Закон ома для тока в металлах

Современным людям (даже не особо разбирающимся в физике) закон Ома кажется простым: чем больше напряжение в проводнике, тем сила тока выше, чем больше сопротивление проводника, тем она ниже. Однако в первой половине XIX в. никто понятия не имел, из чего «сделан» ток, что влияет на его скорость, силу и т. д. До 1840-х ученые полагали, будто проводник никоим образом не участвует в движении тока. Немецкий физик Георг Симон Ом (1789—1854) был первым, кто в этом усомнился и потому решил измерить силу тока.

Поскольку специальных измерительных приборов тогда попросту не было, Ом решил доработать «крутильные весы» — изобретение француза Ш.-О. Кулона, которое представляло собой подвешенное на нити коромысло с двумя грузами по краям. Результатом упорного руда стал прибор, идеально подходящий для измерений тока, и Ом наконец-то начал свои эксперименты.

Для этого он взял термоэлемент — устройство, преобразующее тепловую энергию в электрическую, — в составе медного и висмутового брусков, соединенных между собой.

Над термоэлементом на золотой проволоке была подвешена магнитная стрелка, накрытая стеклянным колпаком, защищавшим ее от движения воздуха. Когда место соединения металлических брусков нагревалось, по цепи начинал идти электрический ток — более стабильный, чем ток, который генерировался гальванической батареей и испытывал постоянные скачки напряжения. Под действием тока стрелка отклонялась, но Ом, подкручивая проволоку, возвращал ее в исходную позицию и замерял транспортиром угол поворота. В зависимости от величины этого угла и определялась сила тока.

Ученый поставил еще несколько аналогичных опытов с другими проводниками и в результате убедился: сила тока возрастает пропорционально увеличению напряжения («возбуждающей силы», то есть работы электрического поля, связанной с переносом заряда). Ом даже составил таблицы таких соответствий, а затем попробовал варьировать протяженность проводника и выявил, что с увеличением длины растет сопротивление цепи и уменьшается сила тока.

Далее Ом сравнил поведение тока в проводниках, находящихся в огне и в воде со льдом, и заключил: чем жарче, тем сопротивление больше; чем холоднее, тем сопротивление меньше. Кроме того, ученый ввел понятия электропроводности (характеристики вещества, противоположной сопротивлению) и электродвижущей силы — способности источника тока поддерживать определенное напряжение на входе и на выходе из цепи. Открытия Ома сыграли такую значимую роль в развитии физики, что немецкий ученый О. Ломмель назвал их ярким факелом, который озарил ранее темную сферу электричества.

В 1879 г. американский ученый Э. Холл обнаружил любопытный эффект — возникновение электрического напряжения на нижней и верхней кромках тонкой золотой пластины, установленной вертикально между двумя магнитами. Это можно было объяснить только тем, что магнитный поток «разгоняет» на края пластины некие крошечные частицы, которые несут в себе заряд. Существование таких частиц, входящих в состав атомов, было подтверждено опытами английского физика Дж. Дж. Томсона 18 лет спустя, и впоследствии носители заряда получили название электронов. Перед учеными встала задача объяснить явление сопротивления с позиции атомного строения вещества, и решить ее вызвался немец — Пауль Друде (1863—1906).

Согласно его теории, структура металлического проводника представляет собой решетку из атомов. Каждый атом окружен внешней оболочкой из свободных электронов, которыми можно обмениваться с «соседями». Некоторые из этих электронов отправляются в вольное плавание и превращаются в нечто похожее на идеальный газ. Когда в проводнике возникает напряжение — то есть при замыкании цепи, — электроны сразу же выстраиваются и начинают упорядоченно разгоняться. Но по пути они натыкаются на кристаллическую атомную решетку и тормозят до скорости примерно 2 мм в секунду — так и возникает сопротивление. Со своей стороны, атомы от столкновений слегка раскачиваются, из-за чего проводник нагревается. Несмотря на медлительность электронов, свет в лампах зажигается сразу, поскольку при нажатии на кнопку выключателя частицы срываются с места одновременно.

Описывая свободные электроны, Друде разработал формулу, где проводимость вещества определяется концентрацией, массой, зарядом электронов и средним временем их движения между столкновениями.

Эта теория смогла объяснить многие процессы, касающиеся электропроводности, и развивать ее взялся немецкий ученый Карл Рикке (1845—1915). Пропуская электрический заряд через металлы, Рикке установил, что, в отличие от жидких проводников, они не меняют своих химических свойств, то есть их молекулы не распадаются на заряженные атомы — ионы.

В 1913 г. русские ученые Л. Мандельштам и Н. Папалекси экспериментально показали, что заряженные частицы, создающие в металлах электрический ток, обладают массой. Для этого ученым понадобилась проволочная катушка и… динамики. Подключив динамики к катушке, исследователи раскрутили ее, затем резко остановили — и услышали щелчок. Тот же результат дало раскручивание в другую сторону, и ученые заключили, что из-за резкой остановки электроны отбрасывает в конец провода, словно пассажиров автобуса. Инерция становится электродвижущей силой — по проводу пробегает импульс тока. А это значит, что у частиц, так же как у людей, должна быть масса. Таким образом, Мандельштам и Папалекси подтвердили предположения Друде о возникновении тока вследствие движения частиц — носителей заряда — через кристаллическую решетку.

Через три года американцы Р. Толмен и Т. Стюарт благодаря гальванометру сумели определить массу электрона. Подсоединив прибор к катушке из 500-метрового провода, ученые раскрутили ее до скорости 500 м/с, а затем остановили. В ходе раскручивания гальванометр фиксировал появление инерции, исполняющей роль сторонней электродвижущей силы, так что после остановки катушки исследователи интегрировали (то есть суммировали) эти показания по всей длине провода — и получили формулу ЭДС. Затем, собрав все данные (ЭДС, длину провода и его сопротивление, радиус катушки, направление и скорость вращения, время остановки), они вычислили удельный заряд частицы — отношение ее элементарного заряда к массе. А попутно выяснили, что знак заряда, который несут изучаемые частицы, отрицательный. Данное открытие стало фундаментом классической теории электропроводности металлов.

Постепенно сформировалось шесть базовых положений этой теории:

1. Чем больше в металле свободных электронов, тем выше его способность проводить ток.
2. Все металлы имеют разное сопротивление, поскольку количество электронов в их кристаллических решетках не одинаково.
3. По мере роста температуры внутри металла его сопротивление увеличивается.
4. Чтобы в металле возник ток, необходима внешняя сила, которая упорядочит хаотичное движение электронов.
5. Ток возникает в тот самый момент, когда начинается воздействие на электроны.
6. Сила тока в металле соответствует закону Ома.

Из третьего пункта следует, что нагревание металла изнутри снижает его способность проводить ток — ведь из-за высокой температуры стройное движение электронов нарушается, и они начинают беспорядочно метаться, то и дело натыкаясь на решетку и разогревая проводник еще больше. Поэтому важно следить за тем, чтобы проводники не перегревались.

Открытие электропроводности стало первым шагом к глубокому изучению свойств металлических проводников тока, вследствие чего была создана теоретическая база для конструирования бытовой и производственной техники, которая является неотъемлемой частью современной жизни.

Понять природу электрического тока не так-то просто. Изучение этой темы позволит вам получить общие представления о постоянном электрическом токе, его законах. Вы научитесь собирать электрические цепи, выполнять измерения и простейшие расчеты.

Электрическим током считается любое упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах такими частицами являются свободные электроны. Но, чтобы электроны заставить двигаться в определенном направлении, нужно в проводнике создать электрическое поле.

До открытия электрона в 1890 г. направление тока условно рассматривалось как направление перемещения положительного заряда. Под действием электрического поля заряды начинают двигаться в область меньшего потенциала. Движение зарядов длится до тех пор, пока потенциалы на концах проводника не станут равными. Хотя известно, что электрический ток в металлах создают свободные электроны, но до сих пор существует соглашение, в соответствии с которым за направление тока принято движение положительных зарядов.

Чтобы электрический ток не прекращался длительное время, цепь должна содержать источник тока и быть замкнутой. Благодаря источнику тока,

электродвижущая сила (ЭДС) обеспечивает постоянную разность потенциалов в цепи. Таким образом, в замкнутой цепи именно ЭДС поддерживает направленное движение зарядов.

Электрический ток характеризуется физической величиной – силой тока, а работа электрического поля на участке цепи – напряжением. Зависимость между силой тока и напряжением для металлов экспериментально установил в 1826 году Г. Ом.

При наличии источника тока закон Ома для замкнутой цепи записывается с учетом ЭДС, внешнего сопротивления цепи и внутреннего сопротивления источника тока.

Закон Ома, основанный на опытах, представляет собой в электротехнике основной закон, который устанавливает связь силы электрического тока с сопротивлением и напряжением.

Появление смартфонов, гаджетов, бытовых приборов и прочей электротехники коренным образом изменило облик современного человека. Приложены огромные усилия, направленные на исследование физических закономерностей для улучшения старой и создания новой техники. Одной из таких зависимостей является закон Ома.

Закон Ома – полученный экспериментальным путём (эмпирический) закон, который устанавливает связь силы тока в проводнике с напряжением на концах проводника и его сопротивлением, был открыт в 1826 году немецким физиком-экспериментатором Георгом Омом.

Строгая формулировка закона Ома может быть записана так: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах (разности потенциалов) и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника.

Формула закона Ома записывается в следующем виде:

U – электрическое напряжение (разность потенциалов), единица измерения напряжения- вольт [В];

Согласно закону Ома, увеличение напряжения, например, в два раза при фиксированном сопротивлении проводника, приведёт к увеличению силы тока также в два раза

И напротив, уменьшение тока в два раза при фиксированном напряжении будет означать, что сопротивление увеличилось в два раза.

Рассмотрим простейший случай применения закона Ома. Пусть дан некоторый проводник сопротивлением 3 Ом под напряжением 12 В. Тогда, по определению закона Ома, по данному проводнику течет ток равный:

Существует мнемоническое правило для запоминания этого закона, которое можно назвать треугольник Ома. Изобразим все три характеристики (напряжение, сила тока и сопротивление) в виде треугольника. В вершине которого находится напряжение, в нижней левой части – сила тока, а в правой – сопротивление.

Правило работы такое: закрываем пальцем величину в треугольнике, которую нужно найти, тогда две оставшиеся дадут верную формулу для поиска закрытой.

Где и когда можно применять закон Ома?

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.

Значение Закона Ома

Закон Ома определяет силу тока в электрической цепи при заданном напряжении и известном сопротивлении.

Он позволяет рассчитать тепловые, химические и магнитные действия тока, так как они зависят от силы тока.

Закон Ома является чрезвычайно полезным в технике(электронной/электрической), поскольку он касается трех основных электрических величин: тока, напряжения и сопротивления. Он показывает, как эти три величины являются взаимозависимыми на макроскопическом уровне.

Если бы было можно охарактеризовать закон Ома простыми словами, то наглядно это выглядело бы так:

Из закона Ома вытекает, что замыкать обычную осветительную сеть проводником малого сопротивления опасно. Сила тока окажется настолько большой, что это может иметь тяжелые последствия.

Выполняется ли закон ома для полупроводников

По значению удельного электрического сопротивления полупроводники занимают промежуточное положение между хорошими проводниками и диэлектриками. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего нас мира – полупроводники. Самым распространенным в природе полупроводником является кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Качественное отличие полупроводников от металлов проявляется прежде всего в зависимости удельного сопротивления от температуры. С понижением температуры сопротивление металлов падает (см. рис. 1.12.4). У полупроводников, напротив, с понижением температуры сопротивление возрастает и вблизи абсолютного нуля они практически становятся изоляторами (рис. 1.13.1).

Рисунок 1. 13.1.

Такой ход зависимости ρ () показывает, что у полупроводников концентрация носителей свободного заряда не остается постоянной, а увеличивается с ростом температуры. Механизм электрического тока в полупроводниках нельзя объяснить в рамках модели газа свободных электронов. Рассмотрим качественно этот механизм на примере германия (Ge). В кристалле кремния (Si) механизм аналогичен.

Атомы германия на внешней оболочке имеют четыре слабо связанных электрона. Их называют валентными электронами . В кристаллической решетке каждый атом окружен четырьмя ближайшими соседями. Связь между атомами в кристалле германия является ковалентной , т. е. осуществляется парами валентных электронов. Каждый валентный электрон принадлежит двум атомам (рис. 1.13.2). Валентные электроны в кристалле германия связаны с атомами гораздо сильнее, чем в металлах; поэтому концентрация электронов проводимости при комнатной температуре в полупроводниках на много порядков меньше, чем у металлов. Вблизи абсолютного нуля температуры в кристалле германия все электроны заняты в образовании связей. Такой кристалл электрического тока не проводит.

Рисунок 1.13.2.

При повышении температуры некоторая часть валентных электронов может получить энергию, достаточную для разрыва ковалентных связей. Тогда в кристалле возникнут свободные электроны (электроны проводимости). Одновременно в местах разрыва связей образуются вакансии, которые не заняты электронами. Эти вакансии получили название дырок . Вакантное место может быть занято валентным электроном из соседней пары, тогда дырка переместится на новое место в кристалле. При заданной температуре полупроводника в единицу времени образуется определенное количество электронно-дырочных пар. В то же время идет обратный процесс – при встрече свободного электрона с дыркой, восстанавливается электронная связь между атомами германия. Этот процесс называется рекомбинацией . Электронно-дырочные пары могут рождаться также при освещении полупроводника за счет энергии электромагнитного излучения. В отсутствие электрического поля электроны проводимости и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении.

Если полупроводник поместить в электрическое поле, то в упорядоченное движение вовлекаются не только свободные электроны, но и дырки, которые ведут себя как положительно заряженные частицы. Поэтому ток в полупроводнике складывается из электронного и дырочного токов:

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике равна концентрации дырок: . Электронно-дырочный механизм проводимости проявляется только у чистых (т. е. без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

При наличии примесей электрическая проводимость полупроводников сильно изменяется. Например, добавка в кристалл кремния примесей фосфора в количестве 0,001 атомного процента уменьшает удельное сопротивление более чем на пять порядков. Такое сильное влияние примесей может быть объяснено на основе изложенных выше представлений о строении полупроводников.

Необходимым условием резкого уменьшения удельного сопротивления полупроводника при введении примесей является отличие валентности атомов примеси от валентности основных атомов кристалла.

Проводимость полупроводников при наличии примесей называется примесной проводимостью . Различают два типа примесной проводимости – электронную и дырочную .

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия с четырехвалентными атомами введены пятивалентные атомы (например, атомы мышьяка, As).

Рисунок 1.13.3.

На рис. 1.13.3 показан пятивалентный атом мышьяка, оказавшийся в узле кристаллической решетки германия. Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказался излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. Примесь из атомов с валентностью, превышающей валентность основных атомов полупроводникового кристалла, называется донорной примесью . В результате ее введения в кристалле появляется значительное число свободных электронов. Это приводит к резкому уменьшению удельного сопротивления полупроводника – в тысячи и даже миллионы раз. Удельное сопротивление проводника с большим содержанием примесей может приближаться к удельному сопротивлению металлического проводника.

В кристалле германия с примесью мышьяка есть электроны и дырки, ответственные за собственную проводимость кристалла. Но основным типом носителей свободного заряда являются электроны, оторвавшиеся от атомов мышьяка. В таком кристалле . Такая проводимость называется электронной , а полупроводник, обладающий электронной проводимостью, называется полупроводником -типа .

Рисунок 1. 13.4.

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия введены трехвалентные атомы (например, атомы индия, In). На рис. 1.13.4 показан атом индия, который с помощью своих валентных электронов создал ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия. Примесь атомов, способных захватывать электроны, называется акцепторной примесью . В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются вакантные места (дырки). На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу.

Наличие акцепторной примеси резко снижает удельное сопротивление полупроводника за счет появления большого числа свободных дырок. Концентрация дырок в полупроводнике с акцепторной примесью значительно превышает концентрацию электронов, которые возникли из-за механизма собственной электропроводности полупроводника: . Проводимость такого типа называется дырочной проводимостью . Примесный полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником -типа . Основными носителями свободного заряда в полупроводниках -типа являются дырки.

Следует подчеркнуть, что дырочная проводимость в действительности обусловлена эстафетным перемещением по вакансиям от одного атома германия к другому электронов, которые осуществляют ковалентную связь.

Для полупроводников — и -типов закон Ома выполняется в определенных интервалах сил тока и напряжений при условии постоянства концентраций свободных носителей.

Цель работы: изучение движения зарядов внутри проводника и проверка закона Ома для проводников.

Электропроводность проводника определяется наличием в нем свободных носителей заряда (электроны в металле, положительные и отрицательные ионы в электролитах). Предположим, что носители тока слабо взаимодействуют друг с другом, а взаимодействие их с другими частицами сводится к соударениям. Кроме того, будем считать, что движение этих частиц подчиняется законам классической механики, что справедливо для полупроводников или электролитов, но не справедливо для металлов.

В отсутствие электрического поля частицы в проводнике (которые приближенно можно считать свободными) совершают хаотическое движение, сталкиваясь при этом с ионами на узлах кристаллической решетки, с атомами примесей и т.д. Все направления движения свободных частиц равноправны, и какого-нибудь потока частиц, то есть тока, не возникает. Поэтому усредненные по всему коллективу частиц проекции скорости равны нулю. Если проводник находится в электрическом поле, то на частицы действуют направленные силы. Если следить за какой-нибудь частицей, то можно обнаружить, что на тепловое хаотическое движение частицы накладывается направленное движение ее под действием силы со стороны электрического поля (так называемый дрейф).

Рассмотрим движение одной частицы. Пусть заряженная частица с зарядом е и массой m движется в однородном электрическом поле. Сила, действующая на частицу со стороны поля, равна , где – напряженность поля, которую можно считать постоянной. Тогда уравнение ее движения имеет вид:

Пусть вектор напряженности направлен по оси Ох, тогда ускорение частицы тоже направлено по этой оси и равно . Если начальная скорость частицы равна нулю, то в момент времени t она равна , а средняя скорость вдвое меньше, за некоторый промежуток времени τ она равна

Примем такую модель. Будем считать, что движущиеся заряженные частицы сталкиваются с другими частицами через одинаковое время τ, которое можно отождествить со средним временем между соударениями. Будем считать, что в среднем в результате соударения частицы останавливаются, а после этого они снова начинают движение в электрическом поле с нулевой начальной скоростью. По этой причине можно считать, что частицы движутся в электрическом поле со средней скоростью, даваемой формулой (1).

Сила тока – это заряд, переносимый движущимися частицами за единицу времени, а плотность тока равна силе тока через сечение проводника с площадью, равной единице. Найдем связь между плотностью тока и скоростью направленного движения частиц. Пусть частицы движутся влево со скоростью v (рис. 1). За время t они проходят путь, равный l = vt. Таким образом, за это время сечение S проводника пересекут только те частицы, которые отстоят от него на расстояние, меньшее или равное l, т.е. те частицы, которые находятся внутри цилиндра высотой l = vt и объема V = S(vt). Если концентрация частиц равна n, то их число в этом объеме равно N = nV = nS(vt). Пусть заряд одной частицы равен q. Тогда за время t через сечение проводника протекает суммарный заряд N частиц, равный Q = qN = qnSvt. Следовательно, сила тока через проводник равна , а плотность тока – .

В рассматриваемом нами случае вектор плотности тока направлен в направлении приложенного поля, т.е. вдоль оси Ох. Величина j пропорциональна средней скорости направленного движения, а именно j = еnavn. Подставляя сюда avn из формулы (1), получим:

Это выражение называют законом Ома в дифференциальной форме. Величина

называется коэффициентом электропроводности или просто электропроводностью данного проводника, а коэффициент пропорциональности между средней скоростью направленного движения зарядов avn и напряженностью приложенного электрического поля Е называют подвижностью носителей тока. Из формулы (2) видно, что подвижность выражается следующим образом:

Электропроводность и подвижность связаны друг с другом соотношением: s = enl.

Смысл закона Ома заключается в том, что средняя скорость направленного движения носителей тока пропорциональна напряженности электрического поля, т.е. пропорциональна действующей на частицы силе. Закон Ома выполняется для металлов, полупроводников, электролитов, т.е. для тех веществ, в которых носители тока испытывают большое число соударений. При этом данный закон выполняется при не слишком сильных полях, когда роль соударений велика. Закон Ома не выполняется при токах в вакууме, так как в этом случае носители тока практически не испытывают столкновений. Закон Ома очень ограниченно выполняется в плазме, так как в плазме обычно непостоянно число носителей тока. Отметим, что выражение для коэффициента электропроводности (3) соответствует опыту гораздо хуже, чем сам закон Ома. Это выражение более или менее применимо для полупроводников или электролитов, но совершенно не пригодно для металлов, в то время как сам закон Ома для металлов выполняется достаточно хорошо.

Обычно в физике и особенно в электротехнике применяется закон Ома в другом виде – в так называемой интегральной форме. Получим вид этого закона.

Рассмотрим участок однородного проводника, имеющего для простоты цилиндрическую форму (рис. 2). Пусть площадь поперечного сечения проводника S, а длина l. К концам проводника приложена разность потенциалов U = j₁– j₂, то есть внутри проводника действует электрическое поле . Поэтому в проводнике возникает электрический ток, плотность тока, согласно закону Ома, j = sЕ. Если ток распределен равномерно по сечению проводника, то сила тока I = jS = sES.

В случае однородного поля напряженность поля Е связана с потенциалом соотношением: . Поэтому сила тока в проводнике , откуда .

Величина (удельное сопротивление ) называется сопротивлением данного участка проводника. Тогда закон Ома в интегральной форме имеет вид:

Главное меню

Интегральный закон Ома

Обзорные статьи

Закон Ома — физический закон, описывающий связь между силой тока, напряжением и сопротивлением проводника в одной электрической цепи. Закон назван в честь Георга Ома — его первооткрывателя. Он гласит, что величина сила тока участка цепи прямо пропорциональна величине напряжения между концами цепи, если свойства проводника при прохождении по нему тока не изменяются. Также следует учитывать, что закон Ома – это фундаментальный закон, который может применяться к любой физической системе, включающей в себя действующие поля или потоки частиц, преодолевающие сопротивление. То есть, он может быть применен для расчёта гидравлических, электрических, световых, пневматических, тепловых, магнитных потоков и т. д., подобно правилам Кирхгофа, но такая реализация этого закона применяется крайне редко, только в рамках узко специализированных расчётов. Для ряда случаев математическая форма закона Ома может несколько различаться. По-другому математическое выражение закона Ома для участка цепи называется интегральным законом Ома. То есть предполагается, что электрическая цепь состоит из проводников, индивидуальное сопротивление которых усредняется относительно объема проводника. Первоначально закон Ома был установлен путем экспериментального изучения и анализа зависимости между напряжением (разностью потенциалов) U на концах проводника и силой тока I в самом проводнике. Как выяснилось, в широком диапазоне величин I и U соблюдается их пропорциональная зависимость: где U — падение напряжения на концах цепи, I — сила тока, R – сопротивление. Величина R называется электрическим сопротивлением проводника. Этой формулой выражается закон Ома в интегральной форме. Величины, которые входят в данное выражение, в случае с постоянным током являются действительными. Но закон Ома справедлив и для переменного тока. Если величина тока изменяется во времени, но по форме сигнал не является синусоидальным, то его можно представить суммой синусоидальных Фурье-компонент. В случае с линейными цепями компоненты фурье-разложения тока можно считать действующими независимо. Следует отметить тот факт, что данный закон есть лишь простейшее приближение для описания зависимости величины тока от разности потенциалов, а для некоторых систем он справедлив лишь в очень узком диапазоне значений. При описании более сложных (нелинейных) структур, в которых зависимостью сопротивления от силы тока пренебрегать нельзя, принято анализировать вольт-амперную характеристику. На физическом уровне суть закона Ома заключается в пропорциональности средней скорости направленного движения заряженных частиц напряженности электрического поля, т.е. скорость прямо пропорциональна силе, действующей на частицы. Если электрическое поле отсутствует, частицы в проводнике (которые можно считать свободными приближенно) совершают хаотическое движение, при этом сталкиваясь с ионами, расположенными на узлах кристаллической решетки, а также с атомами примесей и т.д. Любые направления движений свободных частиц являются равноправными, и не возникает никакого потока частиц, другими словами, ток отсутствует. Поэтому усредненные по всей совокупности частиц проекции скорости, соответственно, равны нулю. При внедрении проводника в электрическое поле на частицы начинают действовать направленные силы. Если проследить за одной из частиц, то можно обнаружить, что на ее тепловое хаотическое движение накладывается ее направленное движение под воздействием силы электрического поля (дрейф). Закон Ома справедлив для электролитов, полупроводников, металлов, т.е. для веществ, носители тока в которых испытывают большое число соударений. Но при этом закон выполняется даже при не очень сильных полях, когда соударения имеют большую роль. Закон Ома не работает при токах в вакууме, поскольку в этом случае частицы практически не имеют столкновений. В плазме закон Ома выполняется очень ограниченно, поскольку в таких условиях число носителей тока обычно непостоянно.

электрический ток — Справедливость закона Ома для сопротивлений, зависящих от температуры

$\begingroup$

Насколько мне известно, закон Ома (в макроскопической форме) гласит, что в некоторых устройствах/проводниках/материалах (мгновенный) ток через устройство прямо пропорционален (мгновенному) напряжению на устройстве. Можно доказать, что это происходит только в том случае, если сопротивление (статическое/постоянному) устройства постоянно; если он переменный, то напряжение и ток не прямо пропорциональны, поэтому закон Ома не выполняется.

Выше я не говорил о температуре. В металлических проводниках, как известно, их удельное сопротивление зависит от температуры проводника, которая зависит от температуры окружающей среды и тока, протекающего через проводник (закон Джоуля). Так как сопротивление зависит от удельного сопротивления, то следует , что сопротивление металлического проводника зависит от тока через него . Разве это не делает металлические проводники неподчиняющимися закону Ома (поскольку напряжение не равно напрямую пропорционально току)? Или я ошибаюсь (если да, то как)?

(Этот вопрос изначально был длиннее, но люди предложили сократить его, поэтому я сделал это. Содержание исходного сообщения находится в этом ответе Quora.)

---

Я прочитал следующие вопросы и соответствующие ответы, но они не не обращаюсь и не отвечаю на мой вопрос:

• Закон Ома выполняется при постоянной температуре — как насчет джоулевого нагрева?: Вопрос касается моего вопроса. Вопрос и ответ Билла Н. говорят, что для выполнения закона Ома температура должна поддерживаться постоянной. Это правда? Я имею в виду, что если мы изменим силу тока в металлическом проводнике, правда в том, что его температура изменится, а значит, изменится и его сопротивление.
• Соответствуют ли металлы при низких температурах закону Ома?: Спрашивающий спрашивает об очень низких температурах.
• Закон Ома в металлах: Вопрос касается моего. Ответ К. Ф. Гаусса гласит, что если температура зависит от сопротивления, то это не противоречит закону Ома. Я думаю, что это так, как я объяснил выше. Я прокомментировал их ответ, но не получил ответа.
• Может ли закон Ома нарушаться в металлах?: Кажется, ответы не касались моего вопроса.
• Неомические проводники: Похоже, ответы не касались моего вопроса.
• Закон Ома сохраняется до какой температуры?: Вопрос касается очень низких температур.
• Закон Ома и нагрев Джоуля: ответ биофизика действительно отвечает на мой вопрос и, кажется, согласуется с тем, что я сказал. Кто-нибудь может подтвердить, правы ли мы?

• температура
• электрический ток
• электрическое сопротивление
• проводники

$\endgroup$

12

$\begingroup$

По-видимому, физики и инженеры используют термин «закон Ома» по крайней мере двумя способами, ни один из которых не является просто определением сопротивления .

(a) Если $I$ пропорционально $V$, то проводник подчиняется закону Ома, в противном случае — нет.

(b) При постоянной температуре (и строго при постоянном давлении) металлические проводники и большинство проводников из одного вещества имеют показатель $I$, пропорциональный $V$.

Ясно, что закон Ома, определенный в (а), соблюдается только узким классом проводников. Но (б) пытается быть самодостаточным законом природы за немногими исключениями.

Ваш термистор не подчиняется закону Ома в соответствии с пунктом (а) по указанным вами причинам.

С другой стороны, (b) ничего не говорит о том, подчиняется ли термистор, самонагревающийся или нагреваемый извне, закону Ома. Это потому, что (b) специально не касается проводников, которые не имеют постоянной температуры!

Лично я предпочитаю (а), но, как намекает Насу (в своем комментарии к вопросу), это не имеет большого значения: обычно вы можете понять из контекста, что кто-то имеет в виду под Закон Ома .

Пусть минусы опускаются!

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Выздоравливающий бывший инженер взвешивается.

Обратите внимание, что для большинства распространенных технических металлов температурный коэффициент сопротивления мал. Это означает, что при температурах, близких к температуре окружающей среды, сдвиг сопротивления, вызванный омическим нагревом, достаточно мал, чтобы его можно было игнорировать, и поэтому инженеры (даже выздоравливающие бывшие инженеры) действительно будут его игнорировать.

Это означает, что инженеры будут использовать закон Ома как закон , а не только как определение сопротивления . Еще одна причина для такой практики заключается в следующем:

В области моделирования динамических систем Омическая (т. механические, гидравлические и термодинамические системы, подверженные малым смещениям — безусловно, достаточно хорошие, чтобы модели первого порядка давали достаточно точные прогнозы (двухзначная точность) поведения системы, чтобы эти модели были полезно .

В целом, и по моему опыту, трехзначная точность требует учета эффектов второго порядка , а модель динамических систем сопротивления, зависящего от температуры, заменит однозначную функцию значением, извлеченным из поиска таблица, содержащая (заранее рассчитанную) динамику второго порядка.

Даже этого недостаточно, чтобы инженеры и выздоравливающие бывшие инженеры не рассматривали омическое поведение как закон , а не только определение сопротивления .

$\endgroup$

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Закон Ома

Закон Ома

Америка очень электрическая страна. Каждый день мы используем больше электричество. Он питает наши моторы, наши печи, наши телевизоры, наши посудомоечные машины, наши компьютеры и т. д. Без электричества это страна остановилась бы. На сегодняшнем мастер-классе мы узнать об электричестве и законе, управляющем его движением через простые схемы, закон Ома. Позже мы узнаем о родной брат электричества, магнетизм.

Что такое электричество? Это вопрос, который люди давно просят. Человечество было очаровано электричество, даже когда они не знали, что это такое. Молния является естественной (и смертельной) версией электричества. Статический электричество (тереть мехом, шаркать ногами по ковру и т. д.) еще один пример электричества, который существует уже давно время. Однако так было до тех пор, пока великий американский физик Бен Франклин открыл электрический заряд, который мы начали понимать его свойства и как им пользоваться. (Кстати, должно быть указал, что причина, по которой Бен Франклин был государственным деятелем, потому что он был очень уважаем как ученый в первую очередь. Фактически, Франклин был единственным иностранным членом Французской академии наук. Наука.)

Франклин обнаружил, что в мир, позитив и негатив. В большинстве материалов эти два заряды присутствуют в равном количестве, что делает большинство веществ электрически нейтральным. Однако с помощью определенных действий, таких как потирая резину о мех, можно разделить заряды. Мы сейчас известно, что отрицательные заряды называются электронами, а положительные заряды называются протонами. Только позже это было мы обнаружили, что существует третий тип частиц, называемый нейтрон, не имеющий заряда. Следующие виды деятельности продемонстрировать эту идею заряда.

• Воздушный шар на стене и флуоресцентная трубка
• Лысый и гребень
• Пенополистирол в пластике
• Электроскопы
• Электростатический Сепараторы
• Фотокопировальный аппарат для перца
• Проводники
• Электролиз
• Потенциал
• Термопара
• Закон Ома
• Резистивная мощность
• Параллельные и последовательные цепи

Воздушный шар на стене и люминесцентная лампа

Одним из способов разделения зарядов является трение меха о резину. Прекрасными примерами этих двух являются воздушные шары и волосы (Hair is шерсть!). Сначала надуйте воздушный шар и завяжите конец. Потрите воздушный шар против головы (если у вас фолликулярные нарушения, то потрите это против головы вашего соседа.). Если деревянная поверхность (дверь или обшивка) находится рядом, нажмите на протертую часть баллона против дерева. Отпустите воздушный шар. Что случается?

Еще один способ «увидеть» заряд — потереть баллон. против люминесцентной лампочки. Вымойте снаружи длинный люминесцентную лампу и тщательно высушите ее. В затемненной комнате встаньте трубка в вертикальном положении одним концом на полу. Потрите воздушный шар быстро вверх и вниз по трубе, а затем держите воздушный шар рядом с трубка. Что случается?

Когда вы терли шарик о волосы или стекло, вы смогли разделить заряды с отрицательными зарядами остаются на воздушном шаре. Поднесение воздушного шара к дереву поверхность, вызывает притяжение положительных зарядов в древесине к воздушному шару (в отличие от притяжения), в то время как отрицательные заряды в древесина отталкивалась (вроде отталкивалась). Таким образом, когда воздушный шар был прислонен к стене, положительные заряды в дереве были близко к поверхности и их сила притяжения удерживала воздушный шар на месте. С лампочкой электроны на воздушном шаре вызывают заряды разделить с трубкой. Пар в ближайшей к воздушный шар становится заряженным, как это происходит, когда лампочка ток, протекающий через него во время нормальной работы. Заряженный пар бомбардирует флуоресцентные химические вещества на поверхности лампочку, так как пар притягивается к воздушному шару. Это вызывает химические вещества, чтобы зажечь.

Оценка: Воздушный шар довольно хорошо держался на стене. Однако из-за влажности мы получили очень мало ответов от люминесцентная лампочка. Мы заставили его работать, но только поместив его рядом с генератором Ван де Графа.

Лысый и гребень

Вы можете показать электрическое притяжение с помощью пластиковой расчески и шарик для пинг-понга. Зарядите расческу, проведя ею по меху, шерсти или волосы. Поднесите расческу к мячу. Что происходит и почему? Вы можете также привлекайте другие вещи заряженной расческой. С ним заряжен вверх, поместите расческу рядом с потоком воды. Поток внезапно наклонился к гребенке. Почему?

Чтобы просмотреть фильм Quicktime этой демонстрации, нажмите здесь.

Оценка: Даже при высокой влажности эти два демонстрации работали хорошо. Гребень возле ручья воды был способен отклонить поток примерно на 3 дюйма.

Пенопласт в пластике

Вы когда-нибудь доставали предмет из коробки, наполненной Гранулы из пенополистирола, от которых так и не удалось избавиться их? Кажется, они прилипают ко всему. Причина в том, что они так легко набирают заряд. Вы можете сделать отличную демонстрацию помещая небольшие кусочки пенопласта в пластиковый контейнер. После закрытия контейнера (прозрачная пластиковая туба с резиновые колпачки на обоих концах работают хорошо), протрите снаружи кусок ткани или меха. Что случается? Когда ты будешь тереть пластик, электроны (отрицательные заряды) осаждаются на поверхности пластик. Эти заряды отталкивают отрицательно заряженный пенополистирол, вытесняя их из этой области.

Оценка: Эта демонстрация прошла нормально. Мы использовали 48 дюймов крышки для люминесцентных ламп и небольшие кусочки пенополистирола для наших труб. Достаточно потереть его перчаткой из воловьей кожи. статический заряд, чтобы пенопласт прыгал. кусочки пенопласта должны быть довольно маленькими (около миллиметра в диаметре), чтобы быть видел прыжки. Влагопоглотитель в трубке может улучшить производительность во влажные дни.

Электроскопы

Электроскопы — это устройства, позволяющие измерять заряды на объекте. Вы можете построить его довольно просто, используя банку с крышку, кусок проволоки или металлическую скрепку, тонкую алюминиевую фольгу и глина или воск. Проделайте небольшое отверстие в крышке банки, большое достаточно, чтобы протянуть через него провод. Вставьте провод через отверстие, оставив небольшую петлю проволоки, торчащую из верхней части крышка. Заклейте отверстие глиной/воском. Отрежьте провод так, чтобы он уходит примерно наполовину в банку. Согните конец проволоки и в конце положите две тонкие полоски фольги. Убедитесь, что фольга несколько свободно вращается. Закрутите крышку обратно на банку. Ты теперь есть электроскоп.

Потрите кусок резины о мех и поднесите резину близко к проволочной петле. Что происходит с двумя кусками фольги? Трогать резинку к петле, а затем вытяните ее. Какие части из фольги делаешь сейчас? Когда вы коснулись резинкой петли, вы осаждали отрицательные заряды на проволоку и, таким образом, на кусочки фольги. Поскольку обе части имеют одинаковый заряд, они отталкивают друг друга. Теперь потрите кусок шелка о стекло. Поднесите стекло к проволочной петле. Что случается? Коснитесь стекло к петле. Так как стекло имеет положительный заряд, прикосновение к петле нейтрализует отрицательный заряд на фольга, уменьшающая отталкивание фольги. Попробуйте потереть другие объекты против вещей и посмотреть, если заряды разделены.

Оценка: из-за влажности этот эксперимент не удался. несчастно. Фольга в трубке вообще не шевелилась. Тоньше фольга (мы использовали сверхмощную алюминиевую фольгу) и осушитель может заставить его работать.

Электростатический Сепараторы

Тот факт, что предметы могут заряжаться, может быть очень полезен. Поскольку одни объекты заряжаются быстрее других, мы можем использовать электричество для разделения определенных смесей. Для этого эксперимента мы понадобится немного соли, немного черного молотого перца, пластиковый гребень и мех/ткань. Смешайте соль и перец вместе и распределите на ровной поверхности. Зарядите расческу и медленно проведите ею по смеси на высоте около одного сантиметра. Не просто держите расчешите смесь. Осмотрите гребень. На нем что-нибудь есть? Сделайте несколько проходов и посмотрите, сможете ли вы полностью отделить перец из гребня.

Когда вы проводите расческой по смеси, соль и перца электростатически притягиваются к гребню. Однако, так как перец легче, он будет легче «прыгать» на гребенку (Примечание: поскольку вещества прилипают на расческу, они начинают приобретать суммарный отрицательный заряд и поэтому в конечном итоге отталкиваются. Вот почему вы не должны оставить расческу над смесью.). Хотя немного соли прилипают к гребенке, большинство частиц на гребенке первый проход перец. В конце концов, однако, отношение соли к перца в смеси становится так много из-за перца, что было вытащено, что большинство частиц застряли на гребень соль. К этому времени в смеси достаточно большие, и их можно удалить некоторыми другие средства. Этот способ разделения смеси Электростатика широко используется в устройствах контроля загрязнения окружающей среды. угольные заводы. Частицы золы можно удалить электростатические поля, как перец.

Оценка: Этот эксперимент работал с небольшими кусочками перец, но это не сработало для больших кусков. Используя мелко молотый перец может работать лучше.

Фотокопировальный аппарат Pepper

Фотокопировальные машины используют электростатику для нанесения тонера на лист бумаги там, где он должен быть. Тонерная пыль притягивается области бумаги, которые были заряжены электростатически. Пыль тонера расплавляется на странице горячей проволокой и фиксируется. в положение именно там, где оно было на оригинале. Мы можем показать этого эффекта с чашкой Петри, мелкомолотым черным перцем, бумагой, и кусок шелка. Поместите перец в чашку Петри и накройте крышкой. со стеклянной крышкой. Приклейте лист бумаги к верхней части крышки который покрывает некоторую его часть. Потрите верхнюю часть крышки шелк. Что случается? Чтобы лучше понять, потри стакан стержень с шелком и вставьте его в чашку Петри. Это перец притягивается или отталкивается стержнем?

Оценка: не выполнена.

Проводники

Какой бы полезной ни была электростатика, нас больше интересует подвижные заряды. В энергетической компании какой-то вид топлива потребляется, высвобождая большое количество энергии. Эта энергия должна транспортироваться каким-либо образом с завода в наши дома и офисы. Статический заряд этого не делает; движущийся заряд делает. Движущиеся заряды называются токами и являются методом передача энергии от электростанции к нам. Две вещи необходимы для тока. Один — разность потенциалов. Этот означает, что вам нужно превышение одного вида заряда в одном расположение относительно другого (например, больше электронов на одном полюсе батареи, чем на другом полюсе). Другое, что вам нужно, это проводящая дорожка. Всякая материя обладает определенной способностью проводить электричество; некоторые вещи лучше, чем другие. Учиться проводимости, рассмотрим следующий эксперимент. Мы будем нужна батарейка D-cell, прищепка, лампочка для фонарика, алюминий фольга, малярный скотч, ножницы, линейка и тестовые материалы (резинки, бумага, дерево, монеты, полоски пластика, пластик пленка, стекло и др. ).

Отрежьте два куска фольги по 60 см. х 15 см и сложите их пополам вдоль, пока они не образуют две тонкие полоски 60 сантиметров длинная. Приклейте один конец каждой полоски к концам батареи. Соедините другой конец одной из полосок с основанием лампочка фонарика с помощью прищепки. Протестируйте материалы по касаясь нижней части колбы к материалу, в то время как материал находится в контакте с другой алюминиевой полосой. Какие заставить лампочку светиться?

Оценка: Участникам понравился этот эксперимент. Это позволяет учащиеся тестируют многие материалы в безопасной среде, что позволяет им какое-то творчество.

Электролиз

Как вы видели в предыдущем эксперименте, металлы превосходны. проводники. Вот почему электрические провода сделаны металлов. Однако другие вещества могут проводить электричество. За Например, воздух обычно является плохим проводником электричества. Но если существует достаточно большой потенциал, даже он может стать проводящим (например, молния). Другие материалы также могут проводить электричество. Ан пример соленая вода. Чтобы показать это, нам понадобится D-ячейка батарея, стакан с соленой водой и два провода.

Подсоедините провода к аккумулятору. Убедитесь, что провода оголены на другом конце аккуратно вставляем другие концы проводов на противоположные концы стакана. Что случается? Вы можете заметить образование пузырьков на обоих выводах. Теперь смешайте соль с водой. какая бывает? Пузырьки — это водород и кислород. Как электроны проходят через воду, они диссоциируют молекулы воды обратно в водород и кислород. При добавлении соли растворяется ионы Na+ и Cl- позволяют большему току проходить через воду, в результате образуется больше газа. На самом деле это один из способов что мы производим водород, которого почти нет в нашем атмосфера. Вы должны уметь собирать эти газы с помощью две пробирки, наполненные водой, перевернулись возле проводов. Если вы делаете, будьте осторожны, так как оба газа легко воспламеняются.

Оценка: Этот эксперимент увенчался скромным успехом. Лучше способ показать повышенный ток мог состоять в том, чтобы подключить маленькая лампочка в цепи. Когда ток увеличивается, лампочка стала бы ярче.

Потенциал

Как мы говорили ранее, также требуется разность потенциалов для тока. Один из способов создать такой потенциал — использовать батарея. Батарея представляет собой устройство, состоящее из двух разнородных металлов или соединения в растворе электролита. Как это производит Текущий? Внешние электроны в атомах одного из металлов находятся на более высоком энергетическом уровне, чем внешние электроны в атомы другого металла. Когда эти атомы находятся в растворе (To перевести атомы в раствор, металлы помещают либо в кислотный или щелочной раствор, растворяющий хотя бы одно из металлов), они могут вступать в реакцию, и электроны более высокого энергетического уровня от одного из металлов течет к более низкой энергии другого металл. Разница в энергии между электронами два разных металла могут быть извлечены в виде тока. Следующее эксперименты покажут это.

Эксперимент 1: Для этого эксперимента нам понадобится кусок цитрусовые (лимон, апельсин, грейпфрут и др.), вольтметр, провод провода и несколько полосок из различных металлов. Сначала сверните фрукты между ладонью и столешницей, чтобы сломать внутренние оболочки плода. Вставьте два разных металла в фрукт. Подсоедините провода к вольтметру, а затем к металл. Прочтите показания вольтметра. Повторите для всех комбинаций металлов. полоски. Занесите свои выводы в таблицу. Какие два дают наибольший потенциал? Почему это?

Эксперимент 2: Хотите верьте, хотите нет, но ваша кожа слегка кислая. Таким образом, вместо использования цитрусовых мы могли бы иметь точно такое же ну как тебя использовал. Поместите медную полоску на один провод и алюминий один на другой. Полностью сухими руками держите оба куска металла. Каков потенциал? Теперь смочите руки и повторить. Изменился ли потенциал? Почему или почему нет?

Эксперимент 3: Один из способов увеличить напряжение — подключить несколько последовательно соединенных электролизеров. Для этого соберите три разные кусочки фруктов и три набора из двух разных металлов (например, три куска меди и три куска алюминия). Поместите один набор металлов в каждый плод. Соедините два фрукта вместе, прикрепление проволоки между двумя отдельными металлами на противоположных фруктах. Таким же образом соедините третий фрукт с двумя другими. Подсоедините оставшиеся два куска металла к вольтметру. Как напряжение сравнивается с тем, что в вашей таблице для того же металлы? Для увеличения тока необходимо соединить ячейки в параллельно. Для этого соедините все три фрукта между собой прикрепляя каждую металлическую пластину к ее таким же составным партнерам в каждом фрукты. Подключите вольтметр к любым двум разноименным металлическим парам. Повернуть вольтметр на ток и считать силу тока. Отключите один из фрукты. Как меняется ток? Уберите еще один лимон. Что он читает сейчас?

Оценка: Этот эксперимент удался. Участники были в состоянии определить, какие два металла обеспечивают наибольший потенциал разница. С лимоном были большие трудности из-за его внутренние мембраны. Лучшим экспериментом может быть сжатие лимонного сока в небольшой химический стакан или пробирку, чтобы сделать тест.

Термопара

Еще один способ получения электричества — с помощью термопары. Это устройство, состоящее из двух разнородных металлических пар на разные температуры. Это производит электричество за счет Эффект Зеебека. Как в батарейке, когда два разнородных металла при контакте их внешние электроны имеют две разные энергии уровни. Эта разность энергий зависит от температуры при в котором находятся эти два металла. Термопара использует секунду пары точно двух металлов при разной температуре для создания разность потенциалов между ними. Достаточно интересно, термопары используются на космическом корабле «Вояджер» для подачи энергии. В качестве горячего источника они используют тепло от распада радиоактивных элементы (они слишком далеко от солнца, чтобы использовать его.).

Мы можем довольно легко построить термопару. Нам нужно несколько разные пары металлов (см. предыдущий опыт), вольтметр, провода, ледяная баня и горячий источник (пламя, горячая плита, так далее.). Скрутите два набора металлов из предыдущего эксперимента. вместе. Прикрепите два металла одного типа из каждой пары вместе. Прикрепите два других металла того же типа к вольтметру. Поместите одну пару в ледяную баню, а другую поместите в теплая среда. Снимите показания вольтметра и запишите показания в график ниже. Повторить для всех пар. Какая пара дала максимальное напряжение?

Оценка: этот эксперимент работал только из-за чувствительности используемых вольтметров. Эффекта бы тоже не было хорошо на стандартных вольтметрах, встречающихся в среднем классе и высоком школы.

Закон Ома

Георг Ом в начале 1800-х годов обнаружил, что для многих токопроводящие материалы, ток, проходящий через материал, был пропорциональна напряжению на нем. Этот закон (в отличие от закона Ньютона Законы, Закон Ома не является универсальной истиной; это эмпирический закон это верно для многих проводящих материалов.) можно записать как V = I R где V — напряжение, I — ток, R — сопротивление. Сопротивление объекта зависит от нескольких факторы. Чем длиннее объект, тем большее сопротивление он оказывает. больше площадь поперечного сечения, которую объект представляет поток электронов, тем меньше сопротивление. Наконец, сопротивление объекта определяется составом объект; медь имеет меньшее удельное сопротивление, чем вода. Это все выражается уравнением R = L/A, где – удельное сопротивление объекта, L — его длина, а A — площадь.

Мы можем проверить эту формулу следующим образом. Нам понадобится D-элементная батарея, несколько карандашных грифелей разного диаметра, провода, и амперметр (мультиметр настроен на силу тока). Соединить два провода к полюсам батареи. Подсоедините один конец одного провода к конец карандашного грифеля. Подсоедините другой провод к амперметру. Третьим проводом подключите другой конец амперметра к место на стержне карандаша, которое находится на расстоянии 1 сантиметра от первый. Измерьте силу тока. Переместите провод на расстояние 2 см. отодвиньте и измерьте ток. Повторяйте, пока не окажетесь на расстоянии 5 см. Повторите это со всеми стержнями карандаша. Составьте схему своего полученные результаты. Чему равно удельное сопротивление карандаша? ведет?

Оценка: Этот эксперимент не удался из-за того, что мы использовали грифели угольного карандаша, которые были усилены некоторыми тип полимера. Эта примесь снизила сопротивление проводов. примерно до 0,5-1 Ом. Когда батареи были подключены, так много по проводам шел ток, что они начали дымить. Убедитесь, что грифели карандаша сделаны из чистого углерода (попробуйте более дешевый дорогие).

Резистивная мощность

Проблема с сопротивлением заключается в том, что оно приводит к тому, что провод горячий. А если провод греется, значит, нагрев идет. генерируется. А если вырабатывается тепло, то энергия быть потерянным. Учитывая, что электричеству приходится путешествовать на большие расстояния расстояния, чтобы добраться до вашего дома, и это сопротивление увеличивается с расстояние, много энергии теряется в электрических линиях. В фактически только около 90% электроэнергии, поступающей в линия доходит до вашего дома. Чтобы показать, что сопротивление вызывает нагрева, проведите следующий опыт. Создайте полосу шириной 15 см. алюминия, складывая большой кусок алюминия несколько раз. Прикрепите конец алюминия к обоим концам батарейки типа D. Не делайте этого более 20 секунд, так как алюминий очень жарко, и аккумулятор разрядится.

Оценка: не делал этого со времени предыдущего эксперимента. показал этот эффект.

Параллельные и последовательные цепи

Когда электричество подается только на один прибор, проводка совсем простая. Цепь образует петлю с одним вход в прибор, подключенный к одному потенциалу и другой вход в другой. Однако, когда требуется два или более приборов чтобы их подключить, у вас есть два варианта их подключения. Один из этих вариантов — последовательная схема. В этом типе вывод ток от одного прибора является входом для следующего прибора. Следовательно, ток должен проходить через каждый прибор. Если там обрыв провода (прибор выключен или не работает), то ток в цепи перестает течь и каждый прибор выключается. Примером такого типа цепи является елочные огни в старинном стиле. Другой способ подключения нескольких приборы параллельно. Для этого типа каждый прибор непосредственно к источнику напряжения. У каждого прибора своя Текущий. Таким образом, если какой-либо прибор выключен, он не влияют на другие приборы.

В обеих схемах блок питания просто «видит» что он должен подавать ток на резистор. Эти два разных схемы подключения представляют два разных сопротивления напряжению поставлять. В последовательной цепи полное сопротивление цепи рассчитывается путем суммирования индивидуальных сопротивлений электроприборы (RTобщ = R1 + R2 +.