.1. Участок цепи Рис.2. Полная цепь

Закон Ома для полной цепи: сила тока I полной электрической цепи равнаЭДС (электродвижущей силе) источника тока Е , деленной на полное сопротивление цепи (R + r). Полное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений внешней цепи

R и внутреннего r источника тока.Формула закона I =
. На рис. 1 и 2 приведены схемы электрических цепей.

3. Последовательное и параллельное соединение проводников

Проводники в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно . Смешанное соединение сочетает оба эти соединения.

Сопротивление,при включении которого вместо всех других проводников, находящихся между двумя точками цепи, ток и напряжение остаются неизменными, называют эквивалентным сопротивлением этих проводников.

Последовательное соединение

Последовательным называется соединение, при котором каждый проводник соединяется только с одним предыдущим и одним последующим проводниками.

Как следует из первого правила Кирхгофа , при последовательном соединении проводников сила электрического тока, протекающего по всем проводникам, одинакова (на основании закона сохранения заряда).

1. При последовательном соединении проводников (рис. 1) сила тока во всех проводниках одинакова: I 1 = I 2 = I 3 = I

Рис. 1.Последовательное соединение двух проводников.

2. Согласно закону Ома, напряжения

U 1 иU 2 на проводниках равны U 1 = IR 1 , U 2 = IR 2 , U 3 = IR 3 .

Напряжение при последовательном соединении проводников равно сумме напряжений на отдельных участках (проводниках) электрической цепи.

U = U 1 + U 2 + U

3

Позакону Ома, напряжения U 1, U 2 на проводниках равныU 1 = IR 1 , U 2 = IR 2 , В соответствии вторым правилом Кирхгофа напряжение на всем участке:

U = U 1 + U 2 = IR 1 + IR 2 = I(R 1 + R 2 )= I·R. Получаем: R = R 1 + R

2

Общее напряжение U на проводниках равно сумме напряжений U 1 , U 2 , U 3 равно: U = U 1 + U 2 + U 3 = I · (R 1 + R 2 + R 3 ) = IR

где R ЭКВ – эквивалентное сопротивление всей цепи.

Отсюда: R ЭКВ = R 1 + R 2 + R 3

При последовательном соединении эквивалентное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков цепи: R ЭКВ = R 1 + R 2 + R 3 +…

Этот результат справедлив для любого числа последовательно соединенных проводников.

Из закона Омаследует: при равенстве сил тока при последовательном соединении:

I = , I =

. Отсюда = или =, т. е. напряжения на отдельных участках цепи прямо пропорциональны сопротивлениям участков.

При последовательном соединении n одинаковых проводников общее напряжение равно произведению напряжению одного U 1 на их количество n :

U ПОСЛЕД = n · U 1 . Аналогично для сопротивлений: R ПОСЛЕД = n · R 1

При размыкании цепи одного из последовательно соединенных потребителей ток исчезает во всей цепи, поэтому последовательное соединение на практике не всегда удобно.

Такими как электрический ток, напряжение, сопротивление и мощность. Настал черед основных электрических законов, так сказать, базиса, без знания и понимания которых невозможно изучение и понимание электронных схем и устройств.

Закон Ома

Электрический ток, напряжение, сопротивление и мощность, безусловно, между собой связаны. А взаимосвязь между ними описывается, без сомнения, самым главным электрическим законом – законом Ома . В упрощенном виде этот закон называется: закон Ома для участка цепи. И звучит этот закон следующем образом:

«Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи».

Для практического применения формулу закона Ома можно представить в виде вот такого треугольника, который помимо основного представления формулы, поможет определить и остальные величины.

Работает треугольник следующим образом. Чтобы вычислить одну из величин, достаточно закрыть ее пальцем. Например:

В предыдущей статье мы проводили аналогию между электричеством и водой , и выявили взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Также хорошей интерпретацией закона Ома может послужить следующий рисунок, наглядно отображающий сущность закона:

На нем мы видим, что человечек «Вольт» (напряжение) проталкивает человечка «Ампера» (ток) через проводник, который стягивает человечек «Ом» (сопротивление). Вот и получается, что чем сильнее сопротивление сжимает проводник, тем тяжелее току через него проходить («сила тока обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи» – или чем больше сопротивление, тем хуже приходится току и тем он меньше). Но напряжение не спит и толкает ток изо всех сил (чем выше напряжение, тем больше ток или – «сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению»).

Когда фонарик начинает слабо светить, мы говорим – «разрядилась батарейка». Что с ней произошло, что значит разрядилась? А значит это, что напряжение батарейки снизилось и оно больше не в состоянии «помогать» току преодолевать сопротивление цепей фонарика и лампочки. Вот и получается, что чем больше напряжение – тем больше ток.

Последовательное подключение – последовательная цепь

При последовательном подключении потребителей, например обычных лампочек, сила тока в каждом потребителе одинаковая, а вот напряжение будет отличаться. На каждом из потребителей напряжение будет падать (снижаться).

А закон Ома в последовательной цепи будет иметь вид:

При последовательном соединении сопротивления потребителей складываются. Формула для расчета общего сопротивления:

Параллельное подключение – параллельная цепь

При параллельном подключении, к каждому потребителю прикладывается одинаковое напряжение, а вот ток через каждый из потребителей, в случае, если их сопротивление отличается – будет отличаться.

Закон Ома для параллельной цепи, состоящей из трех потребителей, будет иметь вид:

При параллельном соединении общее сопротивление цепи всегда будет меньше значения самого маленького отдельного сопротивления. Или еще говорят, что «сопротивление будет меньше наименьшего».

Общее сопротивление цепи, состоящей из двух потребителей, при параллельном соединении:

Общее сопротивление цепи, состоящей из трех потребителей, при параллельном соединении:

Для большего числа потребителей расчет производится исходя из того, что при параллельном соединении проводимость (величина обратная сопротивлению) рассчитывается как сумма проводимостей каждого потребителя.

Электрическая мощность

Мощность – это физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Рассчитывается мощность по следующей формуле:

Таким образом зная, напряжение источника и измерив потребляемый ток, мы можем определить мощность потребляемую электроприбором. И наоборот, зная мощность электроприбора и напряжение сети, можем определить величину потребляемого тока. Такие вычисления порой необходимы. Например, для защиты электроприборов используются предохранители или автоматические выключатели. Чтобы правильно подобрать средство защиты нужно знать потребляемый ток. Предохранители, применяемые в бытовой технике, как правило подлежат ремонту и для их восстановления достаточно

Закон Ома часто называют основным законом электричества. Открывший его в 1826 г. известный немецкий физик Георг Симон Ом установил зависимость между основными физическими величинами электрической цепи – сопротивлением, напряжением и силой тока.

Электрическая цепь

Чтобы лучше понять смысл закона Ома, нужно представлять, как устроена электрическая цепь.

Что же такое электрическая цепь? Это путь, который проходят электрически заряженные частицы (электроны) в электрической схеме.

Чтобы в электрической цепи существовал ток, необходимо наличие в ней устройства, которое создавало бы и поддерживало разность потенциалов на участках цепи за счёт сил неэлектрического происхождения. Такое устройство называется источником постоянного тока , а силы – сторонними силами .

Электрическую цепь, в которой находится источник тока, называют полной электрической цепью . Источник тока в такой цепи выполняет примерно такую же функцию, что и насос, перекачивающий жидкость в замкнутой гидравлической системе.

Простейшая замкнутая электрическая цепь состоит из одного источника и одного потребителя электрической энергии, соединённых между собой проводниками.

Параметры электрической цепи

Свой знаменитый закон Ом вывел экспериментальным путём.

Проведём несложный опыт.

Соберём электрическую цепь, в которой источником тока будет аккумулятор, а прибором для измерения тока – последовательно включенный в цепь амперметр. Нагрузкой служит спираль из проволоки. Напряжение будем измерять с помощью вольтметра, включенного параллельно спирали. Замкнём с помощью ключа электрическую цепь и запишем показания приборов.

Подключим к первому аккумулятору второй с точно таким же параметрами. Снова замкнём цепь. Приборы покажут, что и сила тока, и напряжение увеличились в 2 раза.

Если к 2 аккумуляторам добавить ещё один такой же, сила тока увеличится втрое, напряжение тоже утроится.

Вывод очевиден: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению, приложенному к концам проводника .

В нашем опыте величина сопротивления оставалась постоянной. Мы меняли лишь величину тока и напряжения на участке проводника. Оставим лишь один аккумулятор. Но в качестве нагрузки будем использовать спирали из разных материалов. Их сопротивления отличаются. Поочерёдно подключая их, также запишем показания приборов. Мы увидим, что здесь всё наоборот. Чем больше величина сопротивления, тем меньше сила тока. Сила тока в цепи обратно пропорциональна сопротивлению .

Итак, наш опыт позволил нам установить зависимость силы тока от величины напряжения и сопротивления.

Конечно, опыт Ома был другим. В те времена не существовало амперметров, и, чтобы измерить силу тока, Ом использовал крутильные весы Кулона. Источником тока служил элемент Вольта из цинка и меди, которые находились в растворе соляной кислоты. Медные проволоки помещались в чашки со ртутью. Туда же подводились концы проводов от источника тока. Проволоки были одинакового сечения, но разной длины. За счёт этого менялась величина сопротивления. Поочерёдно включая в цепь различные проволоки, наблюдали за углом поворота магнитной стрелки в крутильных весах. Собственно, измерялась не сама сила тока, а изменение магнитного действия тока за счёт включения в цепь проволок различного сопротивления. Ом называл это «потерей силы».

Но так или иначе эксперименты учёного позволили ему вывести свой знаменитый закон.

Георг Симон Ом

Закон Ома для полной цепи

Между тем, формула, выведенная самим Омом, выглядела так:

Это не что иное, как формула закона Ома для полной электрической цепи: « Сила тока в цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешней цепи и внутреннего сопротивления источника ».

В опытах Ома величина Х показывала изменение величины тока. В современной формуле ей соответствует сила тока I , протекающего в цепи. Величина а характеризовала свойства источника напряжения, что соответствует современному обозначению электродвижущей силы (ЭДС) ε . Значение величины l зависело от длины проводников, соединявших элементы электрической цепи. Эта величина являлась аналогией сопротивления внешней электрической цепи R . Параметр b характеризовал свойства всей установки, на которой проводился опыт. В современной обозначении это r – внутреннее сопротивление источника тока.

Как выводится современная формула закона Ома для полной цепи?

ЭДС источника равна сумме падений напряжений на внешней цепи (U ) и на самом источнике (U 1 ).

ε = U + U 1 .

Из закона Ома I = U / R следует, что U = I · R , а U 1 = I · r .

Подставив эти выражения в предыдущее, получим:

ε = I · R + I · r = I · (R + r) , откуда

По закону Ома напряжение во внешней цепи равно произведению силы тока на сопротивление. U = I · R . Оно всегда меньше, чем ЭДС источника. Разница равна величине U 1 = I · r .

Что происходит при работе батарейки или аккумулятора? По мере того, как разряжается батарейка, растёт её внутренне сопротивление. Следовательно, увеличивается U 1 и уменьшается U .

Полный закон Ома превращается в закон Ома для участка цепи, если убрать из него параметры источника.

Короткое замыкание

А что произойдёт, если сопротивление внешней цепи вдруг станет равно нулю? В повседневной жизни мы можем наблюдать это, если, например, повреждается электрическая изоляция проводов, и они замыкаются между собой. Возникает явление, которое называется коротким замыканием . Ток, называемый током короткого замыкания , будет чрезвычайно большим. При этом выделится большое количество теплоты, которое может привести к пожару. Чтобы этого не случилось, в цепи ставят устройства, называемые предохранителями. Они устроены так, что способны разорвать электрическую цепь в момент короткого замыкания.

Закон Ома для переменного тока

В цепи переменного напряжения кроме обычного активного сопротивления встречается реактивное сопротивление (ёмкости, индуктивности).

Для таких цепей U = I · Z , где Z – полное сопротивление, включающее в себя активную и реактивную составляющие.

Но большим реактивным сопротивлением обладают мощные электрические машины и силовые установки. В бытовых приборах, окружающих нас, реактивная составляющая настолько мала, что её можно не учитывать, а для расчётов использовать простую форму записи закона Ома:

I = U / R

Мощность и закон Ома

Ом не только установил зависимость между напряжением, током и сопротивлением электрической цепи, но и вывел уравнение для определения мощности:

P = U · I = I 2 · R

Как видим, чем больше ток или напряжение, тем больше мощность . Так как проводник или резистор не является полезной нагрузкой, то мощность, которая приходится на него, считается мощностью потерь. Она идёт на нагревание проводника. И чем больше сопротивление такого проводника, тем больше теряется на нём мощности. Чтобы уменьшить потери от нагревания, в цепи используют проводники с меньшим сопротивлением. Так делают, например, в мощных звуковых установках.

Вместо эпилога

Небольшая подсказка для тех, кто путается и не может запомнить формулу закона Ома.

Разделим треугольник на 3 части. Причём, каким образом мы это сделаем, совершенно неважно. Впишем в каждую из них величины, входящие в закон Ома – так, как показано на рисунке.

Закроем величину, которую нужно найти. Если оставшиеся величины находятся на одном уровне, то их нужно перемножить. Если же они располагаются на разных уровнях, то величину, расположенную выше, необходимо разделить на нижнюю.

Закон Ома широко применяется на практике при проектировании электрических сетей в производстве и в быту.

В 1826 году немецкий ученый Георг Ом совершил открытие и описал
эмпирический закон о соотношении между собой таких показателей как сила тока, напряжение и особенности проводника в цепи. Впоследствии, по имени ученого он стал называться закон Ома.

В дальнейшем выяснилось, что эти особенности не что иное, как сопротивление проводника, возникающее в процессе его контакта с электричеством. Это внешнее сопротивление (R). Есть также внутреннее сопротивление (r), характерное для источника тока.

Закон Ома для участка цепи

Согласно обобщенному закону Ома для некоторого участка цепи, сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна сопротивлению.

Где U – напряжение концов участка,I– сила тока, R– сопротивление проводника.

Беря во внимание вышеприведенную формулу, есть возможность найти неизвестные значенияUиR, сделав несложные математические операции.

Данные выше формулы справедливы лишь когда сеть испытывает на себе одно сопротивление.

Закон Ома для замкнутой цепи

Сила тока полной цепи равна ЭДС, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.

Замкнутая сеть имеет одновременно сопротивления внутреннего и внешнего характера. Поэтому формулы отношения будут уже другими.

Где E – электродвижущая сила (ЭДС), R- внешнее сопротивление источника, r-внутреннее сопротивление источника.

Закон Ома для неоднородного участка цепи

Замкнутая электрическая сеть содержит участки линейного и нелинейного характера. Участки, не имеющие источника тока и не зависящие от стороннего воздействия являются линейными, а участки, содержащие источник – нелинейными.

Закон Ома для участка сети однородного характера был изложен выше. Закон на нелинейном участке будет иметь следующий вид:

I = U/ R = f1 – f2 + E/ R

Где f1 – f2 – разница потенциалов на конечных точках рассматриваемого участка сети

R – общее сопротивление нелинейного участка цепи

ЭДС нелинейного участка цепи бывает больше нуля или меньше. Если направление движения тока, идущего из источника с движением тока в электрической сети, совпадают, будет преобладать движение зарядов положительного характера и ЭДС будет положительная. В случае же совпадения направлений, в сети будет увеличено движение отрицательных зарядов, создаваемых ЭДС.

Закон Ома для переменного тока

При имеющейся в сети емкости или инертности, необходимо учитывать при проводимых вычислениях, что они выдают свое сопротивление, от действия которого ток приобретает переменный характер.

Закон Ома для переменного тока выглядит так:

где Z – сопротивление по всей длине электрической сети. Его еще называют импеданс. Импеданс составляют сопротивления активного и реактивного характера.

Закон Ома не является основным научным законом, а лишь эмпирическим отношением, причем в некоторых условиях оно может не соблюдаться:

• Когда сеть обладает высокой частотой, электромагнитное поле меняется с большой скоростью, и при расчетах необходимо учитывать инертность носителей заряда;
• В условиях низкой температуры с веществами, которые обладают сверхпроводимостью;
• Когда проводник сильно нагревается проходящим напряжением, отношение тока к напряжению становится переменным и может не соответствовать общему закону;
• При нахождении под высоким напряжением проводника или диэлектрика;
• В светодиодных лампах;
• В полупроводниках и полупроводниковых приборах.

В свою очередь элементы и проводники, соблюдающие закон Ома, называются омическими.

Закон Ома может дать объяснение некоторым явлениям природы. Например, когда мы видим птиц, сидящих на высоковольтных проводах, у нас возникает вопрос – почему на них не действует электрический ток? Объясняется это довольно просто. Птицы, сидя на проводах, представляют собой своеобразные проводники. Большая часть напряжения приходится на промежутки между птицами, а та доля, что приходится на сами «проводники» не представляет для них опасности.

Но это правило работает лишь при единичном соприкосновении. Если птица заденет клювом или крылом провод или телеграфный столб, она неминуемо погибнет от огромного количества напряжения, которое несут в себе эти участки. Такие случаи происходят повсеместно. Поэтому в целях безопасности в некоторых населенных пунктах установлены специальные приспособления, защищающие птиц от опасного напряжения. На таких насестах птицы находятся в полной безопасности.

Закон Ома также широко применятся на практике. Электричество смертельно опасно для человека при одном лишь касании к оголенному проводу. Но в некоторых случаях сопротивление человеческого тела может быть разным.

Так, например, сухая и неповрежденная кожа обладает большим сопротивлением к воздействию электричества нежели рана или кожа, покрытая потом. В следствие переутомления, нервного напряжения и опьянения, даже при небольшом напряжении тока человек может получить сильный удар током.

В среднем, сопротивление тела человека – 700 Ом, значит, для человека является безопасным напряжение в 35 В. Работая с большим напряжением, специалисты используют .

Закон Ома для однородного участка цепи – формула

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 95.

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 95.

Упорядоченное движение электрических зарядов (электронов, ионов) или заряженных макроскопических тел называется электрическим током. Движение зарядов возникает под воздействием на них электрического поля, созданного в проводнике приложенным к его концам напряжением U. Какова зависимость величины электрического тока I от величины напряжения U ? Ответ на этот вопрос впервые дал немецкий ученый Георг Симон Ом, открывший закон, названный в последствии его именем. Для начала рассмотрим закон Ома для однородного участка цепи.

Свойства электрического тока

Направлением электрического тока принято считать движение свободных положительных зарядов. Ток называется постоянным, если его направление и сила постоянны во времени.

Электрическое поле величиной E действует на заряд величиной q с силой F, которая равна:

$ F = q * E $ (1).

В результате в проводнике возникает электрический ток. Для создания электрического поля E, к концам проводника должно быть приложено напряжение U, которое равно разности потенциалов φ₁ и φ₂ на концах проводника:

$ U = φ2 – φ1 $ (2),

при этом φ₂ > φ₁.

Единица электрического тока — ампер (А) — названа в честь французского физика Ампера. Эта единица является одной семи основных единиц в Международной системе СИ. Единицей измерения напряжений является вольт (В), названная в честь итальянского исследователя Алессандро Вольта.

Опыты Георга Ома

В 1826 г. Георг Ом на основании данных своих многочисленных экспериментов открыл однозначную связь между силой тока I и напряжением U. Ученый измерял зависимости тока от напряжения (вольт-амперные характеристики) и строил графики, из которых он обнаружил не просто пропорциональность (чем больше напряжение, тем больше ток), а линейную математическую зависимость тока от напряжения, т.е. I ∼ U.

Рис. 1. График линейной зависимости силы тока от напряжения в проводниках:.

Из графиков было видно, что угол наклона линейных зависимостей для разных материалов разный, т.е. каждый проводник обладал различной степенью сопротивляемости или проводимости. Эта величина была названа электрическим сопротивлением R. Формула закона Ома для однородного участка цепи выглядит следующим образом:

$ I = {U \over R} $ (3).

Полностью формулировка закона Ома звучит так: сила тока I для проводника на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению U на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R.

Любую электрическую цепь можно разделить на отдельные участки. Участки цепи, на которых отсутствует действие сторонних сил (т.е. участки, где отсутствуют источники тока), называются однородными. Участки цепи, на которых имеются источники тока, называются неоднородными.

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:

$ [1 Ом] = {[1 В]\over [1 A] } $ (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 20⁰С, т.к. величина удельного сопротивления зависит от температуры внешней среды T, и описывается формулой:

$ ρ = ρ_0 * (1 + α * T) $ (7),

где: ρ₀ — удельное сопротивление при 0⁰K, α — температурный коэффициент сопротивления.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что закон Ома для однородного участка цепи формулируется так: сила тока I для проводника на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению U на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R. Участки электрической цепи, на которых отсутствуют источники тока, называются однородными. Удельное электрическое сопротивление вещества ρ — величина, характеризующая способность вещества к сопротивлению.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда – пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.5

Средняя оценка: 4.5

Всего получено оценок: 95.

---

А какая ваша оценка?

Закон Ома – PS Audio

В Выпуске 151 («Класс Магазина»), Я сделал пометку, чтобы помнить закон Ома и что мы вернемся к нему позже. За последние несколько недель эта проблема так широко освещалась в национальной прессе, что я подумал, что, может быть, мы могли бы обсудить ее раньше, чем позже, поскольку количество дезинформации требует некоторого внимания.

А теперь вернемся к уравнению закона Ома, которое определяет взаимосвязь между напряжением, силой тока, сопротивлением и мощностью. Мы также свяжем эту часть с первой статьей в серии. Как гласил старый рекламный слоган, «есть над чем подумать от ребят из Getty».

 

Колесо закона Ома с международными обозначениями. Предоставлено Wikimedia Commons/Пер Мейдал Расмуссен.

 

Первый закон термодинамики гласит, что энергию нельзя ни создать, ни уничтожить. Если вы подаете электричество в линию электропередач, и не все оно выходит на другом конце, значит, оно куда-то ушло. Маленький секрет нашего уравнения закона Ома позволяет рассчитать потери мощности в проводе. Эта потеря мощности преобразуется в тепло. Конечно, мы не знаем самый большой параметр потерь в сети при нормальных условиях эксплуатации, сопротивление, хотя коммунальные службы знают. Конечно, есть и другие потери, такие как утечка из-за влажности, но давайте посмотрим на картину шире. Чтобы не усложнять разговор, предположим, что все мы — бытовые потребители, и проигнорируем коэффициент мощности, которым коммунальные предприятия взимают дополнительную плату с промышленных потребителей.

Если вы преобразуете энергию автомобильного топлива в ватты, вы быстро обнаружите, что переход на полностью электрические транспортные средства является неразрешимым решением в сегодняшних условиях, поскольку это приведет к пугающему увеличению нагрузки на электросеть. Даже Илон Маск прокомментировал это. В одном вы можете быть уверены: если Илон Маск чем-то интересуется, он чует деньги. Много денег, и он зарабатывает, среди прочего, на продаже аккумуляторов. И помните здесь две вещи: во-первых, мы даже не говорим об отказе от ископаемого топлива для отопления. Кроме того, при добыче и переработке лития образуется большое количество очень опасных отходов. Мы действительно хотим этого на наших берегах? Ведь светит солнце и где-то дует ветер. Конечно, мы можем просто перемещать энергию по стране. Ой, подождите, для этого нужна уже перегруженная сетка…

Помните, мерцайте, мерцайте, маленькая звездочка, мощность равна A ² R? Из закона Ома видно, что потери мощности увеличиваются пропорционально квадрату силы тока. Таким образом, если вы увеличите ток в сети в 3 раза, потери возрастут в 9 раз. Типичные потери в линиях передачи сети составляют от 1 до 4 процентов на сто миль. Вы должны генерировать гораздо больше электроэнергии только для того, чтобы покрыть потери. Зарядка вашего автомобиля создаст локальную нагрузку относительно плотности населения. Кроме того, вы должны заряжать аккумуляторы большей энергией, чем вы получите. Фактические потери зависят от скорости зарядки, скорости разрядки и химического состава батареи, но могут достигать 40 процентов.

Закон Ома, выраженный в виде электрической схемы, показывающей V, I и R.

 

Старые угольные электростанции имеют КПД в диапазоне двадцати с чем-то процентов. Электростанции, работающие на угле, основанные на новых технологиях, имеют КПД в диапазоне от 35 до 38 процентов. Нет ничего необычного в том, что две трети энергии, содержащейся в угле, теряются до того, как электричество доходит до потребителя. Неудивительно, что эти электростанции оказывают влияние на окружающую среду. Но они, как правило, расположены близко к источникам топлива, поэтому мы можем предположить, что потери при передаче были незначительными по сравнению со стоимостью транспортировки топлива ближе к нагрузке (нагрузкой является все, что потребляет энергию, например, ваши фары, тостер или качественная аудиосистема).

Дни таких объектов, как завод Джима Бриджера, прошли из-за их неэффективности. Наверняка коммунальные предприятия попытаются заполнить сеть энергией фотоэлектрических элементов или ветряков, но срок аренды угля в Бриджере почти истек или выработан, и потеря электростанции такого масштаба, например, оставит 2-гигаваттную электростанцию. потеря генерирующих мощностей. Есть еще много примеров, когда генерируемая энергия отправляется в удаленные регионы, а не используется локально. Но, читайте дальше.

Увеличение диаметра проводов линий электропередач для обеспечения большей силы тока будет проблематичным. Поскольку это переменный ток, применяется скин-эффект. Электроны испытывают такую ​​сильную неприязнь друг к другу, что текут только по внешнему краю проводника переменного тока. Они стараются создать как можно больше недвижимости между собой и другими себе подобными. Другими словами, сердечник провода переменного тока относительно неиспользуемый, с потоком электронов по окружности. Подвесные внешние провода ЛЭП должны выдерживать не только собственный вес, но и то, что бросает им природа, включая ветер, скопление снега или даже несколько дюймов льда, а также расстояние между опорными изоляторами. Часть диаметра провода, который вы видите на линии электропередач, представляет собой стальной сердечник, обеспечивающий прочность. Проводник, часто из алюминия высокой чистоты, намотан на стальной сердечник. Их называют алюминиевыми жилами, армированными сталью (ACSR), и они дороги. Стоимость замены провода, чтобы выдерживать большую силу тока по всей стране, была бы непомерно высокой.

Еще в 1970-х, когда у нас были все эти отключения электроэнергии, некоторые линии электропередач настолько перегрелись из-за нагрузок, что опасно провисали до земли. Подумайте о проводах в вашем тостере. Если вы приблизитесь к тому, чтобы поразить их напряжением в 380 000 вольт, произойдет нечто большее, чем просто волосы на голове встанут дыбом, хотя, возможно, не так весело, как оказаться на том, что сейчас известно как Тропа континентального водораздела, ведущая на север от перевала Роллинз в гроза. Я путешествовал по нему во время шторма, и это считается одним из самых страшных и глупых поступков, которые я когда-либо делал. Это был буквально мурашки по коже. Никогда еще я не был так счастлив спрыгнуть с этого хребта. К счастью, я не стал изучать проводимость, но я отвлекся.

 

Друзья-громоотводы 45 лет спустя. Все присутствующие и учтенные: Пол Келлог (слева), Стив «Хосс» Фосс (справа). В тот день ни в кого из нас не попала молния.

 

Традиционным решением нашей дилеммы с подачей энергии было увеличение напряжения, поэтому уравнение принимает вид мощности, равной V ² /R, где V — электродвижущая сила (в вольтах). Звучит просто, и это проверенное временем решение проблемы повышенного энергопотребления.

Однако это потребует полной перестройки сетевой инфраструктуры. Необходимо заменить все изоляторы и трансформаторы. И давайте не будем забывать, что нам нужно поднять эти провода выше над землей, чтобы защитить все, что находится под ними, от искусственных молний. Хорошее обсуждение этого можно найти в немецком исследовании, хотя оно становится немного затянутым, в котором говорится, что преобразование сети в мощность, способную выдерживать 1 000 000 вольт, не будет прибыльным. Другое европейское исследование показывает, что потери при передаче приближаются к 10 процентам в высокоразвитых странах.

Конечно, чем дальше электричество проходит от источника, тем выше сопротивление, которое оно встречает (что является относительно линейным явлением), и тем больше потери мощности. Все это сводится к тому, что будущие источники выработки электроэнергии должны будут располагаться очень близко к потребителю по мере роста спроса. И да, вы увидите провода, и ветряки, и солнечные батареи, может быть, даже новую ядерную установку, и они будут у вас на заднем дворе, или будут видны с вашего заднего двора, а может быть, даже на вашей крыше. Не смейтесь. Именно по этой причине Билл Гейтс и Уоррен Баффет финансируют исследования реакторов-размножителей.

Коммунальные предприятия уже планируют распределенную генерацию. Обратите внимание, как одна коммунальная служба в Колорадо добавляет мощность, номинально эквивалентную половине мощности угольного генератора, но распределенную по нескольким сообществам. Минисети и микросети с их собственными генерирующими мощностями, скорее всего, являются будущим для модернизации электрической сети, поскольку они могут быть отключены, когда с сетью в целом случится что-то плохое, например, недавнее отключение электроэнергии в Техасе, и по-прежнему будут обслуживать электроэнергию. их клиентов. Хорошее место, чтобы начать свое исследование с рассмотрения рейтинговой системы PEER.

Простая альтернатива — построить дополнительные линии электропередачи для сети. Удачи в получении этого прошлого неравнодушных граждан и многих законодателей. Вам нужно будет получить новые права проезда, провести экологические исследования, получить разрешения на строительство, справиться со всеми протестами и, наконец, построить объекты. На это уйдут десятилетия, и уж точно не в течение восьми-пятнадцатилетнего периода, который многие штаты обязали стать безуглеродными. Конечно, все это можно воплотить в жизнь гораздо быстрее, произнеся два волшебных слова, которые заставят владельцев недвижимости повсюду замолчать: выдающийся домен.

Что касается альтернативного производства электроэнергии, существует два класса солнечных ферм, как это определено в действующих правилах: масштабы предприятия и масштабы сообщества. Мысль заключается в том, что многие семейные фермерские хозяйства захотят сдать свою землю в аренду коммерческому застройщику. Затем разработчики могут получить федеральную помощь для этих общественных проектов. Землевладельцы будут получать примерно 1000 долларов за акр в год за землю, покрытую ячейками (и гораздо меньше за землю без ячеек над ней). Большинство застройщиков постараются не включать повышение стоимости жизни в аренду, но захотят заблокировать вас на срок от 25 до 50 лет.

Вот кикер. Участок общественного масштаба может быть только 80 акров или меньше. С современными технологиями для производства пяти мегаватт электроэнергии требуется 40 акров земли. Кроме того, ваш объект должен находиться в пределах пяти миль от точки доступа к сети, такой как подстанция или распределительная станция. Ожидаемый срок службы оборудования составляет менее 25 лет, а его эффективность со временем снижается.

Если застройщик объявит о банкротстве до истечения срока аренды, вам придется иметь дело с акрами опасных электронных отходов. Это было бы экологической катастрофой для землевладельца. Понятно, что это не простое решение. Мы знаем это, так как к моей семье обратились с просьбой сдать землю в аренду компании, занимающейся солнечными батареями. Мы решили остаться друзьями с животными, а не вырубать и сносить бульдозерами нашу лесную собственность.

Университет штата Пенсильвания имеет программу, предназначенную для изучения отрасли. Этот подкаст из университета — хороший учебник для начинающих.

Итак, если мы хотим решить проблемы Земли, я молюсь о сверхпроводниках. Это может показаться чрезмерно оптимистичным, и я не задерживаю дыхание, но это кажется более приемлемым, чем, скажем, массовое вымирание. Я верю в науку и технологии.

Тем временем обеспокоенные жители Нью-Йорка только что приняли закон, согласно которому, начиная с 2023 года, новое строительство и капитальный ремонт семи или менее этажей должны на 100% обеспечиваться электричеством. Больше никакого природного газа, горячей воды или газовых плит. Их цель — стать углеродно-нейтральными к 2050 году. Стоимость аренды растет, и ресторанная индустрия будет недовольна тем, что газ дает мгновенный нагрев, который предпочитают шеф-повара во всем мире.

«Вот оно». Я был инженером и ботаником всю свою жизнь. Я продолжаю жить по трем законам газовой энтропии:

1. Нельзя победить.
2. Вы не можете безубыточности.
3. Вы не можете выйти из игры.

Боже мой, какую извилистую судьбу устроили мне эти электроны. Я призываю вас, как неоднократно говорил Мэтт Деймон в книге «Марсианин », «посчитать» и провести собственное исследование. Математика не врёт. Дж.Дж. Кейл сказал то же самое о «Кокаине». Он был не прав. Есть много мертвых рок-звезд. Наука и математика — это истина. Искусство (музыка) не обязательно является правдой, но оно делает нас цельными. Рассмотрите свои приоритеты и выбирайте с умом.

Об авторе

Пережив заблудшую юность, автор ненадолго занялся гражданским строительством и профессиональной фотографией. Столкнувшись с банкротством, он нашел свое истинное призвание в качестве инженера-программиста. Последние 25 лет своей карьеры он посвятил написанию драйверов устройств, прошивок, стеков протоколов, технических спецификаций и документации. После просмотра вечерних новостей он проходит обязательную терапию сенсорной депривации, заходя под наушники на протяжении нескольких альбомов.

Изображение заголовка предоставлено Pixabay. com/analogicus.

В поисках закона Ома — Гильдия техников кофе

В 2014 году комик Льюис Блэк был приглашен на ужин национальной прессы. Несмотря на то, что комедии Блэка невероятно забавны, они политичны и полны ненормативной лексики, он также немного наклоняется влево. Учитывая, что он выступал с Диком Чейни, сидящим рядом с ним, и, очевидно, журналисты и политики не любят ненормативную лексику. Он был немного в затруднительном положении со своим поступком. Он описал дистилляцию, дезинфекцию, а затем написание своего выступления для вашингтонской пресс-службы как тридцать лет выступлений, политики и ненормативной лексики, а затем превращение всего этого в одну длинную 20-минутную шутку «тук-тук».

Я нашел смысл в этой притче. Для обучения AST нам необходимо сделать пятиминутную презентацию о чем-либо. Я нарисовал закон Ома. Я думал об опыте мистера Блэка, пытавшегося изменить свое поведение, когда пытался подобрать правильные слова для презентации. Я бы хотел не столько политической или ненормативной лексики, сколько того, как взять что-то относительно скучное и сделать это интересным. Единственное, что менее увлекательно, чем представление закона Ома, — это трехчасовая дискуссия об эффективности дисперсии и очистки растворов для очистки эспрессо.

Вода — наиболее распространенная аналогия при обучении электрическим понятиям. Я решил приклеить или по аналогии с водой. Я собирался перейти на следующий уровень. Я собирался провести сравнение между Законом Ома, Ноевым потопом и Божьим гневом. Ной был напряжением, потоп — током, а Божий гнев — сопротивлением.

Эта идея никуда не годилась.

Закон Ома — невероятно простое, но элегантное уравнение, объясняющее взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением. Первый закон Ома, иногда называемый акустическим фазовым законом или просто другим законом Ома, гласит, что музыкальный звук воспринимается ухом как набор нескольких составляющих чистых гармонических тонов. Это не совсем так.

С помощью электрического закона Ома он нашел то, что работало. Его закон гласит, что существует прямая зависимость между разностью потенциалов (напряжением), приложенной к проводнику, и результирующим электрическим током.

Возвращаясь к моей неудачной аналогии. Ной бы напряжение. Ноев ковчег может плавать, потоп — это то, сколько воды потребуется, чтобы потопить ковчег, а сопротивление — это будет ли Божий гнев сопротивляться потопу или он позволит ему излиться. Надеюсь, вы больше не задаетесь вопросом, почему я отказался от этой идеи.

Для упрощения концепции: закон Ома показывает, как на скорость движения электронов по контуру влияет скорость их накачки и степень их замедления из-за блокировки

Тогда у нас есть это. Формула:

• Я действующая. Единица – Ампер. Он определяется как скорость потока электронов в цепи. Ток выражается как (I), потому что (C) используется для выражения электрической единицы кулона

• В — это напряжение, его единицей измерения является вольт, а Он определяется как разность потенциалов между двумя точками в и электрическом поле

• R – это сопротивление – единицей измерения является Ом, он определяется как сопротивление, которое вещество оказывает потоку электрического тока.

• P – это мощность, выраженная в ваттах. Мощность – это скорость, с которой совершается работа в электрической цепи. Мы собираемся просто игнорировать это прямо сейчас.

Закон Ома жизненно важен для описания электрических цепей, потому что он связывает напряжение с током, а значение сопротивления смягчает отношения между ними. Эта формула применима к нагревателям, катушкам клапанов, двигателям, лампочкам и т. д. Формула имеет смысл применительно к конкретной системе машины. Лучшим примером практического использования является проверка эффективности нагревательного элемента. У нас есть нагревательный элемент, который, как мы знаем, должен создавать 2,5 кВт при нагреве при напряжении 208 В переменного тока. С помощью формулы мы можем рассчитать, каким должно быть сопротивление этого нагревателя. (208*208)/2500=17,3. Если мы проверяем сопротивление нагревателя и оно не в пределах +/- 10%, то у меня проблемы с КПД.

Мортимер Адлер однажды сказал: «Человек, который говорит, что знает, что думает, но не может выразить это, обычно не знает, что думает».