Элементы электрической цепи. Закон Ома

Электрическая цепь состоит из источника энергии иее приемников, в которых электрическая, энергия преобразуется в другие виды энергии — тепловую, лучистую, механическую
и т. д.

В качестве источников энергии в цепи могут использоваться электрохимические источники, солнечные батареи, термоэлектропреобразователи, электрические генераторы.

На полюсах источника энергии получаются различные уровни электрических зарядов, которые стремятся выравниться через электрическую
цепь под действием электродвижущей силы (э.д.с), подобно тому, как уровни воды в различных сосудах, соединенных между собой
трубкой, стремятся выравниться под действием давления водяного столба.

 

Э.д.с. имеет одинаковую природу с напряжением. В цепи с источником тока э.д.с. равна напряжению на зажимах источника тока при отсутствии тока в цепи, то есть при разомкнутой внешней цепи. Принято считать, что ток во внешней цепи направлен от положительного полюса (+) к отрицательному (—), то есть как бы от верхнего уровня к нижнему.

Различают источники э.д.с. и источники тока. У идеального источника э.д.с. напряжение на зажимах не должно меняться при любых токах нагрузки. В реальных условиях, однако, всякий источник э.дх. обладает собственным внутренним сопротивлением, на котором происходит падение напряжения при протекании тока в цепи. Поэтому на зажимах реального источника э.д.с. напряжение меняется в некоторых пределах в зависимости от тока нагрузки. На схемах реальный источник э.дх. изображают как последовательно соединенные источник э.д.с. и его внутреннее сопротивление (рис. 2.1, а).

В цепи с идеальным источником тока должен оставаться неизменным ток при любом сопротивлении приемника энергии. В реальных условиях в цепи, подключенной к источнику тока, сила тока меняется в некоторых пределах в зависимости от сопротивления приемника. Такой реальный источник тока на расчетных схемах изображают как идеальный, но с включенным на его зажимах параллельным резистивным элементом, сопротивление которого рарно внутреннему сопротивлению источника (рис.

2.1, б).

В замкнутой цепи, изображенной на рисунке 2.2, а, сила тока на всех участках цепи одинакова. Она зависит от э.д.с. Е источника и полного сопротивления R — величины, характеризующей противодействие электрической цепи току, и определяется законом Ома, выражающим зависимость между э.дс. Е (В), силой тока

I (А) и сопротивлением R (Ом):

I = E/R.                     (2.1)

Сопротивление всей цепи R равно сумме сопротивлений наружного (внешнего) участка цепи R_H и внутреннего сопротивления источника тока R_BH:

R=R_H+R_BH.

Закон Ома может быть применен и ко всей цепи, и к отдельным ее участкам. Так, для электрической цепи, изображенной на рисунке 2.3, а, можно написать:

I = U₁/R₁; I = U₂/R₂; I = U₃/R_BH;

где I—’сила тока в цепи; U

1 —напряжение на сопротивлении R₁; U₂ — напряжение на сопротивлении R₂: U₃, — падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока Rвн.

Напряжение на внутреннем сопротивлении источника, а также на сопротивлениях цепи часто называют падением напряжения. Сумма напряжений на отдельных участках цепи равна электродвижущей силе (э.д.с.) источника:

U₁ + U₂ + U₃ = Е.

Из этого равенства следует, что напряжения и общая э.д.с. в цепи имеют разные знаки и их удобно представить графически.

Для большей наглядности и уяснения взаимодействия напряжений на элементах цепи и э.д.с. источника можно прибегнуть к графическому изображению (рис. 2.2, б и 2.3, б). Здесь длина отрезков, представляющих напряжения, пропорциональна их значениям (отрезки взяты в масштабе).

Стрелками на расчетных схемах указывают положительное направление э.д.с, напряжений и токов. Если сопротивление внешней цепи R_H стало небольшим по сравнению с внутренним сопротивлением R_BH источника и можно считать, что оно равно нулю, то в цепи возникает режим короткого замыкания источника энергии. Сила тока I

_K, при этом может достигать очень больших значений, так как сопротивление R_вн во много раз меньше сопротивления токоприемников. Сила тока короткого замыкания:

I_K = E/R_BH.

Короткое замыкание происходит, например, при повреждении изоляции, когда провода, идущие от источника тока к токоприемнику, соединяются (замыкаются) между собой. В общем случае закон Ома может быть записан в трех вариантах:

I=U/R; U = IR; R = U/I.

 

Следует заметить, что закон, Ома в том виде, в каком он рассмотрен нами, применим только к цепям постоянного тока и цепям переменного тока с активным сопротивлением (лампы накаливания, нагревательные приборы, резисторы). Активным называется такое сопротивление, в котором происходит необратимый процесс превращения электрической энергии в другой вид энергии (тепло, свет и т. д.).

 

Следующая >

Закон Ома для переменного тока

Приветствую всех на нашем сайте! В этот раз речь пойдёт про закон Ома для переменного тока.

Когда-то люди жили без электричества. Потом научились делать батарейки, и так появился постоянный электрический ток. Есть у электриков шутка: «Что такое переменный ток? Это нет-нет, да шарахнет…» А вот тут возникает логичный вопрос: «Почему не остановились на постоянном токе, раз он безопаснее»? Исключительно с экономической точки зрения. Переменный ток гораздо удобнее и дешевле преобразовывать, то есть повышать или понижать. Точнее не сам ток, а напряжение. Когда протекает ток, он совершает работу, работа сопровождается выделением тепла. Мощность, это произведение тока и напряжения, а значит, повышая напряжение и понижая ток мы передадим ту же мощность, но с меньшим тепловыделением, а значит и с меньшими потерями. А ещё, чем выше напряжение, тем меньше сопротивление проводов, по которым протекает ток, это оказывает влияние на потери напряжения. Как-нибудь поговорим более подробно об этом. А пока обратимся к школьному курсу физики – ток протекает только по замкнутому контуру и возможен только при условии, что к этому контуру будет приложено напряжение и контур будет иметь какое-то сопротивление. Подробно об этом вы можете прочитать в статье Закон Ома для замкнутой цепи. А мы двинемся дальше.

Сейчас вы поймете, почему так важен и что даёт закон Ома для цепи переменного тока. В современной жизни без этого закона никак не обойтись. Поскольку ток, это работа, а работа есть выделение тепла, то существенная задача электротехники в том, чтобы соблюдался термический режим, проще говоря, чтобы не произошло перегрева электроцепей. Итак, закон Ома гласит, что:

Измерить напряжение довольно просто, для этого понадобится вольтметр, в нашем случае для переменного напряжения. В цепях постоянного тока измерить сопротивление тоже не составляет сложности, для этого потребуется омметр. Почему же возникают сложности с переменным током? А проблема, именно, в его переменности, а точнее понятиях емкости и индукции, которые ведут себя при переменном токе несколько иначе, нежели при постоянном.

Формула Закона Ома для переменного тока:

Кому-то эта формула может показаться неожиданной, потому что все привыкли видеть другую формулу:

Теперь давайте разберёмся, что такое полное сопротивление цепи и всё сразу встанет на свои места. В цепях постоянного тока конденсаторы могут только накапливать заряд, а катушки индуктивности становятся обычным проводом, но в цепях переменного тока они становятся сопротивлениями. Поэтому в переменном токе существует две составляющие: активный ток и реактивный. Как это происходит, сейчас увидите.

Ёмкостное сопротивление. При подаче напряжения на конденсатор сначала возникает сильный ток и потом поднимается напряжение, то есть в идеальных условиях ток опережает напряжение на угол 90. Другими словами, ток совершает работу из-за наличия сопротивления в цепи, которое можно посчитать по формуле:

Таким образом, чем выше частота переменного тока и чем выше емкость конденсатора, тем меньше ёмкостное сопротивление.

Индуктивное сопротивление. Здесь все происходит наоборот, сначала возникает напряжение, затем запускается индукционный процесс который препятствует возрастанию тока. Подробнее об этом читайте в статьях про индукцию.

Поэтому здесь мы видим уже обратную картину – чем выше частота и чем больше индуктивность катушки, тем больше индуктивное сопротивление переменному току.

Почему эти понятия не встречаются в цепях постоянного тока? Ответ можно узнать, посмотрев на формулы. Если ток постоянный, то f=0. То есть, емкостное сопротивление станет бесконечно большим, а это значит, что конденсатор в цепи постоянного тока становится похож на выключатель, который размыкает цепь и ток по ней не идёт, но при этом, конденсатор будет пропускать переменный ток. А индуктивное сопротивление станет равно нулю, значит, у нас останется просто провод, который имеет свое собственное сопротивление, которое еще называется активным, и его можно измерить обычным омметром. В отличие от конденсатора, у которого нет активного сопротивления, сопротивление катушки, если оно довольно большое, должно приниматься в расчёт. Как правило, активное сопротивление катушки очень маленькое по сравнению с индуктивным, поэтому его в расчёт не берут, но всё же правильно формула сопротивления катушки выглядит так:

По такому принципу в электронике изготавливают фильтры, которые должны отсечь переменный ток от постоянного, то есть пропускать только переменный ток или наоборот заглушить переменный ток, оставив только постоянный, или даже заглушить токи какой-то одной или нескольких частот.

А сейчас совсем вас запутаю… И катушка может иметь ёмкостные свойства и конденсатор – индуктивные, но как правило они слишком малы и носят паразитический характер.

Ну а сейчас мы рассмотрим закон Ома для электрической цепи переменного тока наглядно.

Допустим, у нас есть цепь из последовательно включенных резистора (активное сопротивление), конденсатора (реактивное ёмкостное сопротивление) и катушка (активно-реактивное индуктивное сопротивление). Теперь, чтобы узнать силу тока в цепи нам нужно правильно посчитать полное сопротивление цепи.

Осталось применить всё изложенное выше.

Реактивное сопротивление Х это разница между индуктивным сопротивлением X_L и ёмкостным сопротивлением X_C. Ну а дальше векторным сложением можем узнать полное реактивное сопротивление

следовательно:

дальнейший расчет:

или:

Что можно сказать в заключении. Как вы можете видеть, закон Ома для переменного тока точно такой же, как и для постоянного. Разница лишь в том, как считать сопротивление. Если в постоянном токе мы имеем только активное сопротивление, то в переменном токе добавляется еще и реактивное, а именно индуктивное и емкостное. И, кстати говоря, реактивный ток – явление, с которым в электротехнике стараются бороться различными методами, поскольку эти токи паразитные и не несут полезной нагрузки. Об этом мы поговорим в других статьях. Пока сообщу лишь, что идеальный вариант, к которому пока никто не смог приблизиться, чтобы нагрузка была исключительно активной.

Теория лент | Определение, объяснение и факты

Связанные темы:

запрещенная зона Уровень Ферми электрическая проводимость валентная зона зона проводимости

См. весь соответствующий контент →

зонная теория , в физике твердого тела, теоретическая модель, описывающая состояния электронов в твердых материалах, которые могут иметь значения энергии только в определенных определенных диапазонах.

Поведение электрона в твердом теле (и, следовательно, его энергия) связано с поведением всех других частиц вокруг него. Это прямо противоположно поведению электрона в свободном пространстве, где он может иметь любую заданную энергию. Диапазоны разрешенных энергий электронов в твердом теле называются разрешенными зонами. Определенные диапазоны энергий между двумя такими разрешенными зонами называются запрещенными зонами, т. Е. Электроны в твердом теле могут не обладать этими энергиями. Зонная теория объясняет многие электрические и тепловые свойства твердых тел и составляет основу технологии твердотельной электроники.

Диапазон энергий, разрешенных в твердом теле, связан с дискретными разрешенными энергиями — энергетическими уровнями — одиночных изолированных атомов. Когда атомы собираются вместе, чтобы сформировать твердое тело, эти дискретные энергетические уровни возмущаются из-за квантово-механических эффектов, и множество электронов в наборе отдельных атомов занимают полосу уровней в твердом теле, называемую валентной зоной. Пустые состояния в каждом отдельном атоме также расширяются в полосу уровней, которая обычно пуста, называемую зоной проводимости. Подобно тому, как электроны на одном энергетическом уровне в отдельном атоме могут переходить на другой пустой энергетический уровень, так и электроны в твердом теле могут переходить с одного энергетического уровня в данной зоне на другой в той же или в другой зоне, часто пересекая промежуточную щель. запретных энергий. Исследования таких изменений энергии в твердых телах, взаимодействующих с фотонами света, энергичными электронами, рентгеновскими лучами и т.п., подтверждают общую справедливость зонной теории и дают подробные сведения о разрешенных и запрещенных энергиях.

Различные диапазоны разрешенных и запрещенных зон обнаруживаются в чистых элементах, сплавах и соединениях. Обычно описывают три отдельные группы: металлы, изоляторы и полупроводники. В металлах запрещенные зоны не возникают в области энергий наиболее энергичных (крайних) электронов.

Соответственно, металлы являются хорошими проводниками электричества. Изоляторы имеют широкие запрещенные энергетические щели, которые может пересечь только электрон с энергией в несколько электрон-вольт. Поскольку электроны не могут свободно двигаться под действием приложенного напряжения, изоляторы являются плохими проводниками. Полупроводники имеют относительно узкие запрещенные зоны, которые может пересечь электрон с энергией примерно в один электрон-вольт, и поэтому являются промежуточными проводниками.

Редакторы Британской энциклопедии Эта статья была недавно отредактирована и обновлена ​​Эриком Грегерсеном.

Свободно-электронная модель металлов | физика

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• В этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.

• Студенческий портал
  Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.