Глава 5. Закон Ома . Введение в электронику

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Описать три основных части цепи.

• Описать три типа конфигурации цепей.

• Описать, как можно изменять ток в цепи.

• Дать определение закона Ома, связывающего ток, напряжение и сопротивление.

• С помощью закона Ома находить ток, напряжение и сопротивление в последовательных, параллельных и последовательно-параллельных цепях.

• Описать отличия протекания полного тока в последовательных и параллельных цепях.

• Описать различия полного падения напряжения в последовательных и параллельных цепях.

• Описать различия полного сопротивления в последовательных и параллельных цепях.

Закон Ома определяет связь трех фундаментальных величин: силы тока, напряжения и сопротивления. Он утверждает, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

В этой главе исследуется закон Ома и его применение к электрическим цепям. Некоторые понятия были введены в предыдущих главах.

5–1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Как установлено ранее, ток течет из точки с избытком электронов в точку с дефицитом электронов. Путь, по которому следует ток, называется электрической цепью. Все электрические цепи состоят из источника тока, нагрузки и проводников. Источник тока обеспечивает разность потенциалов, которая позволяет течь току. Источником тока может быть батарея, генератор или другое устройство, описанное в главе 3.

Нагрузка оказывает сопротивление протеканию тока. Это сопротивление может быть высоким или низким, в зависимости от назначения цепи. Ток в цепи течет через проводники от источника к нагрузке. Проводник должен легко отдавать электроны. В большинстве проводников используется медь.

Путь электрического тока к нагрузке может проходить через три типа цепей: последовательную цепь, параллельную или последовательно-параллельную цепи. Последовательная цепь (рис. 5–1) предоставляет току только один путь от источника к нагрузке. Параллельная цепь (рис. 5–2) предоставляет более одного пути для протекания тока. Она позволяет источнику прикладывать напряжение к более чем одной нагрузке. Она также позволяет подключить несколько источников тока к одной нагрузке. Последовательно-параллельная цепь (рис. 5–3) является комбинацией последовательной и параллельной цепей.

Рис. 5–1. Последовательная цепь предоставляет один путь для протекания тока.

Рис. 5–2. Параллельная цепь предоставляет более чем один путь для протекания тока.

Рис. 5–3. Последовательно-параллельная цепь является комбинацией последовательной и параллельной цепей.

Ток электронов в электрической цепи течет от отрицательного вывода источника тока через нагрузку к положительному выводу источника тока (рис. 5–4). Пока этот путь не нарушен, цепь замкнута и ток течет (рис. 5–5). Однако если прервать путь, цепь станет разомкнутой и ток не сможет по ней идти (рис. 5–6).

Рис. 5–4. Ток электронов течет по электрической цели от отрицательного вывода источника тока через нагрузку и возвращается в источник тока через положительный вывод.

Рис. 5–5. Замкнутая цепь обеспечивает прохождение тока.

Рис. 5–6. Разомкнутая цепь не поддерживает прохождение тока.

Силу тока в электрической цепи можно изменять, изменяя либо приложенное напряжение, либо сопротивление цепи. Ток изменяется в таких же пропорциях, что и напряжение или сопротивление. Если напряжение увеличивается, то ток также увеличивается.

Если напряжение уменьшается, то ток тоже уменьшается (рис. 5–7). С другой стороны, если сопротивление увеличивается, то ток уменьшается. Если сопротивление уменьшается, то ток увеличивается (рис. 5–8). Это соотношение между напряжением, силой тока и сопротивлением называется законом Ома.

Рис. 5–7. Силу тока в электрической цепи можно изменять путем изменения напряжения.

Рис. 5–8. Силу тока в электрической цепи также можно изменять путем изменения сопротивления цепи.

5–1. Вопросы

1. Каковы три основные части электрической цепи?

2. Дайте определения:

а. Последовательной цепи

б. Параллельной цепи

в. Последовательно-параллельной цепи

3. Нарисуйте схему цепи, показывающую, как ток будет течь по цепи. (Используйте стрелки для указания направления тока).

4. В чем отличие разомкнутой цепи от замкнутой цепи?

5. Что происходит с током в электрической цепи при увеличении напряжения? При уменьшении напряжения? При увеличении сопротивления? При уменьшении сопротивления?

5-2. ЗАКОН ОМА

Закон Ома или соотношение между силой тока, напряжением и сопротивлением был открыт Георгом Омом в 1827 году. Закон Ома утверждает, что ток в электрической цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению цепи. Это может быть выражено следующим образом:

или

I = U/R,

где I = ток в амперах,

Е = напряжение в вольтах,

R = сопротивление в омах.

Если две из этих трех величин известны, то третья всегда может быть определена.

_{ПРИМЕР. Какова сила тока в цепи, изображенной на рис. 5–9?}

_{Рис. 5–9}

_Дано:

_{ЕТ = 12 В; RT = 1000 Ом.}

_{IT =?}

_{Решение:}

_{IT = ЕТ/RT = 12/1000}

_{IT = 0,012 А или 12 мА.}

_{ПРИМЕР. Какое надо приложить напряжение к цепи на рис. 5-10, чтобы получить ток 20 миллиампер?}

_{Рис. 5-10}

_Дано:

_{IT = 20 мА = 0,02 А}

_{RT = 1,2 кОм = 1200 Ом.}

_{ЕТ =?}

_{Решение:}

_{IT = ЕТ/RT = ЕТ/1200 = 0,02}

 _{ЕТ = (0,02)(1200)}

 _{ЕТ = 24 В.}

_{ПРИМЕР. Каково должно быть значение сопротивления в цепи, изображенной на рис. 5-11, чтобы получить ток 2 А?}

_{Рис. 5-11}

_Дано:

_{IT = 2 А;  ЕТ = 120 В}

_{RT =?}

_{Решение:}

_{IT = ЕТ/RT}

_2 = 120/RT

_{120/2 = R}

T

_{RT = 60 Ом}

5–2. Вопросы

1. Запишите закон Ома в виде формулы.

2. Какова величина тока в цепи сопротивлением 2400 ом, к которой приложено напряжение 12 вольт?

3. Какова должна быть величина сопротивления для того, чтобы ограничить ток 20 миллиамперами при приложенном напряжении 24 вольта?

4. Какое напряжете необходимо приложить, чтобы обеспечить силу тока 3 ампера через сопротивление 100 ом?

5-3. ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНА ОМА

В последовательной цепи (рис. 5-12) через всю цепь течет один и тот же ток.

I_T = I_R1 = I_R2 = I_R3 =… = I_Rn

Рис. 5-12. В последовательной цепи сила тока одинакова во всей цепи.

Полное напряжение, приложенное к последовательной цепи, равно сумме падений напряжений на отдельных нагрузках (сопротивлениях) цепи.

E_T = E_R1 + E_R2 + E_R3 + … + E_Rn

Общее сопротивление последовательной цепи равно сумме отдельных сопротивлений цепи.

R_T = R₁ + R₂ + R₃ + … + R_n

В параллельной цепи (рис. 5-13) одинаковое напряжение прикладывается к каждой ветви цепи.

E_T = E_R1 = E_R2 = E_R3 = … = E_Rn

Рис. 5-13. В параллельной цепи токи делятся между ветвями цепи и складываются при возвращении в источник тока.

Полный ток в параллельной цепи равен сумме токов отдельных ветвей цепи.

Величина обратная полному сопротивлению равна сумме обратных величин сопротивлений отдельных ветвей.

1/R_T = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ +… + 1/R_n

Общее сопротивление параллельной цепи всегда меньше, чем наименьшее из сопротивлений отдельных ветвей.

Закон Ома утверждает, что ток в цепи (последовательной, параллельной или последовательно-параллельной) прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.

При определении неизвестных величин в цепи, следуйте следующим правилам:

I = E/R

1. Нарисуйте схему цепи и обозначьте все известные величины.

2. Проведите расчеты для эквивалентных цепей и перерисуйте цепь.

3. Рассчитайте неизвестные величины.

Помните: закон Ома справедлив для любого участка цепи и может применяться в любой момент. По последовательной цепи течет один и тот же ток, а к любой ветви параллельной цепи приложено одинаковое напряжение.

_{ПРИМЕР. Чему равен полный ток в цепи, изображенной на рис. 5-14?}

_{Рис. 5-14}

_Дано:

_{ET = 12 В}

_{R1 = 560 Ом; R2 = 680 Ом; R3 = 1 кОм = 1000 Ом.}

_{IT =?; RT =?}

_{Решение:} 

_{Сначала вычислим общее сопротивление цепи:}

_{RT = R1 + R2 + R3}

_{RT = 560 + 680 + 1000 = 2240 Ом.}

_{Нарисуем эквивалентную цепь. См. рис. 5-15.}

_{Рис. 5-15} 

_{Теперь вычислим полный ток:}

_{IТ = EТ/RТ = 12/2240}

_{IТ = 0,0054 А или 5,4 мА} 

_{ПРИМЕР. Каково падение напряжения на резисторе R2 в цепи, изображенной на рис. 5-16?}

_{Рис. 5-16}

_Дано:

_{EТ = 48 В}

_{R1 = 1,2 Ком = 1200 Ом; R2 = 3,9 Ком = 3900 Ом; R3 = 5,6 кОм = 5600 Ом.}

_{IT =?; RT =?}

_{Решение:}

_{Сначала вычислим общее сопротивление цепи:}

_{RT = R1 + R2 + R3}

_{RT = 1200 + 3900 + 5600 = 10700 Ом.}

_{Нарисуем эквивалентную цепь. См. рис. 5-17.}

_{Рис. 5-17}

_{Теперь вычислим полный ток:}

_{IТ = EТ/RТ = 48/10700}

_{IТ = 0,0045 А или 4,5 мА} 

_{Вспомним, что в последовательной цепи один и тот же ток течет через всю цепь. Следовательно, IR2 = IT.}

_{IR2 = ER2/R2} 

_{0,0045 = ER2/3900}

_{Е2 = (0,0045)(3900)}

_{Е2 = 17,55 В.}

_{ПРИМЕР. Чему равно значение R2 в цепи, изображенной на рис. 5-18?}

_{Рис. 5-18} 

_{Сначала найдем ток, протекающий через R1 и R2. Поскольку к каждой ветви параллельной цепи приложено одинаковое напряжение, напряжение на каждой ветви равно напряжению на источнике тока и равно 120 вольт.}

_Дано:

_{ER1 = 120 В; R1 = 1000 Ом} 

_{IR1 =?}

_{Решение:}

_{IR1 = ER1/R1 = 120/1000}

_{IR1 = 0,12 А} 

_{* * *}

_Дано:

_{ER3 = 120 В; R3 = 5600 Ом} 

_{IR3 =?}

_{Решение:}

_{IR3 = ER3/R3}

_{IR3 = 0,021 А} 

_{В параллельной цепи полный ток равен сумме токов в ветвях.}

_Дано:

_{IT = 0,200 А; IR1 = 0,120 А; IR3= 0,021 А}

_{IR2 =?}

_{Решение:}

_{IT = IR1 + IR2 + IR3}

_{0,200 = 0,12 + IR2 + 0,021}

_{0,200 = 0,141 + IR2}

_{0,200 — 0,141 = IR2}

_{0,059 A = IR2.}

_{Теперь с помощью закона Ома можно найти величину резистора R2.}

_Дано:

_{IR2 = 0,059 А; ER2 = 120 B}

_{R2 =?}

_{Решение:}

_{IR2 =  ER2/R2}

_{0,059 = 120/R2} 

_{R2 = 120/0,059}

_{R2 = 2033,9 Ом}

_{ПРИМЕР. Чему равен ток через резистор R3 в цепи, изображенной на рис. 5-19?}

_{Рис. 5-19}

_{Сначала определим эквивалентное сопротивление (RA) резисторов R1 и R2.}

_Дано:

_{R1 = 1000 Ом; R2 = 2000 Ом}

_{RА =?}

_{Решение:}

_{1/RА = 1/R1 + 1/R2}

_{1/RА = 1/1000 + 1/2000}

_{RА = 2000/3 = 666,67 Ом}

_{Теперь найдем эквивалентное сопротивление (RB) резисторов R4, R5 и R6. Сначала найдем общее сопротивление (Rs) последовательно соединенных резисторов R5 и R6.}

_Дано:

_{R5 = 1500 Ом; R6 = 3300 Ом}

_{Rs =?}

_{Решение:}

_{Rs = R5 + R6}

_{Rs = 1500 + 3300 = 4800 Ом.}

_{* * *}

_Дано:

_{R4 = 4700 Ом; Rs = 4800 Ом}

_{RB =?}

_{Решение:}

_{1/RB = 1/R4 + 1/Rs}

_{1/RB = 1/4700 + 1/4800}

_{(В этом случае общий знаменатель найти сложно. Будем использовать десятичные дроби. )}

_{1/RB = 0,000213 + 0,000208}

_{RB = 1/ 0,000421 = 2375,30 Ом}

_{Нарисуем эквивалентную цепь, подставляя RA и RB, и найдем полное сопротивление последовательной эквивалентной цепи. См. рис. 5-20.}

Рис. 5-20

_Дано:

_{RA = 666,67 Ом; R3 = 5600 Ом; RB = 2735,30 Ом}

_{RT =?}

_{Решение:}

_{RT = RA + R3 + RB}

_{RT = 666,67 + 5600 + 2375,30}

_{RT = 8641,97 Ом.}

_{Теперь с помощью закона Ома найдем общий ток в эквивалентной цепи.}

_Дано:

_{ET = 120 В; RT = 8641,97 Ом}

_{IT =?}

_{Решение:}

_{IT =  ET/RT = 120/8641,97}

_{IT = 0,0139 А или 13,9 мА.}

_{В последовательной цепи по всей цепи протекает одинаковый ток. Следовательно, ток, протекающий через R3 равен общему току в цепи.}

_{IR3 = IT = 13,9 мА}

5–3. Вопросы

1. Запишите формулы, необходимые для определения полного тока в последовательной и параллельной цепях, когда известны токи, протекающие через отдельные компоненты.

2. Запишите формулы, необходимые для определения полного напряжения в последовательной и параллельной цепях, когда известны падения напряжения на отдельных участках.

3. Запишите формулы для определения полного сопротивления последовательной и параллельной цепей, когда известны отдельные сопротивления.

4. Запишите формулы для вычисления полного тока, напряжения или сопротивления в последовательной или параллельной цепях, когда хотя бы две из трех величин (ток, напряжение и сопротивление) известны.

5. Чему равен общий ток в цепи, изображенной на рис. 5-21?

Рис. 5-21

Е_т= 12 В

R₁ = 500 Ом; R₂ = 1200 Ом; R₃ = 2200 Ом.

I_T =?

РЕЗЮМЕ

• Электрическая цепь состоит из источника тока, нагрузки и проводника.

• Путь тока в электрической цепи может быть последовательным, параллельным или последовательно-параллельным.

• Последовательная цепь предоставляет только один путь для протекания тока.

• Параллельная цепь предоставляет несколько путей для протекания тока.

• Последовательно-параллельная цепь обеспечивает комбинацию последовательных и параллельных путей для протекания тока.

• Ток электронов протекает от отрицательного вывода источника тока через нагрузку к положительному выводу источника тока.

• Протекающий в электрической цепи ток можно изменять путем изменения либо напряжения, либо сопротивления.

• Закон Ома связывает между собой силу тока, напряжение и сопротивление.

• Закон Ома утверждает, что сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению цепи.

I = E/R

• Закон Ома применяется ко всем последовательным, параллельным и последовательно-параллельным цепям.

• Для определения неизвестных величин в цепи необходимо:

— Нарисовать схему цепи и обозначить все величины.

— Провести вычисления для эквивалентных цепей и перерисовать цепь.

— Вычислить все неизвестные величины.

Глава 5. САМОПРОВЕРКА

С помощью закона Ома найдите неизвестные величины в следующих примерах:

1. I =?; E = 9 В; R = 4500 Ом.

2. I = 250 мА; E =?; R = 470 Ом.

3. I = 10 A; E = 240 В; R =?

4. Найдите полный ток в изображенных цепях.

1.3. Закон Ома

В 1827 г. немецкий физик Г. Ом, проведя серию точных экспериментов, установил один из основных законов электрического тока. Он гласит: постоян­ный электрический ток в участке электрической цепи прямо пропорциона­лен напряжению на этом участке.

Закон Ома имеет различные формы записи.

В дифференциальной форме для участка цепи без ЭДС он имеет вид

, (1.2)

где – удельная проводимость.

Рассмотрим прямолинейный проводник постоянного сечения s (рис. 1.6):

. (1.3)

Рис. 1.6

Это вторая форма записи закона Ома для участка цепи без ЭДС, которая назы­вается интегральной. Он формулируется следующим образом: ток в провод­нике равен отношению падения напряжения на участке проводника к элек­трическому сопротивлению участка.

Электрическое сопротивлениепрямо пропорционально длинеи об­ратно пропорционально площади поперечного сечения проводника:

. (1.4)

Размерность сопротивления.

Таким образом, сопротивление– это скалярная величина, характеризую­щая проводящие свойства цепи. Оно равно отношению постоянного напряжения на участке цепи к току в нем при отсутствии на участке ЭДС:

. (1.5)

Сопротивление – это величина, показывающая, что в данном участке цепи происходит преобразование энергии.

Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью:

. (1.6)

Размерность проводимости – сименс (См). 1 См = 1/Ом.

Удельное сопротивление:

(1.7)

Тогда

. (1.8)

Удельное сопротивление получено экспериментально для всех материалов и приведено в справочниках.

Обмотки реостатов и нагревательных приборов изготавливают из сплавов с большим удельным сопротивлением (нихром, фехраль и т. п.).

Устройства, которые включают в электрическую цепь для ограничения или регулирования тока, называются резисторами или реостатами.

Рис. 1.7

Зависимость тока резистораIот подво­димого напряженияUназывается еговольт­амперной характеристикой(ВАХ). Если сопротивление резистора не зависит от тока, то его ВАХ представляет собой прямую линию (рис. 1.7 а), проходящую через начало координат. Такой резистор называетсялинейным. Рези­стор, ВАХ которого не является прямой ли­нией (рис. 1.7 б), называетсянелинейным. Электрические цепи, содержащие только ли­нейные элементы, называют линейными. Если в цепи имеется хотя бы один нелинейный элемент, вся цепь называетсянелиней­ной.

При преобразовании любого вида энергии в электрическую энергию в источ­никах происходит за счет электродвижущей силы (ЭДС). Электродвижу­щая сила характеризует действие сторонних (неэлектрических) сил в источни­ках постоян­ного или переменного тока. В замкнутом проводящем кон­туре она равна работе этих сил по перемещению единичного положительного за­ряда вдоль этого кон­тура. Сторонние силы приводят в движение заряженные частицы внутри источ­ника электрической энергии: генераторов, гальванических элементов и т.д. ЭДС определяется как отношение работы , совершаемой сто­ронними силами при переносе заряженной частицы внутри источника, к ее за­ряду:

.

Если = 1Кл, то.

Следовательно, ЭДС равна работе, совершаемой сторонними силами при переносе единицы заряда внутри источника от зажима с меньшим потенциалом к зажиму с большим потенциалом. Ее можно представить разностью потенциалов или напряжением между положительным и отрицательным зажимами источника энергии при отсутствии в нем тока.

В замкнутой электрической цепи под действием ЭДС источника возникает ток. Цепь, в которой ток не изменяется во времени, называют цепью постоянного тока. При расчете и анализе электрических цепей источник электрической энергии представляют либо источником ЭДС, либо источником тока.

Идеальным источником ЭДС (рис. 1.8) называют такой источник энергии, ЭДС которого не зависит от протекающего через него тока и равна ЭДС реального источника, а его внутреннее сопротивление равно нулю. На рис. 1.8 показаны ус­ловные обозначения и вольтамперная характеристика идеального источника ЭДС.

За положительное направление ЭДС источника принимается направление возрастания потенциала внутри этого источника. Внутреннее сопротивление показывает, что часть энергии, вырабатываемой источником, используется внутри источника. Схема замещения реального источника (0) может быть представлена в виде последовательного соединения идеального источника ЭДС и внутреннего сопротивления (рис. 1.9). Реальный источник называют источни­ком напряжения.

Рис. 1.8	Рис. 1.9

Ток в цепи (рис. 1.9) определяется по закону Ома:

. (1.9)

Из последней формулы видно, что внутреннее сопротивление оказывает влияние на ток в электрической цепи.

Напряжение на зажимах источника или на нагрузке (рис. 1.9) определяется по формуле

Рис. 1.10

. (1.10)

ВАХ источников электрической энергии часто называют внешними характеристиками. Внешняя характеристика реального источника описывается уравнением (1.10). Ее можно по­строить по данным двух опытов (рис. 1.10):

холостого хода ;

короткого замыкания.

Источником токаназывают такой идеализированный источник электриче­ской энергии, который вырабатывает ток, не зависящий от нагрузкицепи и равный частному от деления ЭДС реального источника на его внутрен­нее сопротивление:

. (1.11)

Чтобы обеспечить постоянство тока независимо от нагрузки, необхо­димо выполнить условия: а); б).

Идеальный источник тока можно считать реальным, если внутреннее сопро­тивление подключить параллельно сопротивлению нагрузки. ВАХ и условное обозначение источника тока показаны на рис. 1.11. Схема замещения реального источника представлена на рис. 1.12.

Ток в нагрузке

. (1.12)

Рис. 1.11	Рис. 1.12

Следовательно, при расчете цепей источники тока могут быть заменены источниками ЭДС и наоборот.

Каждый из двух расчетных эквивалентов является равноценным. В дальней­шем будем использовать в основном источник ЭДС.

Эквивалентность источников обеспечивается при равенстве напряжений при холостом ходе и равенстве токов при коротком замыкании.

Закон Ома для участка цепи

 

В.Г.ЕФИМОВА,
с. Георгиевское, Пермский кр.

Образовательные задачи урока: знать формулировку и формулу закона Ома для участка цепи, понимать зависимость силы тока на участке цепи от напряжения и сопротивления и представлять её в виде графиков, уметь «читать» графики I(U), I(R), развить экспериментальные умения – выдвигать гипотезу и планировать проведение эксперимента по её проверке, закрепить практические навыки работы с электрическими измерительными приборами и в сборке электрических цепей.

Урок знакомит с некоторыми историческими сведениями, служит развитию логического мышления и элементов изобретательских умений. Его надо провести после изучения понятия «электрическое сопротивление» и причин этого явления (§ 43 учебника*).(*Учебник А.В.Пёрышкина Физика-8. – М.: Дрофа, 2002.)  К этому времени учащиеся должны знать понятие «обратная пропорциональность» из курса алгебры и уметь строить указанную зависимость. Для актуализации математических знаний на дом было задано: повторить понятия «прямая пропорциональность», «обратная пропорциональность», графики прямой и обратно пропорциональной зависимостей, построить графики функций y = 2x, y = 4x, y = 2/x, y = 4/x.

Ход урока

1. Психологическая установка и актуализация знаний

Учитель (не дожидаясь полного внимания учеников, оно всё равно у некоторых будет только внешним). Наш урок начнём с решения задачи, хотя на дом подобные я и не задавала. Весь секрет в том, что это логическая задача, для её решения не обязательно хорошо знать пройденный материал, достаточно житейской наблюдательности и немного сообразительности. Итак: в комнате есть три выключателя. Известно, что только один из них включает свет в соседней комнате, где стоит торшер с одной лампой. Комнаты друг с другом сообщаются так, что нельзя определить из одной, что происходит в другой. Помощников нет, проводки не видно. Как, имея возможность только один раз перейти от выключателей к торшеру, определить, какой из выключателей включает торшер?

(Обсуждение возможных способов решения. В случае затруднения учитель, не акцентируя внимания, уточняет, что в задаче рассматриваются лампы накаливания. Если решения всё же не возникает, задачу следует задать на дом. Попутно можно повторить действия электрического тока.)

Ученики. Нужно включить любой выключатель на короткое время, затем выключить, включить следующий, пойти в соседнюю комнату и коснуться лампы в торшере. Если она холодная, значит, соединена с третьим выключателем, если тёплая, но не горит, значит, с первым.

Учитель. А теперь разгадайте анаграммы и найдите лишнее понятие в каждом столбце.

Такие задания не только развивают мышление, но и приучают к неоднозначным и множественным ответам. Рассматриваются предлагаемые решения, повторяется связанный с данными понятиями материал. Возможные ответы и вопросы для обсуждения:

1. Амперметр, работа, напряжение, вольтметр. Ответ. Амперметр – остальные понятия относятся к напряжению. Дайте определение напряжения. Как и чем измеряют эту величину?

2. Сила тока, заряд, время, сопротивление. Ответы. 1: заряд – остальные слова оканчиваются на гласную букву; 2: время – сила тока и заряд (количество электричества, прошедшее через проводник) зависят от его сопротивления; 3: сопротивление – остальные величины связаны определением силы тока. Что такое сила тока? Каков физический смысл этой величины? Чем и каким образом измеряется? Какое свойство проводника характеризует сопротивление?

3. Вольт, кулон, ньютон, ампер. Ответы. 1: ньютон – остальное единицы электрических величин; 2: Ньютон – остальные фамилии учёных, изучавших электрические явления; 3: Вольта – сконструировал один из первых источников постоянного тока, остальные учёные открыли количественные меры взаимодействия. Назовите физические величины, соответствующие данным единицам, и их буквенные обозначения.

2. Изучение нового материала

Учитель. Что общего в анаграммах? Почему именно такие слова в них включены?

Ученики. В них даны термины, относящиеся к электрическому току. Эти термины включают в себя названия основных величин, их единицы и приборы для их измерения.

Учитель. Что такое электрический ток? Как осуществляется протекание тока в металлах? В чём причина сопротивления проводника?

(Ученики дают определения, один ученик у доски рассказывает о процессе протекания электрического тока в металлах. )

Учитель. Что произойдёт, если увеличить напряжение на концах проводника? Как сила тока зависит от напряжения? Как изменится сила тока, если увеличить сопротивление? Какова зависимость силы тока от сопротивления?

Ученики. При увеличении напряжения увеличится напряжённость электрического поля, действующего на свободные заряды в проводнике, поэтому увеличится мредняя скорость регулярного движения этих зарядов, следовательно, возрастёт количество электричества, проходящего через сечение проводника в единицу времени, т.е. возрастёт сила тока. Таким образом, сила тока прямо пропорциональна напряжению. Если увеличить сопротивление, усилится степень «противодействия» проводника прохождению электронов, а значит, уменьшится сила тока, следовательно, сила тока обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Учитель. Мы выдвинули гипотезу, которую, конечно, следует проверить. Итак, что нам следует выяснить?

Ученики. Зависимость силы тока от напряжения и сопротивления.

Учитель. Это и есть тема и цель нашего урока (записывает на доске тему «Зависимость силы тока от напряжения и сопротивления» и гипотезу: I ~ U, I ~ 1/R). Каким образом можно проверить гипотезу? Какие приборы потребуются для этого? Каковы основные правила работы с ними? Как следует проводить опыты? Какие трудности возникли при выполнении домашнего задания (построение графиков)?

(Фронтально обсуждается порядок проведения эксперимента, учитель кратко поясняет назначение и демонстрирует работу реостата, напоминает о правилах безопасной работы с электрическими устройствами; раздаёт оборудование и, для желающих, инструкцию по выполнению работы. Два ученика строят графики с помощью компьютера, вычерчивая I(U) для двух разных сопротивлений и I(R) для двух разных напряжений.)

Инструкция по исследованию зависимости силы тока от напряжения и сопротивления

Цель работы: установить на опыте зависимость силы тока от напряжения и сопротивления.

Оборудование: амперметр лабораторный, вольтметр лабораторный, источник питания, набор из трёх резисторов сопротивлениями 1 Ом, 2 Ом, 4 Ом, реостат, ключ замыкания тока, соединительные провода.

Для выполнения работы соберите электрическую цепь из источника тока, амперметра, реостата, проволочного резистора сопротивлением 2 Ом и ключа. Параллельно проволочному резистору присоедините вольтметр (см. схему).

1. Исследование зависимости силы тока от напряжения на данном участке цепи. Включите ток. При помощи  реостата доведите напряжение на зажимах проволочного резистора до 1 В, затем до 2 В и до 3 В. Каждый раз при этом измеряйте силу тока и результаты записывайте в табл. 1.

 

Таблица 1.

Сопротивление участка 2 Ом

Напряжение, В	1	2	3
Сила тока, А	0,5	1,0	1,5

По данным опытов постройте график зависимости силы тока от напряжения. Сделайте вывод.

2. Исследование зависимости силы тока от сопротивления участка цепи при постоянном напряжении на его концах. Включите в цепь по той же схеме проволочный резистор сначала сопротивлением 1 Ом, затем 2 Ом и 4 Ом. При помощи реостата устанавливайте на концах участка каждый раз одно и то же напряжение, например, 2 В. Измеряйте при этом силу тока, результаты записывайте в табл 2.

Таблица 2.

Постоянное напряжение на участке 2 В

Сопротивление участка, Ом	1	2	4
Сила тока, А	2,0	1,0	0,5

По данным опытов постройте график зависимости силы тока от сопротивления. Сделайте вывод.

(По окончании работы результаты обсуждаются, проверяются графики. )

Учитель. Какие выводы вы сделали по результатам опытов? Сравните их с нашей гипотезой.

Ученики. Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Гипотеза подтвердилась.

Учитель. Впервые к такому выводу пришёл немецкий учёный, школьный учитель Георг Симон Ом, и закон носит его имя. Кроме того, Ом открыл зависимость сопротивления проводника от его размеров. Это наша следующая тема, в старших классах вы будете изучать ещё один закон Ома.

Перефразируйте закон Ома так, чтобы не повторилось ни одно слово из формулировки. (Такое задание очень полезно, оно позволяет учащимся не только осознанно запомнить формулировку, но и служит развитию красивой, грамотной речи. Подготовленный ученик рассказывает об истории открытия закона Ома.)

Чтобы понять заслуги Ома в науке, следует учесть обстановку, в которой работал учёный. Всего четверть века прошло с открытий Гальвани и Вольта. Большинство учёных того времени не были вполне убеждены, что электрический ток (от электрических машин) и гальванический ток (от вольтова столба) представляют одно и то же явление. Их тождественность выдвигалась ещё как гипотеза, которую предстояло доказать.

С 1825 г. Ом начинает заниматься исследованиями гальванизма. В 1826 г. появляется его работа «Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество», заключавшая в основном содержание его закона. Первые опыты Ом проводил, пользуясь собственноручно изготовленным вольтовым столбом. В последующих опытах учёный пользовался установками, в которых источником тока служил термоэлемент.

Ом подвешивал магнитную стрелку на нити, а под ней, параллельно её оси, располагал проволоку, соединявшую полюса источника тока. Когда по проволоке шёл ток, стрелка отклонялась вследствие магнитного действия тока. Закручиванием нити Ом удерживал стрелку в первоначальном положении. Величиной угла кручения измерялась сила отклоняющего тока. Помещая стрелку над различными участками цепи, Ом установил, что угол закручивания оставался постоянным, и тем самым доказал постоянство силы тока в различных участках цепи. Далее, подключая к полюсам источника тока различные провода, Ом установил, что сила тока убывает с увеличением длины провода и уменьшением площади его поперечного сечения, а также зависит от вещества провода. Он нашёл ряд веществ в порядке возрастания «сопротивления». Термины «сопротивление» и «сила тока» принадлежат Ому.

Используя в качестве источника тока термоэлемент, Ом создавал различные разности температур спаев висмута и меди, погружая спай 1 в тающий лёд, а спай 2 – в воду разной температуры. В результате получались различные напряжения на проволоке 3, присоединённой к термоэлементу, и различная сила тока в цепи. Соответственно менялось и отклонение магнитной стрелки M. Данные опытов обрабатывались математически.

В 1827 г. появляется основной, прославивший Ома, труд – «Гальваническая цепь, разработанная математически доктором Г.-С.Омом». В этой работе Ом теоретически установил знаменитый закон, носящий его имя. Работу Ома в Германии встретили очень хорошо. В 1833 г. учёный был уже профессором Политехнической школы в Нюрнберге. Однако за рубежом, особенно во Франции и Англии, работы Ома долгое время оставались неизвестными. Спустя 10 лет французский физик Пулье независимо на основе экспериментов пришёл к таким же выводам, что и Ом. Но Пулье было указано, что установленный им закон ещё в 1827 г. был открыт Омом. Любопытно, что французские школьники и поныне изучают закон Ома под именем закона Пулье.

3. Первичное закрепление и коррекция знаний

(Ученики определяются с уровнем заданий для закрепления, сомневающимся выдаются оба листа с заданиями, – они определятся позже, в процессе выполнения.)

Репродуктивный и продуктивный уровни

(Среди учеников, выбравших данный уровень заданий, могут быть очень слабые, поэтому при проверке ответы подробно комментируются. )

• Качественные задачи

1. Ученик выполнял работу по проверке закона Ома для участка цепи и собрал цепь по показанной на рисунке схеме. Он обнаружил, что при уменьшении сопротивления участка ВС амперметр показывал увеличение тока, а вольтметр стал показывать уменьшение напряжения. Зная, что, по закону Ома, сила тока прямо пропорциональна напряжению, он получил противоречие «теории» с опытом. Как разрешить затруднение? Какие ошибки в рассуждении допустил ученик?

Ответ. Сила тока зависит и от напряжения, и от сопротивления. Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении, что не было выполнено.

2. Какой вид зависимости изображён на рисунке? Какой график не соответствует закону Ома для участка цепи?

3. Что изменилось на участке цепи, если включённый последовательно с реостатом амперметр показывает увеличение силы тока?

(Ответ. Повысилось напряжение или уменьшилось сопротивление.)

4. Что изменилось на участке цепи, если включённый параллельно ему вольтметр показывает уменьшение напряжения?

5. Зависимость силы тока от сопротивления участка цепи выражена графиками 1 и 2. В каком случае проводник находился под бльшим напряжением?

6. Как будут изменяться показания амперметра, если точку А поочерёдно соединять медной проволокой с точками B, C, D, E?

(Ответ. При соединении с точкой В – не изменятся, с точкой С – значительно уменьшатся, с точками D и Е – практически нуль.)

 

7. Как будут изменяться показания вольтметра, если точку А поочерёдно соединять медной проволокой с точками В, C, D, E?

(Ответ. При соединении с точками В и С – не изменятся, с точками D и Е – стрелка вольтметра будет почти у нуля.)

8. Почему при возникновении пожара в электроустановках нужно немедленно отключить рубильник? Как это сделать?

9. Почему нельзя гасить огонь, вызванный электрическим током, водой или пеной из обычного огнетушителя, а только сухим песком?

• Цифровой диктант

Учитель. Даны некие утверждения, они могут быть как истинными – такие предложения отмечайте единицей, так и ложными – такие отмечайте нулём. (Выполняется учащимися самостоятельно. Диктант содержит задания из прошлой темы для повторения важных сведений.)

1. Проводник оказывает сопротивление, потому что ионы кристаллической решётки отталкивают электроны.

2. Чтобы сила тока оставалась прежней, нужно к проводнику с бльшим сопротивлением прикладывать и большее напряжение.

3. Для изменения сопротивления проводника достаточно увеличить или уменьшить подаваемое напряжение.

4. При одинаковых напряжениях в проводнике с бо1льшим сопротивлением будет меньший ток.

5. Если увеличивается сила тока в цепи, значит, изменилось сопротивление.

6. Сопротивление проводника, для которого построен график на рисунке, равно 5 Ом.

7. На рисунке слева приведены графики зависимости силы тока от напряжения для двух проводников. Сопротивление второго проводника больше.

 

 

Продуктивный и творческий уровни

(Учащиеся выполняют задания самостоятельно, пока учитель с первой частью класса разбирает качественные задачи. Во время выполнения первой группой цифрового диктанта вторая группа учащихся под руководством учителя обсуждает результаты своей работы. )

Задания расположены по возрастанию сложности; можно выполнить часть из них, задачи 5 и 6 – изобретательские.

1. Почему птицы могут безопасно сидеть на проводах высоковольтных линий электропередачи?

2. Решите задачу № 1287 из задачника В.И.Лукашика, Е.В.Ивановой.

3. Постройте графики зависимости силы тока от напряжения для двух проводников сопротивлениями 2 и 3 Ом.

4. Постройте графики зависимости силы тока от сопротивления при постоянных величинах напряжения 2 и 4 В.

5. Какими способами можно определить напряжение в сети, имея в распоряжении любые приборы, кроме вольтметра? (Ответ. Например, включить резистор известного сопротивления в сеть последовательно с амперметром, а напряжение вычислить по закону Ома.)

6. Что нужно сделать, чтобы во время запуска пресса руки работника случайно не попали под пресс? Рассмотрите варианты решения без фотореле.

Подсказка. Для запуска пресса руки должны быть где? (Например, одновременно на двух кнопках запуска – обе руки будут заняты.)

7. Предложите устройство (электрический сторож) для обнаружения проникновения на вашу территорию постороннего (Возможный вариант решения. Нужно закрепить прочную нить 1 (или проволоку) одним концом на колышке, а другим – на дощечке 2 (толщиной около 0,5 см), зажатом между двумя упругими контактными пластинками К и Р (выполненными, например, из консервной банки), которые закреплены на другом колышке. Если незваный гость натянет нить, изолятор выскользнет из пластинок, они сойдутся и замкнут электрическую цепь – звонок зазвонит. Для предотвращения случайного замыкания цепи в случае дождя контакты К и Р надо прикрыть козырьком.)

4. Подведение итогов

Какая часть урока, какие задания показались наиболее интересными? скучными? Что было неудачным и почему? В чём хотелось бы разобраться подробнее? Выставление отметок (по желанию).

5. Домашнее задание

– Всем: § 42, 44; логическая задача (если не решена в классе).

– Репродуктивный и продуктивный уровни: № 1275, 1277, 1279, 1285 [2].

– Продуктивный и творческий уровни (на выбор): задания, не выполненные в классе; по желанию, изготовить модель электрического сторожа; придумать устройство, которое сигнализировало бы о подъёме воды (индикатор «наводнения»).

(Возможный способ решения. На щёчки зажима для белья приклеить металлические пластинки 1 и между ними вложить кусочек сахара 2. Зажим прикрепить к колышку, вбитому у берега. Колышек должен возвышаться над уровнем воды на 5–10 см. При повышении уровня воды зажим окажется в воде, и сахар растворится. Щёчки сомнутся, замкнётся электрическая цепь, звонок зазвонит.)

(Такое решение годится только как идея. А дождь? туман? роса? муравьи и другие любители сладкого? – Ред. )

Литература

Буров В.А., Дик Ю.И., Зворыкин Б.С. и др. Фронтальные лабораторные занятия по физике в 7–11 классах общеобразовательных учреждений: Кн. для учителя. Под ред. Бурова В.А., Никифорова Г.Г. – М.: Просвещение, 1996.

Книга для чтения по физике. 6–7 кл.: Пособие для учащихся. Сост. И.Г.Кириллова. – М.: Просвещение, 1978.

Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 2000.

Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. 8 класс: Дидактические материалы. – М.: Дрофа, 2002.

Пёрышкин А.В. Физика-8. – М.: Дрофа, 2003.

Тульчинский М.Е. Занимательные задачи-парадоксы и софизмы по физике. – М.: Просвещение, 1971.

Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике в 6–7 классах: Пособие для учителей. – М. : Просвещение, 1976.

Физика – юным: Теплота. Электричество: Кн. для внеклассного чтения. 7 кл. Сост. Алексеева М.Н.– М.: Просвещение, 1980.

Закон Ома. История открытия. Различные виды закона Ома (стр. 1 из 2)

Реферат

Закон Ома. История открытия. Различные виды закона Ома.

Содержание.

1. Общий вид закона Ома.

2. История открытия закона Ома, краткая биография ученого.

3. Виды законов Ома.

Закон Ома устанавливает зависи­мость между силой тока I в проводнике и разностью потенциалов (напряже­нием) U между двумя фиксированными точками (сечениями) этого проводника:

(1)

Коэффициент пропорциональности R, завися­щий от геометрических и электрических свойств проводника и от температуры, называется омическим сопротивлением или просто сопротивлением данного участка проводника. Закон Ома был от­крыт в 1826 нем. физиком Г. Омом.

Георг Симон Ом родился 16 марта 1787 года в Эрлангене, в семье потомственного слесаря. После окончания школы Георг поступил в городскую гимназию. Гимназия Эрлангена курировалась университетом. Занятия в гимназии вели четыре профессора. Георг, закончив гимназию, весной 1805 года приступил к изучению математики, физики и философии на философском факультете Эрлангенского университета.

Проучившись три семестра, он принял приглашение занять место учителя математики в частной школе швейцарского городка Готтштадта.

В 1811 году он возвращается в Эрланген, заканчивает университет и получает степень доктора философии. Сразу же по окончании университета ему была предложена должность приват-доцента кафедры математики этого же университета.

В 1812 году Ом был назначен учителем математики и физики школы в Бамберге. В 1817 году он публикует свою первую печатную работу, посвященную методике преподавания «Наиболее оптимальный вариант преподавания геометрии в подготовительных классах». Ом занялся исследованиями электричества. В основу своего электроизмерительного прибора Ом заложил конструкцию крутильных весов Кулона. Результаты своих исследований Ом оформил в виде статьи под названием «Предварительное сообщение о законе, по которому металлы проводят контактное электричество». Статья была опубликована в 1825 году в «Журнале физики и химии», издаваемом Швейггером. Однако выражение, найденное и опубликованное Омом, оказалось неверным, что стало одной из причин его длительного непризнания. Приняв все меры предосторожности, заранее устранив все предполагаемые источники ошибок, Ом приступил к новым измерениям.

Появляется в свет его знаменитая статья «Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество, вместе с наброском теории вольтаического аппарата и мультипликатора Швейггера», вышедшая в 1826 году в «Журнале физики и химии».

В мае 1827 года «Теоретические исследования электрических цепей» объемом в 245 страниц, в которых содержались теперь уже теоретические рассуждения Ома по электрическим цепям. В этой работе ученый предложил характеризовать электрические свойства проводника его сопротивлением и ввел этот термин в научный обиход. Ом нашел более простую формулу для закона участка электрической цепи, не содержащего ЭДС: «Величина тока в гальванической цепи прямо пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме приведенных длин. При этом общая приведенная длина определяется как сумма всех отдельных приведенных длин для однородных участков, имеющих различную проводимость и различное поперечное сечение».

В 1829 году появляется его статья «Экспериментальное исследование работы электромагнитного мультипликатора», в которой были заложены основы теории электроизмерительных приборов. Здесь же Ом предложил единицу сопротивления, в качестве которой он выбрал сопротивление медной проволоки длиной 1 фут и поперечным сечением в 1 квадратную линию.

В 1830 году появляется новое исследование Ома «Попытка создания приближенной теории униполярной проводимости».

Только в 1841 году работа Ома была переведена на английский язык, в 1847 году — на итальянский, в 1860 году — на французский.

16 февраля 1833 года, через семь лет после выхода из печати статьи, в которой было опубликовано его открытие, Ому предложили место профессора физики во вновь организованной политехнической школе Нюрнберга. Ученый приступает к исследованиям в области акустики. Результаты своих акустических исследований Ом сформулировал в виде закона, получившего впоследствии название акустического закона Ома.

Раньше всех из зарубежных ученых закон Ома признали русские физики Ленц и Якоби. Они помогли и его международному признанию. При участии русских физиков, 5 мая 1842 года Лондонское Королевское общество наградило Ома золотой медалью и избрало своим членом.

В 1845 году его избирают действительным членом Баварской академии наук. В 1849 году ученого приглашают в Мюнхенский университет на должность экстраординарного профессора. В этом же году он назначается хранителем государственного собрания физико-математических приборов с одновременным чтением лекций по физике и математике. В 1852 году Ом получил должность ординарного профессора. Ом скончался 6 июля 1854 года. В 1881 году на электротехническом съезде в Париже ученые единогласно утвердили название единицы сопротивления — 1 Ом.

В общем случае зависимость между I и U нелинейна, однако на практике всегда можно в определенном интервале напряжений считать её линейной и применять закон Ома; для металлов и их сплавов этот интервал практически неограничен.

Закон Ома в форме (1) справедлив для участков цепи, не содержащих источ­ников ЭДС. При наличии таких источников (аккумуляторов, термопар, ге­нераторов и т. д.) закон Ома имеет вид:

(2)

где

— ЭДС всех источников, вклю­чённых в рассматриваемый участок цепи. Для замкнутой цепи закон Ома при­нимает вид:

(3)

где

— полное сопротивление цепи, равное сумме внешнего сопротив­ления r и внутреннего сопротивления

источника ЭДС. Обобщением закона Ома на случай разветвлённой цепи является правило 2-е Кирхгофа.

Закон Ома можно записать в дифференциальной форме, связывающей в каждой точке проводника плотность тока j с полной напряжённостью электрического поля. Потенциальное. электрическое поле напряжённости Е, создаваемое в проводниках микроскопическими зарядами (электронами, ионами) самих проводников, не может поддерживать стационарное движение свободных зарядов (ток), т. к. работа этого поля на замкнутом пути равна нулю. Ток поддерживается неэлектростатическими силами различного происхождения (индукционного, химического, теплового и т.д.), которые действуют в источниках ЭДС и которые можно представить в виде некоторого эквивалентного непотенциального поля с напряженностью E_СТ, называемого сторонним. Полная напряженность поля, действующего внутри проводника на заряды, в общем случае равна E+E_СТ. Соответственно, дифференциальный закон Ома имеет вид:

или

, (4)

где

— удельное сопротивление материала проводника, а

— его удельная электропроводность.

Закон Ома в комплексной форме справедлив также для синусоидальных квазистационарных токов:

(5)

где z — полное комплексное сопротивление:

, r – активное сопротивление, а x — реактивное сопротивление цепи. При наличии индуктивности L и емкости С в цепи квазистационарного тока частоты

.

Существует несколько видов закона Ома.

Закон Ома для однородного участка цепи (не содержащего источника тока): сила тока в проводнике прямо про­порциональна приложенному напряжению и обратно про­порциональна сопротивлению проводника:

Закон Ома для замкнутой цепи: сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС источника тока к суммарному сопротивлению всей цепи:

где R — сопротивление внешней цепи, r – внутреннее сопротивление источника тока.

R — +

R

Закон Ома для неоднородного участка цепи (участка цепи с источником тока):

Закон ОМА — MBS Electronics

---

На рис. 1 показана схема простейшей электрической цепи. Эта замкнутая цепь состоит из трех элементов: источника напряжения — батареи GB, потребителя тока — нагрузки R, которой может быть, например, нить накала электрической лампы или резистор, и проводников, соединяющих источник напряжения с нагрузкой. Между прочим, если эту цепь дополнить выключателем, то получится полная схема карманного электрического фонаря.

Рис. 1. Простейшая электрическая цепь

Нагрузка R, обладающая определенным сопротивлением, является участком цепи. Значение тока на этом участке цепи зависит от действующего на нем напряжения и его сопротивления: чем больше напряжение и меньше сопротивление, тем большим ток будет идти по участку цепи. Эта зависимость тока от напряжения и сопротивления выражается следующей формулой:

I = U/R,

где I — ток, выраженный в амперах. А; U — напряжение в вольтах, В; R — сопротивление в омах, Ом. Читается это математическое выражение так: ток в участке цепи прямо пропорционален напряжению на нем и обратно пропорционален его сопротивлению. Это основной закон электротехники, именуемый законом Ома (по фамилии Г. Ома), для участка электрической цепи.

Закон Ома можно записать еще так:

U = IR или R = U/I

Используя закон Ома, можно по двум известным электрическим величинам узнать неизвестную третью. Вот несколько примеров практического применения закона Ома.

Первый пример. На участке цели, обладающем сопротивлением 5 Ом, действует напряжение 25 В. Надо узнать значение тока на этом участке цепи.

Решение:
I = U/R = 25/5 = 5 А

Второй пример. На участке цепи действует напряжение 12 В, создавая в нем ток, равный 20 мА. Каково сопротивление этого участка цепи?

Прежде всего ток 20 мА нужно выразить в амперах. Это будет 0,02 А. Тогда R = U/I = 12/0,02 = 600 Ом.

Третий пример. Через участок цепи сопротивлением 10 кОм течет ток 20 мА. Каково напряжение, действующее на этом участке цепи?

Здесь, как и в предыдущем примере, ток должен быть выражен в амперах (20 мА = 0,02 А), а сопротивление в омах (10 кОм = 10000 Ом). Следовательно, U = IR = 0,02·10000 = 200 В.

На цоколе лампы накаливания плоского карманного фонаря выштамповано: 0,28 А и 3,5 В. О чем говорят эти сведения? О том, что лампочка будет нормально светиться при токе 0,28 А, который обусловливается напряжением 3,5 В. Пользуясь законом Ома, нетрудно подсчитать, что накаленная нить лампочки имеет сопротивление R = U/I = 3,5/0,28 = 12,5 Ом. Это, подчеркиваю, сопротивление накаленной нити лампочки. А сопротивление остывшей нити значительно меньше.

Закон Ома справедлив не только для участка, но и для всей электрической цепи. В этом случае в значение R подставляется суммарное сопротивление всех элементов цепи, в том числе и внутреннее сопротивление источника тока. Однако при простейших расчетах цепей обычно пренебрегают сопротивлением соединительных проводников и внутренним сопротивлением источника тока.

В связи с этим приведу еще один пример. Напряжение электроосветительной сети 220 В. Какой ток потечет в цепи, если сопротивление нагрузки равно 1000 0 м?
Решение: I = U/R = 220/1000 = 0,22 А. Примерно такой ток потребляет электрический паяльник.

Всеми этими формулами, вытекающими из закона Ома, можно пользоваться и для расчета цепей переменного тока, но при условии, если в цепях нет катушек индуктивности и конденсаторов.

Теперь рассмотрим такой вопрос: как влияет на ток резистор, включаемый в цепь последовательно с нагрузкой или параллельно ей?

Разберем такой пример. У нас имеется лампочка от круглого электрического фонаря, рассчитанная на напряжение 2,5 В и ток 0,075 А. Можно ли питать эту лампочку от батареи 3336Л, начальное напряжение которой 4,5 В? Нетрудно подсчитать, что накаленная нить этой лампочки имеет сопротивление немногим больше 30 Ом. Если же питать ее от свежей батареи 3336Л, то через нить накала лампочки, по закону Ома, пойдет ток, почти вдвое превышающий тот ток, на который она рассчитана. Такой перегрузки нить не выдержит, она перекалится и разрушится. Но эту лампочку все же можно питать от батареи 3336Л, если последовательно в цепь включить добавочный резистор сопротивлением 25 Ом, как это показано на рис.  2.

Рис. 2.Добавочный резистор, включенный в цепь, ограничивает ток в этой цепи

---

---

В этом случае общее сопротивление внешней цепи будет равно примерно 55 Ом, т. е. 30 Ом — сопротивление нити лампочки Н плюс 25 Ом — сопротивление добавочного резистора R. В цепи, следовательно, потечет ток, равный примерно 0,08 А, т. е. почти такой же, на который рассчитана нить накала лампочки. Эту лампочку можно питать от батареи и с более высоким напряжением и даже от электроосветительной сети, если подобрать резистор соответствующего сопротивления.

В этом примере добавочный резистор ограничивает ток в цепи до нужного нам значения. Чем больше будет его сопротивление, тем меньше будет и ток в цепи. В данном случае в цепь было включено последовательно два сопротивления: сопротивление нити лампочки и сопротивление резистора. А при последовательном соединении сопротивлений ток одинаков во всех точках цепи.

Можно включать амперметр в любую точку цени, и всюду он будет показывать одно значение. Это явление можно сравнить с потоком воды в реке. Русло реки на различных участках может быть широким или узким, глубоким или мелким. Однако за определенный промежуток времени через поперечное сечение любого участка русла реки всегда проходит одинаковое количество воды. Добавочный резистор, включаемый в цепь последовательно с нагрузкой (как, например, на рис. 53), можно рассматривать как резистор, «гасящий» часть напряжения, действующего в цепи.

Напряжение, которое гасится добавочным резистором или, как говорят, падает на нем, будет тем большим, чем больше сопротивление этого резистора. Зная ток и сопротивление добавочного резистора, падение напряжения на нем легко подсчитать по знакомой тебе формуле U = IR. Здесь U — падение напряжения, В; I — ток в цепи, A; R — сопротивление добавочного резистора, Ом. Применительно к нашему примеру резистор R (рис. 53) погасил избыток напряжения: U — IR = 0,08·25 = 2 В. Остальное напряжение батареи, равное приблизительно 2,5 В, падало на нити лампочки.

Необходимое сопротивление резистора можно найти по другой знакомой тебе формуле R = U/I, где R — искомое сопротивление добавочного резистора, Ом; U — напряжение, которое необходимо погасить, В; I — ток в цепи, А. Для нашего примера (рис. 53) сопротивление добавочного резистора равно: R = U/I = 2/0,075 ~= 27 Ом. Изменяя сопротивление, можно уменьшать или увеличивать напряжение, которое падает на добавочном резисторе, и таким образом регулировать ток в цепи. Но добавочный резистор R в такой цепи может быть переменным, т. е. резистором, сопротивление которого можно изменять (рис. 3). В этом случае с помощью движка резистора можно плавно изменять напряжение, подводимое к нагрузке Н, а значит, плавно регулировать ток, протекающий через эту нагрузку. Включенный таким образом переменный резистор называют реостатом. С помощью реостатов регулируют токи в цепях приемников и усилителей. Во многих кинотеатрах реостаты используют для плавного гашения света в зрительном зале.

Рис. 3.Регулирование тока в цепи помощью резистора

Есть, однако, и другой способ подключения нагрузки к источнику тока с избыточным напряжением — тоже с помощью переменного резистора, но включенного потенциометром, т.  е. делителем напряжения, как показано на рис. 4. Здесь R1 — резистор, включенный потенциометром, a R2 — нагрузка, которой может быть та же лампочка накаливания или какой-то другой прибор.

Рис. 4.Регулирование напряжения на нагрузке R2 цепи с помощью переменного резистора R1

На резисторе R1 происходит падение напряжения источника тока, которое частично или полностью может быть подано к нагрузке R2. Когда движок резистора находится в крайнем нижнем положении, к нагрузке напряжение вообще не подается (если это лампочка, она гореть не будет). По мере перемещения движка резистора вверх мы будем подавать все большее напряжение к нагрузке R2 (если это лампочка, ее нить будет накаливаться). Когда же движок резистора R1 окажется в крайнем верхнем положении, к нагрузке R2 будет подано все напряжение источника тока (если R2 — лампочка карманного фонаря, а напряжение источника тока большое, нить лампочки перегорит). Можно опытным путем найти такое положение движка переменного резистора, при котором к нагрузке будет подано необходимое ей напряжение.

Переменные резисторы, включаемые потенциометрами, широко используют для регулирования громкости в приемниках и усилителях 3Ч. Резистор может быть непосредственно подключен параллельно нагрузке. В таком случае ток на этом участке цепи разветвляется и идет двумя параллельными путями: через добавочный резистор и основную нагрузку. Наибольший ток будет в ветви с наименьшим сопротивлением. Сумма же токов обеих ветвей будет равна току, расходуемому на питание внешней цепи.

К параллельному соединению прибегают в тех случаях, когда надо ограничить ток не во всей цепи, как при последовательном включении добавочного резистора, а только в каком-то участке ее. Добавочные резисторы подключают, например, параллельно миллиамперметрам, чтобы ими можно было измерять большие токи. Такие резисторы называют шунтирующими или шунтами. Слово шунт означает «ответвление».

---

---

ИНДУКТИВНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ

В цепи переменного тока на значение тока влияет не только сопротивление проводника, включенного в цепь, но и его индуктивность. Поэтому в цепях переменного тока различают так называемое омическое или активное сопротивление, определяемое свойствами материала проводника, и индуктивное сопротивление, определяемое индуктивностью проводника. Прямой проводник обладает сравнительно небольшой индуктивностью. Но если этот проводник свернуть в катушку, его индуктивность увеличится. При этом увеличится и сопротивление, оказываемое им переменному току, — ток в цепи уменьшится. С увеличением частоты тока индуктивное сопротивление катушки тоже увеличивается.

сопротивление катушки индуктивности переменному току возрастает с увеличением ее индуктивности и частоты проходящего по ней тока.Это свойство катушки используют в различных цепях приемников, когда требуется ограничить ток высокой частоты или выделить колебания высокой частоты, в выпрямителях переменного тока и во многих других случаях, с которыми придется постоянно сталкиваться на практике.

Единицей индуктивности является генри (Гн). Индуктивностью 1 Гн обладает такая катушка, у которой при изменении тока в ней на 1 А в течение 1 с развивается ЭДС самоиндукции, равная 1 В. Этой единицей пользуются для определения индуктивности катушек, которые включают в цепи токов звуковой частоты. Индуктивность катушек, используемых в колебательных контурах, измеряют в тысячных долях генри, называемых миллигенри (мГн), или еще в тысячу раз меньшей единицей — микрогенри (мкГн).

---

Что такое ЗАКОН ОМА? ➡️ Учитесь ЛЕГКО с помощью упражнений

Основное электричествоТехнологии

Рафаэль Теллес Следуйте на Twitter Август 29 2022Последнее обновление: 29 августа 2022 г.

0 14.311 3 минут чтения

Введение в закон Ома:

Закон Ома Это отправная точка для понимания основных принципов электричества. С этой точки зрения важно провести практический теоретический анализ утверждения закона Ома. Благодаря нашему опыту в этой области, анализ этого закона позволяет нам даже воплотить в жизнь мечту любого специализированного персонала в данной сфере: меньше работать и больше выполнять, поскольку при правильной интерпретации мы можем обнаруживать и анализировать электрические неисправности. В этой статье мы поговорим о его важности, происхождении, использовании приложений и секрете, чтобы лучше понять это.

¿

Кто открыл закон Ома?

Георг Саймон Ом (Эрланген, Бавария, 16 марта 1789 г. — Мюнхен, 6 июля 1854 г.) был немецким физиком и математиком, который внес закон Ома в теорию электричества. напряженности электрического тока, его электродвижущей силы и сопротивления, сформулировав в 1 г. закон, носящий его имя, устанавливающий, что I = V / R. Единица электрического сопротивления, ом, названа в его честь. [1] (см. Рисунок 1)

Рисунок 1 Георг Симон Ом и его закон Ома (https://citeia.com)

Что утверждает закон Ома?

La Закон Ома устанавливает: Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна напряжению или напряжению (разность потенциалов V) и обратно пропорциональна представляемому им электрическому сопротивлению (см. рисунок 2).

Понимая это:

Количество	Символ закона Ома	Единица измерения	Рол	Если вам интересно:
напряженность	E	Вольт (В)	Давление, вызывающее поток электронов	E = электродвижущая сила или индуцированное напряжение
ток	I	Ампер (А)	Сила электрического тока	я = интенсивность
Сопротивление	R	Ом (Ом)	ингибитор потока	Ω = греческая буква омега

• E= Разность электрических потенциалов или электродвижущая сила, «старый школьный термин» (Вольты «В»).
• I= Сила электрического тока (Ампер «Ампер»)
• R= Электрическое сопротивление (Ом «Ом»)

Фигура 2; Формула закона Ома (https://citeia.com)

Для чего нужен закон Ома?

Это один из самых интересных вопросов, который задают себе студенты, изучающие электричество / электронику начального уровня, и мы предлагаем хорошо его понять, прежде чем продолжить или перейти к другой теме. Разберем его поэтапно: Электрическое сопротивление: Это противодействие прохождению электрического тока через проводник. Электрический ток: Это поток электрического заряда (электронов), который проходит через проводник или материал. Текущий поток — это количество заряда в единицу времени, его единицей измерения является ампер (Ампер). Разность электрических потенциалов: Это физическая величина, которая количественно определяет разницу в электрическом потенциале между двумя точками. Его также можно определить как работу на единицу заряда, которую электрическое поле оказывает на заряженную частицу, чтобы переместить ее между двумя определенными положениями. Единица измерения — вольт (В).

Заключение

Закон Ома Это наиболее важный инструмент для изучения электрических цепей и фундаментальная основа для изучения профессий в области электричества и электроники на всех уровнях. Выделение времени для его анализа, в данном случае, описанного в этой статье (в крайних случаях), имеет важное значение для понимания и анализа секретов устранения неполадок.

Из чего можно сделать вывод по анализу закона Ома:

• Чем выше разность потенциалов (В) и ниже сопротивление (Ом): тем больше сила электрического тока (Ампер).
• Чем ниже разность потенциалов (В) и выше сопротивление (Ом): меньше сила электрического тока (А).

Упражнения для понимания и применения закона Ома на практике

• упражнения 1
• упражнения 2
• упражнения 3
• упражнения 4
• упражнения 5

упражнения 1

Применяя Закон Ома В следующей цепи (рис. 3) с сопротивлением R1= 10 Ом и разностью потенциалов E1= 12 В по закону Ома получается: I=E1/R1 I= 12 В/10 Ом I = 1.2 А.

Рисунок 3 Принципиальная электрическая схема (https://citeia.com)

Анализ закона Ома (Пример 1)

Чтобы проанализировать закон Ома, мы собираемся виртуально переместиться к водопаду Керепакупай Меру или Ангел (Kerepakupai Merú на языке аборигенов пемон, что означает «прыжок с самого глубокого места»), это самый высокий водопад в мире с высотой 979 м. высота (807 м непрерывного падения), берет начало в Ауянтепуе. Он расположен в национальном парке Канайма, Боливар, Венесуэла [2]. (см. рисунок 4)

Рисунок 4. Анализ закона Ома (https://citeia. com)

Если мы творчески проведем анализ, применяя Закон Ома, сделав следующие предположения:

1. Высота каскада как разность потенциалов.
2. Водные препятствия при падении как сопротивление.
3. Расход воды водопада как сила электрического тока.

Упражнение 2:

В виртуальном эквиваленте оценим схему, например, из рисунка 5:

Рисунок 5 Анализ прокладки Ом 1 (https://citeia.com)

Где E1= 979 В и R1=100 Ом I=E1/R1 I= 979 В/100 Ом I= 9.79 А.

citeia.com

Анализ закона Ома (Пример 2)

Теперь в этой виртуализации, например, если мы переместимся к другому водопаду, например: водопад Игуасу, на границе между Бразилией и Аргентиной, на гуарани Игуасу означает «большая вода», и это имя, которое коренные жители Южного Конус из Америки они дали реке, которая питает крупнейшие водопады Латинской Америки, одно из чудес света. Однако в последнее время летом у них были проблемы с потоком воды. [3] (см. рисунок 6)

Рисунок 6 Анализ закона Ома (https://citeia.com)

Упражнение 3:

Мы предполагаем, что этот виртуальный анализ равен E1= 100 В и R1=1000 Ом (см. рис. 7). I=E1/R1I= 100 В/1000 ОмI= 0.1 А.

Рисунок 7 Анализ закона Ома 2 (https://citeia.com)

Анализ закона Ома (Пример 3)

Для этого примера некоторые из наших читателей могут спросить, а какой анализ, если условия окружающей среды в водопаде Игуасу улучшатся (на что мы надеемся, так и будет, помня, что все в природе должно иметь баланс). В виртуальном анализе мы предполагаем, что сопротивление грунта (прохождению потока) в теории является константой, E будет накопленной разностью потенциалов выше по течению, где, как следствие, у нас будет больше потока или, в нашем сравнении, интенсивность тока (I ), будет, например: (см. рис. 8)

рисунок 8 анализ закона Ома 3 (https://citeia. com)citeia.com

Упражнение 4:

По закону Ома, если мы увеличиваем разность потенциалов или накапливаем его электродвижущую силу выше, сохраняя постоянное сопротивление E1 = 700 В и R1 = 1000 Ом (см. Рисунок 9)

• I = E1 / R1  
• I = 700 В / 1000 Ом
• I = 0.7 ампер

Мы наблюдаем, что сила тока (ампер) в цепи увеличивается.

Рисунок 9 анализ закона Ома 4 (https://citeia.com)

Анализируем закон Ома, чтобы понять его секреты

Когда вы начинаете изучать закон Ома, многие задаются вопросом, откуда в таком относительно простом законе могут быть какие-то секреты? Собственно, секрета нет, если подробно разобрать его по концам. Другими словами, неправильный анализ закона может, например, заставить нас разобрать электрическую цепь (на практике, прибора даже на промышленном уровне), когда это может быть только поврежденный кабель или разъем.Мы собираемся проанализировать от случая к случаю:

Случай 1 (обрыв цепи):

Рисунок 10 Обрыв электрической цепи (https://citeia. com)

Если мы проанализируем схему на рисунке 10, по закону Ома источник питания E1 = 10 В, а сопротивление в этом случае изолятора (воздуха), стремящегося к бесконечности ∞, Итак, мы имеем:

• I = E1 / R  
• I = 10 В / ∞ Ом

Где ток имеет тенденцию быть 0 ампер.

Случай 2 (короткое замыкание цепи):

Рисунок 11 Электрическая схема при коротком замыкании (https://citeia.com)

В этом случае (рисунок 11) источник питания E = 10 В, но сопротивление представляет собой проводник, который теоретически имеет 0 Ом, поэтому в этом случае это будет короткое замыкание.

• I = E1 / R  
• I = 10 В / 0 Ом

Если ток в теории стремится к бесконечности (∞) Amp. То, что сработало бы защитные системы (предохранители), даже в нашем программном обеспечении для моделирования сработало бы предупреждения и аварийные сигналы. Хотя на самом деле современные аккумуляторы имеют систему защиты и ограничитель тока, мы рекомендуем нашим читателям проверять соединения и избегать коротких замыканий (аккумуляторы при выходе из строя системы защиты могут взорваться «Осторожно»).

Случай 3 (сбои подключения или проводки)

Если мы боимся, что в электрической цепи источник питания E1 = 10 В и R1 = 10 Ом, мы должны иметь по закону Ома;

Упражнение 5:

• I = E1 / R1  
• I = 10 В / 10 Ом
• I = 1 ампер

Теперь предположим, что в схеме имеется неисправность провода (внутренний обрыв или обрыв провода) или плохое соединение, например, рисунок 12.

Рисунок 12 Цепь с внутренним повреждением провода (https://citeia.com)

Как мы уже анализировали с открытым резистором, поврежденный или сломанный провод будет вести себя аналогичным образом. Сила электрического тока = 0 ампер. Но если я спрошу вас, какая часть (рис. 13) повреждена A или B? и как бы они это определили?

Рисунок 13 Анализ цепи с поврежденным или внутренне разорванным кабелем (https://citeia.com)

Конечно, ваш ответ был бы таков: давайте измерим непрерывность и просто определим, какой из кабелей поврежден (поэтому мы должны отсоединить компоненты и выключить источник питания E1), но для этого анализа мы будем предполагать, что источник даже не может быть поврежден. отключил или отключил любую проводку, теперь анализ становится интереснее?Один из вариантов — разместить вольтметр параллельно цепи, как, например, на рисунке 14.

Рисунок 14 Анализ неисправной цепи (https://citeia.com)

Если источник исправен, вольтметр должен отметить значение напряжения по умолчанию, в данном случае 10 В.

Рис.15 Анализ неисправной цепи по закону Ома (https://citeia.com)

Если мы поместим вольтметр параллельно резистору R1, напряжение будет 0 В, если мы проанализируем его с помощью Закон Ома У нас есть:

• VR1 = I x R1
• Где I = 0 ампер
• Мы опасаемся VR1 = 0 Amp x 10 Ω = 0V

Рисунок 16: анализ неисправности проводки по закону Ома (https://citeia. com)

Теперь, если мы поместим вольтметр параллельно поврежденному проводу, у нас будет напряжение источника питания, почему?

Поскольку I = 0 Amp, сопротивление R1 (не имеет сопротивления от электрического тока, создавая виртуальную землю) как мы уже проанализировали VR1 = 0V Итак, мы имеем в поврежденном кабеле (в данном случае) Напряжение источника питания.

• V (поврежденный провод) = E1 — VR1
• V (поврежденный провод) = 10 В — 0 В = 10 В

Приглашаю вас оставлять свои комментарии и сомнения, на которые мы обязательно ответим. Это также может помочь вам обнаружить электрические неисправности в нашей статье о Электроизмерительные приборы (Омметр, Вольтметр, Амперметр)

Он может служить вам:

• Сила закона Ватта
• Полномочия закона Кирхгофа
• Закон Джоуля с практическими упражнениями и их приложениями.

Ссылки:[1] [2] [3]

Похожие сообщения

Движущиеся электроны без напряжения (3/99)

© Стэнфордский университет. Все права защищены. Стэнфорд, Калифорния 94305. (650) 723-2300. Условия эксплуатации | Жалобы на нарушение авторских прав

НОВОСТИ 19. 03.99   КОНТАКТЫ: Дэвид Ф. Солсбери, служба новостей (650) 725-1944; e-mail: [email protected] Нарушение закона Ома: движущиеся электроны без напряжения Обычно, когда вы хотите переместить электроны, вам приложите напряжение, и электроны начнут течь. Это основа закона Ома: электрические ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Но группа физиков из Стэнфорда и Калифорнийский университет в Санта-Барбаре (UCSB) доклад в номере журнала Science от 19 марта. что они изобрели устройство, которое двигается электроны, не полагаясь на разность потенциалов толкать их вокруг. Устройство «Квантовый электрон насос» работает по законам квантовая физика, которые описывают то, что происходит в субатомный мир, а не классический физика, описывающая то, что происходит в повседневный мир. Это означает, что он может играть важную роль в новой области, называемой квантовой информационные технологии, которые могли бы обеспечить основу для новых видов компьютеров и других электронные устройства в следующем тысячелетии Квантовая физика сильно отличается от классическая физика. В квантовой механике частицы не всегда ведут себя как твердые частицы, но могут проявляться как волны вероятности. Это означает, что они имеют определенную вероятность находясь в разных местах в любой данное время. Только когда частица наблюдается (не только людьми, но и другими частицы), что его присутствие фиксируется конкретное место. В атомном масштабе такие частицы, как электроны имеют тенденцию вести себя как волны, тогда как при более крупные масштабы, такие как человеческий масштаб, электроны, атомы и другие частицы постоянно взаимодействие. В результате они постоянно предоставлять информацию о своих свойствах друг друга. «Вот почему две чашки кофе не проходят друг через друга», — говорит Чарльз М. Маркус, доцент физики в Стэнфорде, который возглавил исследовательскую работу. Его сотрудники были аспирантом Майклом Свитксом в Стэнфорде. и Артур С. Госсард, профессор материалов науки в UCSB и аспирант Кеннет Кэмпман. На полпути между атомным и человеческим масштабами, в от нанометра до микрометра, это трудно поддерживать когерентность частиц, т. способны вести себя как волны, но не невозможно. Таким образом, растущая способность создавать наноразмерные структуры позволили исследователям создавать устройства, работающие по законам квантовой физики и поэтому может проявлять радикально новые режимы работы. Возьмем квантовый компьютер. В обычный компьютер, основное количество информация – это бит, который может принимать одно из двух значения, «0» или «1». В квантовом компьютере бит заменен на «кубит», который может быть «0», «1» или оба «0» и «1» одновременно. Именно то, что как будут выглядеть компьютеры на основе кубитов, и как хорошо они будут работать, пока не ясно, но значительные усилия прилагаются для разработки их. Исследователи изучают возможность использования электроны, фотоны и атомы как основные элементы квантовых информационных систем. До электроны могут быть использованы, однако исследователям необходимо каким-то образом перемещать их, не теряя когерентность. Вот где квантовый электрон входит насос. Микроскопический насос представляет собой особый вид квантовая точка. Квантовая точка – это пятно электропроводящий материал, окруженный непроводящий материал размером меньше электрон в своем волновом обличии. Из-за своего небольшого размер, точка ограничивает движение электрона в все три измерения. Некоторые квантовые точки полностью закрытые, но те, что у Маркуса групповые исследования имеют отверстия, которые позволяют электронам чтобы войти и выйти. Насос имеет два отверстия с одной стороны с ворота между ними, которые контролируют доступ к ним. другая сторона точки содержит два электрода которые изменяют «форму» точки. Его форма не материальна, а создается электростатические силы, создаваемые микроскопические ворота, изготовленные тем же методы, используемые для производства компьютерных чипов. Небольшие изменения формы точки вызывают электронов, чтобы войти или выйти из устройства. Когда электроны входят в крошечную полость, они делают это как водные волны, входящие в закрытую бухту. Они подпрыгивают от стен ограждения и перекрываются образуют сложную «интерференционную» картину. Небольшие изменения в этой схеме заставляют электроны войти или выйти из зоны. «Если хочешь, можешь представить электроны в виде жидкости», — говорит Маркус. «Но это жидкость, несущая заряд и, главное, это жидкость, которая мешает Квантовая точка становится электронным насосом, когда исследователи варьируют заряд на двух электроды таким образом, что изменяется количество форма точки искажается в регулярном цикле. Исследователи эксплуатировали насос в частот от нескольких миллионов до примерно 20 миллионов циклов в секунду и определили что 20 или около того электронов проходят через него за типичный цикл. Направление, в котором насос толкает электронов является случайным и может быть изменен небольшим колебания внешнего магнитного поля. Такой случайность является признаком того, что прокачка обусловлены свойствами квантовых волн, а не чем классическая физика, говорит Маркус. Затем исследовательская группа Маркуса попытается измерить степень квантовой когерентности, переживает насосное действие. Физик рассчитывает доказать возможность использования такого рода насос для перемещения заряда вокруг чипа без разрушая его квантово-механические свойства, но степень, в которой это может быть сделано, остается изучаться. «Эти эксперименты проводятся в несколько сотых градуса выше абсолютного нуля, так что не ищите продукт на панели инструментов в следующем году, — предостерегает Маркус. — Мы в основном пытаются выяснить новые правила, которые вступают в силу по мере того, как чипы становятся все меньше и меньше, и как эти правила могут быть использованы с пользой». Исследование было поддержано армией Исследовательский офис, Национальный научный фонд, и Управление научных исследований ВВС. Другие соответствующие материалы: Домашняя страница профессора Маркуса: http://www.stanford.edu/~cmarcus Веб-страница исследовательской группы Marcus: http://www.stanford.edu/group/MarcusLab / -30- Дэвид Ф. Солсбери Квантовый электронный насос изготовлен в полупроводниковый арсенид галлия. Электроны, действующие как квантово-механические волны, входят в центральную полость через щели с левой стороны структура. С точки зрения электроны, размер полости определяется силой электрических полей вокруг Это. Двухэлектродные «плунжеры» в правая сторона искажает форму полости. Когда электроды работают синфазно, насос не создают поток электронов. Когда электроды работают в противофазе, электроны начинают поток.   Источник: Чарльз Маркус, Стэнфордский университет

Сопротивление и простые схемы – College Physics: OpenStax

Глава 20 Электрический ток, сопротивление и закон Ома

Резюме

• Объясните происхождение закона Ома.
• Расчет напряжения, тока или сопротивления по закону Ома.
• Объясните, что такое омический материал.
• Опишите простую схему.

Что управляет током? Мы можем думать о различных устройствах, таких как батареи, генераторы, настенные розетки и т. д., которые необходимы для поддержания тока. Все такие устройства создают разность потенциалов и в широком смысле называются источниками напряжения. Когда источник напряжения подключен к проводнику, он применяет разность потенциалов [латекс]\boldsymbol{V}[/латекс], которая создает электрическое поле. Электрическое поле, в свою очередь, воздействует на заряды, вызывая ток.

Ток, протекающий через большинство веществ, прямо пропорционален приложенному к нему напряжению [латекс]\boldsymbol{V}[/латекс]. Немецкий физик Георг Симон Ом (1787–1854) первым экспериментально продемонстрировал, что сила тока в металлической проволоке прямо пропорциональна приложенному напряжению :

.

[латекс]\boldsymbol{I \propto V}.[/латекс]

Это важное соотношение известно как закон Ома. Его можно рассматривать как причинно-следственную связь, где напряжение является причиной, а ток — следствием. Это эмпирический закон, аналогичный закону трения — экспериментально наблюдаемому явлению. Такая линейная зависимость не всегда имеет место.

Если напряжение управляет током, что этому препятствует? Электрическое свойство, препятствующее току (грубо похожее на трение и сопротивление воздуха), называется сопротивлением RR размером 12{R} {}. Столкновения движущихся зарядов с атомами и молекулами в веществе передают энергию веществу и ограничивают ток. Сопротивление определяется как обратно пропорциональное току, или

[латекс]\boldsymbol{I \propto}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{1}{R}}.[/латекс]

Так, например, ток уменьшается вдвое, если сопротивление удваивается. Сочетание отношений тока к напряжению и тока к сопротивлению дает

[латекс]\boldsymbol{I =}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{V}{R}}.[/латекс]

Это соотношение также называют законом Ома. Закон Ома в этой форме действительно определяет сопротивление для определенных материалов. Закон Ома (как и закон Гука) не является универсальным. Многие вещества, для которых выполняется закон Ома, называются омическими. К ним относятся хорошие проводники, такие как медь и алюминий, и некоторые плохие проводники при определенных обстоятельствах. Омические материалы обладают сопротивлением [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс], которое не зависит от напряжения [латекс]\boldsymbol{V}[/латекс] и тока [латекс]\boldsymbol{I}[/латекс]. Объект, который имеет простое сопротивление, называется резистор , даже если его сопротивление мало. Единицей сопротивления является ом, который обозначается символом [латекс]\Омега[/латекс] (греческая омега в верхнем регистре). Перестановка [латекс]\boldsymbol{I = V/R}[/латекс] дает [латекс]\boldsymbol{R = V/I}[/латекс], поэтому единицами сопротивления являются 1 Ом = 1 вольт на ампер:

[латекс]\boldsymbol{1 \;\Omega = 1}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{\frac{V}{A}}[/латекс]

На рис. 1 показана схема простой цепи. Простая схема имеет один источник напряжения и один резистор. Можно предположить, что провода, соединяющие источник напряжения с резистором, имеют незначительное сопротивление, или их сопротивление можно включить в [латекс]\boldsymbol{R}[/латекс].

Рисунок 1. Простая электрическая цепь, в которой замкнутый путь для протекания тока обеспечивается проводниками (обычно металлическими проводами), соединяющими нагрузку с клеммами батареи, представленными красными параллельными линиями. Зигзагообразный символ представляет одиночный резистор и включает любое сопротивление в соединениях с источником напряжения.

Пример 1: расчет сопротивления: автомобильная фара

Чему равно сопротивление автомобильной фары, через которую протекает ток 2,50 А при подаче на нее напряжения 12,0 В?

Стратегия

Мы можем переформулировать закон Ома, как указано в [latex]\boldsymbol{I=V/R}[/latex], и использовать его для нахождения сопротивления.

Решение

Перестановка [латекс]\boldsymbol{I = V/R}[/латекс] и подстановка известных значений дает

[латекс]\жирныйсимвол{R =}[/латекс] [латекс]\жирныйсимвол{ \frac{V}{I}}[/latex] [латекс]\boldsymbol{=}[/latex] [латекс]\boldsymbol{\frac{12,0 \;\textbf{V}}{2,50 \;\textbf{ A}}}[/латекс] [латекс]\boldsymbol{= 4,80 \;\Омега }[/латекс]

Обсуждение

Это относительно небольшое сопротивление, но оно больше морозостойкости фары. {-5} \;\Омега}[/латекс], а сверхпроводники вообще не имеют сопротивления (они не омический). Сопротивление связано с формой объекта и материалом, из которого он состоит, как будет показано в главе 20.3 Сопротивление и удельное сопротивление.

Дополнительные сведения можно получить, решив [латекс]\жирныйсимвол{I = V/R}[/латекс], что даст

[латекс]\boldsymbol{V = IR}.[/латекс]

Это выражение для [latex]\boldsymbol{V}[/latex] можно интерпретировать как падение напряжения на резисторе, вызванное протеканием тока [latex]\boldsymbol{I}[/latex]. Фраза [латекс]\boldsymbol{IR}[/латекс]  падение часто используется для обозначения этого напряжения. Например, фара в примере 1 имеет падение [латекс]\жирный символ{ИК}[/латекс] 12,0 В. Если измерить напряжение в различных точках цепи, будет видно, что оно увеличивается в источнике напряжения и уменьшается у резистора. Напряжение аналогично давлению жидкости. Источник напряжения подобен насосу, создающему перепад давления, вызывающему ток — поток заряда. Резистор подобен трубе, которая снижает давление и ограничивает поток из-за своего сопротивления. Сохранение энергии имеет здесь важные последствия. Источник напряжения поставляет энергию (вызывая электрическое поле и ток), а резистор преобразует ее в другую форму (например, в тепловую энергию). В простой схеме (с одним простым резистором) напряжение, подаваемое источником, равно падению напряжения на резисторе, поскольку [latex]\boldsymbol{PE = q \Delta V}[/latex] и тот же [ латекс]\boldsymbol{q}[/latex] проходит через каждый. Таким образом, энергия, подаваемая источником напряжения, и энергия, преобразуемая резистором, равны. (См. рис. 2.)

Рисунок 2. Падение напряжения на резисторе в простой цепи равно выходному напряжению батареи.

Соединения: сохранение энергии

В простой электрической цепи единственный резистор преобразует энергию, поступающую от источника, в другую форму. О сохранении энергии здесь свидетельствует тот факт, что вся энергия, подаваемая источником, преобразуется в другую форму одним только резистором. Мы обнаружим, что закон сохранения энергии имеет и другие важные применения в цепях и является мощным инструментом анализа цепей.

PhET Исследования: Закон Ома

Посмотрите, как формула закона Ома соотносится с простой цепью. Отрегулируйте напряжение и сопротивление и посмотрите, как изменится ток в соответствии с законом Ома. Размеры символов в уравнении изменяются в соответствии с принципиальной схемой.

Рис. 3. Закон Ома

• Простая цепь — это цепь, в которой есть один источник напряжения и одно сопротивление.
• Одна формулировка закона Ома дает взаимосвязь между током [латекс]\boldsymbol{I}[/латекс], напряжением [латекс]\жирныйсимвол{V}[/латекс] и сопротивлением [латекс]\жирныйсимвол{R}[/ латекс] в простой схеме должен быть [латекс]\boldsymbol{I = \frac{V}{R}}[/латекс].
• Сопротивление выражается в омах ([латекс]\boldsymbol{\Omega}[/латекс]), связанных с вольтами и амперами как [латекс]\жирныйсимвол{1 \;\Omega = 1 \;\textbf{V} / \ textbf{A}}[/латекс].
• Падение напряжения или [latex]\boldsymbol{IR}[/latex] на резисторе, вызванное протеканием через него тока, задается формулой [latex]\boldsymbol{V = IR}[/latex].

Закон Ома

эмпирическое соотношение, утверждающее, что ток I пропорционален разности потенциалов В , ∝ В ; его часто записывают как I = V/R , где R — сопротивление

сопротивление

электрическое свойство, препятствующее току; для омических материалов это отношение напряжения к току, R = V/I

Ом

единица сопротивления, определяемая как 1 Ом = 1 В/А

омический

тип материала, для которого действует закон Ома

простая схема

схема с одним источником напряжения и одним резистором

 

Закон Ома

 

Закон Ома

Что такое закон Ома?

Закон Ома (названный в честь немецкого физика девятнадцатого века Джорджа Саймона Ома, который его вывел) – это уравнение, описывающее фундаментальную взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Обычно указывается как: E = IR или V=IR, где E или V = напряжение в вольтах. E означает «электродвижущая сила», которая совпадает с напряжением, а I = ток в амперах, а R = сопротивление в омах.

Как он используется?

Закон Ома позволяет рассчитать падение напряжения на заданном резисторе, если известен ток, протекающий через резистор.

Пример. Какое напряжение падает на резисторе 10 кОм, через который протекает ток 5 мА? Падение напряжения на резисторе составляет 50 вольт, потому что E = IR = 5 мА * 10K = 50 вольт. (Обратите внимание, что «К» означает 1000 Ом, а «мА» означает 1 x 10 ^-3 ампер).

Исходным уравнением E = IR можно манипулировать, чтобы найти любое из трех, если известны два других. Три возможные формы уравнения:

(1)   E = IR
(2)   R = E/I
(3)   I = E/R

Пример. Если вы измерили ток, протекающий через 8-омный динамик, и обнаружили, что он составляет 2,5 А (среднеквадратичное значение), напряжение на динамике можно найти, умножив ток на сопротивление, или E = IR = 2,5 A*8 Ом = 20В.

Пример. Если у вас есть резистор неизвестного номинала, и вы измеряете на нем напряжение 10 В с помощью вольтметра, а затем включаете амперметр последовательно с резистором для измерения тока и обнаруживаете, что он равен 100 мА, неизвестное значение сопротивления может быть можно найти, разделив напряжение на резисторе на ток через него, или R = E/I = 10 В/100 мА = 100 Ом.

Пример. Если у вас есть резистор 100 К, и вы измеряете 100 В на нем с помощью вольтметра, ток, протекающий через резистор, можно найти, разделив напряжение на резисторе на сопротивление, или I = 100 В/100 К = 1 мА.

Уравнения мощности

Соответствующее уравнение используется для расчета мощности в цепи: P = EI, где P = мощность (в ваттах), E = напряжение (в вольтах) и I = ток (в амперах).

Пример: Если вы хотите определить выходную мощность усилителя и измерить среднеквадратичное значение 20 В на нагрузке и 2,5 А на нагрузке, мощность, отдаваемая усилителем на нагрузку, составит: P = 20 * 2,5 = 50 Вт.

Как и в случае с уравнениями закона Ома, это уравнение также можно изменить, чтобы решить две другие величины, чтобы получить три возможных уравнения следующим образом:

(1)   P = EI
(2)   E = P/I
(3)   I = P/E.

Пример. Если у вас есть усилитель, выдающий 100 Вт в нагрузку, и вы измеряете 2,5 А в нагрузке, напряжение на нагрузке можно рассчитать как E = P/I = 100 Вт/2,5 А = 40 В.

Пример. Если у вас есть усилитель, который выдает 50 Вт на нагрузку, и вы измеряете 20 В на нагрузке, усилитель выдает ток I = 50 Вт/20 В = 2,5 А.

Уравнение мощности также можно объединить с первым уравнением закона Ома, чтобы получить набор новых уравнений. Поскольку E = IR, вы можете заменить E на IR в уравнении мощности, чтобы получить:

P = EI = (IR)*I, или P = I ² R.

Вы также можете найти P, если знаете только E и R, подставив I=E/R в уравнение мощности, чтобы получить:

P = EI = E*(E/R), или P = E ² /R.

Эти два уравнения также можно переставить для решения любой из трех переменных, если известны две другие. Это дает шесть возможных уравнений, связывающих мощность с напряжением, током и сопротивлением:

(1)   P = I ² R
(2)   R = P/I ²
(3)   I = sqrt(P/R)
(4)   P = E ² /R
(5 )   R = E ² /P
(6)   E = sqrt(PR)

Пример. Какой мощности должен быть резистор 10 Ом, если он используется в качестве развязывающего фильтра в источнике питания и через него будет протекать общий ток 10 мА? Ответ можно найти, используя уравнение (1): P = I ² R = (10 мА) ² * 10K = 1 Вт.

Пример. Каково среднеквадратичное напряжение на выходе усилителя мощностью 100 Вт при нагрузке 16 Ом? Ответ можно найти с помощью уравнения (6): E = sqrt(PR) = sqrt(100W*16ohms) = 40V RMS.

Пример. Усилитель подключен к нагрузке 8 Ом. Среднеквадратичное напряжение на нем измеряется с помощью DVM (цифровой вольтметр) и оказывается равным 15,5 В непосредственно перед ограничением. Какую неискаженную мощность может выдать усилитель на нагрузку 8 Ом? Ответ можно найти, используя уравнение (4): P = E ² /R = 15,5 ² /8 = 30 Вт.

Пример. Какой ток выдает усилитель мощностью 100 Вт на нагрузку 16 Ом, нагрузку 8 Ом и нагрузку 4 Ом? Ответ можно найти, используя уравнение (3). Для нагрузки 16 Ом I = sqrt(P/R) = sqrt(100/16) = 2,5 А. Для нагрузки 8 Ом I = sqrt(100/8) = 3,54 А. Для нагрузки 4 Ом I = sqrt(100/4) = 5А.
 

Сводка

Закон Ома, вероятно, является самым важным уравнением, используемым при проектировании или анализе схемы. Эти уравнения полезны для расчета многих параметров гитарного усилителя, включая выходную мощность, падение напряжения на резисторах, ток через резисторы, номинальную мощность резисторов и многое другое.

Ниже приведены все уравнения, которые можно вывести из закона Ома и уравнений мощности:

(1)     E = IR
(2)     R = E/I
(3)     I = E/R
(4)     P = EI
(5)     E = P/I
(6)     I = P/E .