Закон Ома для электрической цепи

Электрический ток, как и любое другое физическое явление подчиняется определенным законам. Так, в 1826 году, Георг Ом вывел эмпирический закон, который способен объяснить зависимость силы тока, напряжения, а также особенностей проводника в электроцепи. В дальнейшем вносились определенные изменения, сам закон Ома для электрической цепи модифицировался, и на данный момент ученые его интерпретируют в четырех вариантах, которые мы и рассмотрим.

В ходе практических исследований, на их базе, ученый смог определить зависимость силы тока и напряжения от специфики проводника, по которому протекает ток. Если быть точнее, то каждый материал имеет определенное сопротивление и на определенном участке цепи, сила тока вычисляется отношением напряжения и сопротивления.

I = U/ R,

где I – сила тока, U – напряжение, R – сопротивление проводника.

Фактически, этот закон аналогичен прохождению воды по трубам: чем больше диаметр трубы и напор, тем больше ее выльется в конечной точке.

Закон Ома для замкнутой цепи

Подобная интерпретация подразумевает наличие источника питания, а также проводника, по которому протекает ток. В этом случае, помимо сопротивления на отдельно взятом участке следует учитывать и то, которое возникает в ИП. Учитывая эти факторы, можно сказать, что сила тока будет равна отношению электродвижущей силы к сумме сопротивлений.

I = E/ Rвн+r,

где Е – ЭДС, Rвн – внешнее сопротивление, а r соответственно внутреннее.

Закон Ома для замкнутой цепи можно объяснить доступным языком. Электродвижущая сила по определению должна полноценно обеспечивать постоянную разницу потенциалов, и эта сила может иметь неприродное происхождение: химическое, если в качестве источника используется батарейка или механическая, в случае подключения к электрической цепи генератора. При подключении медной проволоки с идентичным сечением к батарейке и аккумулятору. Эффект должен быть таким, что по этому проводнику, в котором сопротивление практически отсутствует, должен пойти ток с величиной, стремящейся к бесконечности. Однако этого не происходит и разница в показателях будет существенной, а во втором случае, проволока и вовсе может перегореть. Именно поэтому в расчет берется внутреннее сопротивление источника питания, чтобы описать подобное явление.

Закон ома для неоднородного участка цепи

Перед тем, как записать формулу для подобной интерпретации закона, следует разобраться в таких понятиях, как линейные и нелинейные участки цепи.

Если сопротивление никаким образом не зависит от тока и подаваемого напряжения, то с ростом второго параметра, первый будет прямо пропорционально возрастать и наоборот, то есть зависимость можно описать прямой линией. Подобная зависимость относится к линейным участкам цепи и сопротивление имеет аналогичное название.

Однако вышеизложенный вариант считается идеальным и его можно смоделировать лишь в идеальных условиях, что фактически невозможно, ведь, как минимум, окружающая среда вносит свои коррективы. В этом случае, рост напряжения не будет прямо пропорциональным силе тока и на графике зависимость будет изображаться в виде кривой.

На рисунке изображено два графика, первый из которых описывает линейную зависимость, а второй нелинейную.

Чтобы отчетливо понимать разницу между этими понятиями, рассмотрим принцип работы обычной электрической лампы накаливания. При прохождении тока по нити, температура в значительной степени повышается, что приводит к заметному росту сопротивления. Соответственно, при возрастании напряжения, сила тока будет увеличиваться медленнее, то есть не линейно.

Примечание: в некоторых ситуациях, некоторыми внешними факторами пренебрегают по причине того, что они очень незначительны и в числовом эквиваленте никоим образом не могут повлиять на общую картину. Это значит, что нелинейная зависимость на графике фактически совпадает с линейной.

Учитывая вышесказанное, можно установить следующую зависимость:

I = U/ R = (f1 – f2) + E/ R,

Где f1 и f2 – потенциалы (соответственно f1 – f2 называется разницей потенциалов), E – ЭДС неоднородного участка цепи, а R – суммарное сопротивление на этом же участке.

Нужно упомянуть и о том, что электродвижущая сила не всегда в этом случае будет иметь положительное значение. Если направление тока источника будет аналогичным с направлением в электрической сети, протонов будет больше, чем электронов (положительных и отрицательных частиц), то в этом случае величина E будет иметь значение со знаком «+», в иной ситуации, этот параметр будет со знаком «-».

Закон Ома для переменного тока

Если в электроцепи имеется емкость или инертность, то этот факт следует однозначно учитывать при расчётах силы тока. Они имеют собственные показатели сопротивления, что приводит к ситуации, которая будет иметь переменный характер. В случае Закона Ома для переменного тока формула записывается следующим образом:

I = U/ Z, где

I – сила тока, U – напряжение, а Z – суммарное значение сопротивления на всех участках электрической цепи (этот параметр именуется еще, как импеданс).

Как говорилось изначально, закон Ома считается эмпирическим. Это обозначает то, что он может не всегда работать и выполнять вычисления на его основе не представляется возможным. Подобная ситуация может сложиться в нескольких случаях:

• в ситуации, когда электросеть имеет высокую частоту и электромагнитное поле может сильно изменяться за короткие промежутки времени;
• при наличии проводников, которые обладают свойствами сверхпроводимости, расположенных в условиях низких температурных показателей;
• при перегреве проводника под воздействием проходящего по нему тока, отношение напряжения и сопротивления может носить переменный, неоднородный характер;
• если проводник (диэлектрик) находится под высоким напряжением;
• светодиодных лампах;
• в полупроводниках и аналогичных устройствах.

На основе этого закона, можно произвести вывод некоторых формул математическим путем. С их помощью можно производить разнообразные расчеты.

Поделиться ссылкой:

Похожее

1.5. Закон Ома для замкнутой цепи

Если в проводнике создать электрическое поле и не принять мер для его поддержания, то перемещение зарядов очень быстро приведет к тому, что поле внутри проводника исчезнет и ток прекратится, поэтому для поддержания постоянного тока в течение длительного времени необходимо выполнение двух условий: электрическая цепь должна быть замкнутой; в электрической цепи наряду с участками, на которых положитель-

ные заряды движутся в сторону убывания потенциала, должны быть участки, на которых эти заряды движутся в сторону возрастания потенциала, т. е. против сил электростатического поля (см. изображенную штриховой линией часть цепи на рис. 5).

Перемещать положительные заряды против сил электростатического поля могут только силы неэлектростатического происхождения, называемые сторонними силами. Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей в цепи или на ее участке. ЭДС  измеряется в вольтах (В). Источник ЭДС имеет некоторое внутреннее сопротивление , зависящее от его устройства. Это сопротивление оказывается включенным последовательно с источником в общую электрическую цепь. В качестве источников ЭДС используют гальванические элементы и генераторы постоянного тока (рис. 6).

Если неразветвленная замкнутая электрическая цепь (рис. 7) содержит несколько последовательно соединенных элементов с сопротивлением и источников ЭДС_к, имеющих внутреннее сопротивление то ее можно заменить эквивалентной цепью, изображенной на рис. 6. Сила тока в эквивалентной цепи определяется законом Ома для замкнутой цепи:

, (14)

;

ЭДС, как и сила тока, есть величина алгебраическая. Если ЭДС способствует движению положительных зарядов в выбранном направлении, то

 > 0, если ЭДС препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то  < 0. Чтобы определить знак ЭДС, необходимо показать в электрической цепи направление движения положительных зарядов. Положительные заряды в электрической цепи движутся от положительного полюса источника к отрицательному полюсу. Если по ходу этого направления перейти внутри источника от отрицательного полюса к положительному, то  > 0, если перейти внутри источника от положительного полюса к отрицательному, то  < 0.

Рис. 6 Рис. 7

Из закона Ома для замкнутой цепи следует, что падение напряжения

U на зажимах источника меньше, чем ЭДС. Действительно, , или . Так как по закону Ома для однородного участка цепи напряжение на зажимах источника , то

 –Ir. (15)

В режиме короткого замыкания (R << r) закон Ома для замкнутой цепи записывается в виде: .

При решении задач на определение силы тока, ЭДС и сопротивления в замкнутой электрической цепи необходимо:

1) начертить схему и указать на ней все элементы цепи и направление тока в цепи;

2) заменить полученную схему эквивалентной, в которой (ЭДС складываются алгебраически),

3) используя закон Ома для замкнутой цепи, установить связь между силой тока и ЭДС.

Закон Ома и электрическая цепь электровоза — EduTranslator

Первоначально электрическая тяга применялась на городских трамвайных линиях и промышленных предприятиях, особенно на рудниках и в угольных копях. Но очень скоро оказалось, что она выгодна на перевальных и тоннельных участках железных дорог, а также в пригородном движении. В 1895 г. в США были электрифицированы тоннель в Балтиморе и тоннельные подходы к Нью-Йорку. Для этих линий построены электровозы мощностью185кВт(50км/ч).[1]

После первой мировой войны на путь электрификации железных дорог вступают многие страны. В  СССР был построен первый отечественный электровоз серии Сс в 1932г. Уже к 1935 г. в СССР было электрифицировано 1907 км путей и находилось в эксплуатации 84 электровоза.
В настоящее время общая протяженность  электрических железных дорог во всем мире достигла 200 тыс. км, что составляет примерно 20% общей их длины. Это, как правило, наиболее грузонапряженные линии, горные участки с крутыми подъемами и многочисленными кривыми участками пути, пригородные узлы больших городов с интенсивным движением электропоездов.
Техника электрических железных дорог за время их существования изменилась коренным образом, сохранился только принцип действия. Применяется привод осей локомотива от электрических тяговых двигателей, которые используют энергию электростанций. Эта энергия подводится от электростанций к железной дороге по высоковольтным линиям электропередачи, а к электроподвижному составу — по контактной сети. Обратной цепью служат рельсы и земля.
Применяются три различные системы электрической  тяги — постоянного тока, переменного  тока, двойного питания, многосистемные.
В данной работе рассмотрим электровозы  с электрической тягой основанной на постоянном токе.[2]

Цель работы: изучение практического применения закона Ома в работе электрической цепи электровоза

Для достижения поставленной цели выдвинуты следующие задачи:

1. Изучить источники информации по данной теме
2. Проанализировать закон Ома для участка цепи
3. Проанализировать закон Ома для полной цепи
4. Рассмотреть применение закона Ома в работе электрической цепи электровоза

ЗАКОН ОМА

Закон Ома для участка цепи

В 1826 величайший немецкий физик Георг Симон Ом (в соответствии с рисунком 1) публикует свою работу «Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество», где дает формулировку знаменитому закону. Ученые того времени встретили враждебно публикации великого физика. И лишь после того, как другой ученый – Клод Пулье, пришел к тем же выводам опытным путем, закон Ома признали во всем мире.    [3]  Немецкий физик Георг Ом (1787 -1854) экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорционально напряжению U на концах проводника (в соответствии с рисунком 2).

Формулировка закона Ома для участка цепи – сила тока прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению.
где R — электрическое сопротивление проводника.
Уравнение I = U/R выражает закон Ома для участка цепи (не содержащего источника тока): сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорционально сопротивлению проводника. Участок цепи, в котором не действуют э.д.с. (сторонние силы) называют однородным участком цепи, поэтому эта формулировка закона Ома справедлива для однородного участка цепи.
Любой участок или элемент электрической цепи можно охарактеризовать при помощи трёх характеристик: тока, напряжения и сопротивления. [4]

Как использовать треугольник Ома: (в соответствии с рисунком 3) закрываем искомую величину — два других символа дадут формулу для её вычисления. Кстати, законом Ома называется только одна формула из треугольника – та, которая отражает зависимость тока от напряжения и сопротивления. Две другие формулы, хотя и являются её следствием, физического смысла не имеют. Расчеты, выполняемые с помощью закона Ома для участка цепи, будут правильны в том случае, когда напряжение выражено в вольтах, сопротивление в омах и ток в амперах. Если используются кратные единицы измерений этих величин (например, миллиампер, милливольт, мегаом и т. д.), то их следует перевести соответственно в амперы, вольты и омы. Чтобы подчеркнуть это, иногда формулу закона Ома для участка цепи пишут так:

ампер = вольт/ом. Можно также рассчитывать ток в миллиамперах и микроамперах, при этом напряжение должно быть выражено в вольтах, а сопротивление — в килоомах и мегаомах соответственно. [5]

1.Закон Ома для полной цепи

Рассмотрим замкнутую электрическую цепь, состоящую из двух частей: собственно источника с электродвижущей силой Ɛ и внутренним сопротивлением r и внешней части цепи — проводника с сопротивлением R (в соответствии с рисунком 4).

Закон Ома для полной цепи устанав­ливает зависимость силы тока в замкнутой цепи I от электродвижущей силы источника Ɛ и полного сопротивления цепи R + r. Эту зависимость можно установить на основании закона сохранения энергии и закона Джоу­ля-Ленца. Если через поперечное сечение проводника за время Δt заряженными час­тицами переносится заряд Δq, то работа сторонних сил

A_ст. = ƐΔq = ƐIΔt.

Если в цепи электрическая энергия прев­ращается лишь в тепловую, то по закону со­хранения энергии А_ст. = Q и общее коли­чество теплоты, выделяющееся в замкнутой цепи, равно сумме количеств теплоты, вы­деляющихся во внешней и внутренней час­тях цепи

Q = I²RΔt + I²rΔt.

Если

A_ст. = Q = (Ɛ / R + r) • IΔt,

то

ƐIΔt = I²RΔt + I²rΔt.

Итак,

Ɛ = IR + Ir

и

I = Ɛ / (R + r),

что и выражает закон Ома для полной цепи.

Закон Ома для полной цепи. Сила тока в замкнутой цепи измеряется отно­шением электродвижущей силы источника тока, имеющегося в этой цепи, к полному ее сопротивлению.

Из сказанного выше можно сделать вы­вод, что закон Ома для полной цепи являет­ся одним из выражений закона сохранения энергии.

Во многих случаях для характеристики источников тока недостаточно использовать лишь ЭДС. Пусть, например, необходимо установить, ток какой максимальной силы может дать определенный источник тока. Если исходить из закона Ома для полной цепи

I = Ɛ / (R + r),

то очевидно, что максимальной сила тока в цепи будет тогда, когда внешнее сопротивление цепи R стремится к нулю — это короткое замыкание в цепи. При этом ток короткого замыкания имеет силу I_max = Ɛ / r, поскольку Ɛ и r изменить для данного источника мы не можем, они яв­ляются характеристиками источника.

Если представить, что сопротивление вне­шней части цепи стремится к бесконеч­ности (цепь становится разомкнутой), то напряжение на полюсах источника тока IR стремится к электродвижущей силе, то есть: электродвижущая сила источника тока равна напряжению на полюсах разомкнутого источ­ника. [6]

2. Применение закона Ома в работе электрической цепи электровоза

Закон Ома может быть применён к любой физической системе, в которой действуют потоки частиц или полей преодолевающие сопротивление. Его можно применять для расчёта гидравлических, пневматических, магнитных, электрических, световых, тепловых потоков и т. д. Рассмотрим применение закона Ома в электрической цепи электровоза (в соответствии с рисунком 5). От внешней электрической сети (электростанции), которая вырабатывает переменный трехфазный ток промышленной частоты (50 ГЦ), ток поступает на повышающие трансформаторы, которые повышают напряжение от 200 тыс. до более 1 млн. В. Далее этот переменный трехфазный ток по линиям электропередач поступает на тяговые подстанции, расположенные вдоль железнодорожного пути на расстоянии 50 — 100 км.
В тяговых подстанциях это высокое напряжение поступает на тяговый  понижающий трансформатор, который понижает напряжение до 3000 В и подает его на выпрямительное устройство, где по двухполупериодной схеме переменный трехфазный ток преобразуется в постоянный ток напряжением 3000 В. Этот ток по двухпроводной схеме подводится одной полярностью к рельсам, а другой — к контактному проводу, расположенному выше электровоза посередине рельсов вдоль всего железнодорожного пути.
При поднятом пантографе постоянное высокое  напряжение поступает в высоковольтные камеры, где расположены контакторы и пусковые реостаты. Машинист с помощью контроллера, расположенного в кабине машиниста, подключает пусковые реостаты к тяговым электродвигателям постоянного тока, расположенным на осях тележек. От тяговых электродвигателей через заземляющие шины электрический ток поступает на колесные пары, а от них — в рельсы, а по рельсам — возвращается на тяговую подстанцию. Электрическая цепь оказывается замкнутой и по тяговым электродвигателям начинает протекать постоянный ток. Якоря электродвигателей начинают вращаться, преобразуя электроэнергию постоянного тока в механическую работу вращения якорей. На валу якоря закреплена ведущая шестерня, которая находится в постоянном зацеплении с ведомой шестерней, закрепленной на оси колесной пары. Ведомая шестерня вращается и вращает ось колесной пары и колеса электровоза начинают вращаться.
Благодаря наличию сил трения, между колесами и рельсами возникает касательная  сила тяги:
Fк = Nд  * Fkg = Nд (3,6 * С * Ф * Ig — ”F), Н
где:
Fkg — касательная  сила тяги одного тягового  электродвигателя, Н
Nд — число движущихся осей или  тяговых электродвигателей локомотива
С — постоянная электроподвижного состава, которая  зависит от передаточного отношения зубчатой передачи, диаметра движущих колес локомотива, конструктивной постоянной тягового электродвигателя, включающая в себя число пар полюсов, число параллельных ветвей и активных проводников обмотки якоря
Ф — магнитный  поток тягового электродвигателя, Вб
Ig — переменный  ток тягового электродвигателя, А
”F — сила, возникающая из-за механических и  магнитных потерь в тяговом электродвигателе и потерь в зубчатой передаче.
Благодаря наличию касательной силы тяги электровоз движется вперед. Скорость движения электровоза регулируется машинистом с помощью контроллера, который расположен в кабине машиниста. Контроллер при изменении машинистом положения его ручки изменяет величину сопротивления пусковых реостатов. Чем меньше их сопротивление, тем больше величина тока Ig (по закону Ома), протекающего по тяговым электродвигателям, тем больше частота вращения якорей тягового электродвигателя и тем больше скорость электровоза.
Направление движения машинист изменяет с помощью  специального переключателя, который  изменяет полярность тока одновременно у всех электродвигателей одной из двух обмоток на обратное и якоря начинают вращаться в обратную сторону и электровоз движется назад.

Заключение 

Цель данной работы — изучение применения закона Ома в работе электрической цепи электровоза. В процессе работы я изучил  источники информации по данной теме, проанализировал закон Ома для участка цепи, для полной цепи. На основе изученных методик рассмотрел применение закона Ома в работе электрической цепи электровоза.
В дальнейшем я планирую, рассчитать параметры электрической цепи электровоза.

разница с выражением для участка контура, определение, формула

Среди известных широкой общественности физических формул лидирует E=mc². По популярности с ней может соперничать только U=IR. Это простое выражение имеет фундаментальное значение для электротехники и описывает математически соотношение между параметрами участка электрической цепи. Менее известен закон Ома для полной цепи, который рассматривает нагрузку неотделимо от источника напряжения.

Основные понятия

Электрический ток течёт, когда замкнутый контур позволяет электронам перемещаться от высокого потенциала к более низкому в цепи. Иначе говоря, ток требует источника электронов, обладающего энергией для приведения их в движение, а также точки их возвращения отрицательных зарядов, для которой характерен их дефицит. Как физическое явление ток в цепи характеризуется тремя фундаментальными величинами:

• напряжение;
• сила тока;
• сопротивление проводника, по которому движутся электроны.

Сила и напряжение

Сила тока (I, измеряется в Амперах) есть объём электронов (заряд), перемещающихся через место в цепи за единицу времени. Иными словами, измерение I — это определение количества электронов, находящихся в движении. Важно понимать, что термин относится только к движению: статические заряды, например, на клеммах неподсоединённой батареи, не имеют измеряемого значения I. Ток, который протекает в одном направлении, называется постоянным (DC), а периодически изменяющий направление — переменным (AC).

Вольт — единица измерения, применяемая для электрической разницы потенциалов, самого потенциала и электродвижущей силы. Термин напряжение (U) относится к электрической разности потенциалов между точками. Любые статические заряды имеют значение в Вольтах, а величина их разности определяется как U.

Напряжение можно проиллюстрировать таким явлением, как давление, или как разность потенциальной энергии предметов под воздействием гравитации. Для того чтобы создать этот дисбаланс, нужно затратить предварительно энергию, которая и будет реализована в движении при соответствующих обстоятельствах. Например, в падении груза с высоты реализуется работа по его подъёму, в гальванических батареях разность потенциалов на клеммах образуется за счёт преобразования химической энергии, в генераторах — в результате воздействия электромагнитного поля.

Сопротивление проводников

Независимо от того, насколько хорош обычный проводник, он никогда не будет пропускать сквозь себя электроны без какого-либо сопротивления их движению. Можно рассматривать сопротивление как аналог механического трения, хотя это сравнение не будет совершенным. Когда ток протекает через проводник, некоторая разность потенциалов преобразуется в тепло, поэтому всегда будет падение напряжения на резисторе. Электрические обогреватели, фены и другие подобные устройства предназначены исключительно для рассеивания электрической энергии в виде тепла.

Упрощённо сопротивление (обозначается как R) является мерой того, насколько поток электронов тормозится в цепи. Оно измеряется в Омах. Проводимость резистора или другого элемента определяется двумя свойствами:

• геометрией;
• материалом.

Форма имеет важнейшее значение, это очевидно на гидравлической аналогии: протолкнуть воду через длинную и узкую трубу гораздо тяжелее, чем через короткую и широкую. Материалы играют определяющую роль. Например, электроны могут свободно перемещаться в медном проводе, но не способны протекать вообще через такие изоляторы, как каучук, независимо от их формы. Кроме геометрии и материала, существуют и другие факторы, влияющие на проводимость.

Закон для участка цепи

Существует фундаментальная связь между напряжением, током и проводимостью. Это знаменитое уравнение называется законом Ома, и его можно отобразить тремя эквивалентными способами:

Выраженный в словах он звучит так: ток, протекающий через проводник между двумя контактами, прямо пропорционален напряжению на этих контактах. Первые два выражения фиксируют константу пропорциональности между током и напряжением. Последнее можно рассматривать как определение для единичного резистора — элемента, позволяющего протекать единице тока под единичным напряжением.

Приведённые математические соотношения — основа для электротехники и электроники. Закон был назван в честь немецкого физика Георга Симона Ома, который в монографии, опубликованной в 1827 г., описал измерения приложенного напряжения и тока с помощью простых электрических цепей, состоящих из проводов различной длины.

Исследователь объяснил свои экспериментальные результаты несколько сложнее, чем отражено в приведённых уравнениях, известных в современной физике как неполный закон Ома. Для того чтобы сформулировать закон Ома для полной электрической цепи, необходимо оперировать понятиями внутреннего сопротивления источника тока и электродвижущей силы.

Электродвижущая сила

Перемещение электронов в любом источнике создаётся с помощью сторонних сил. Их природа может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов. В генераторах тока они появляются как результат движения проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической схеме играет ту же роль, что и насос, перекачивающий жидкость в замкнутой гидравлической системе.

Под воздействием внешних сил заряды двигаются внутри источника тока против сил электростатического поля. Это позволяет поддерживать постоянный ток в замкнутом контуре до тех пор, пока работают внешние силы. Физическая величина, равная отношению затраченной энергии сторонних сил на перемещение заряда, называется электродвижущей силой источника тока. Она может быть представлена формулой ℰ = A/q. В этом выражении:

• ℰ — ЭДС в вольтах;
• A — работа в джоулях;
• q — заряд в кулонах.

По аналогии с замкнутой гидравлической системой и насосом, электрические заряды протекают непрерывно по всему контуру, и привести их в движение могут только внешние силы. Это означает, что работу по перемещению заряда любым источником можно рассматривать как ЭДС и измерять в вольтах. Вывод о модели цепи с источником, в которой протекает ток, как о замкнутом контуре крайне важен для понимания закона Ома для полного участка цепи.

Внешнее и внутреннее сопротивление

Все батареи и генераторы обладают внутренним сопротивлением: электроды и электролиты неабсолютные проводники, как и провода обмоток электрических машин. Оно может варьироваться от тысячных долей ома до нескольких ом. Этот физический параметр является ключевым в законе Ома для всей цепи. В качестве математических моделей для рассмотрения и иллюстрации электрических процессов различают:

• Идеальный источник тока (ИИТ). Генерирует электрический ток, не зависящий от изменений напряжения. Внутреннее сопротивление ИИТ бесконечно, напряжение полностью определяется подключённой схемой. Ни один физический источник тока не может работать в условиях разрыва цепи, поэтому ИИТ возможен только в качестве абстрактной модели.
• Идеальный источник напряжения (ИИН). Представляет собой устройство, поддерживающее постоянное выходное напряжение независимо от тока, протекающего по контуру. Обладает нулевым внутренним сопротивлением. ИИН удобен для моделирования практических источников, которые можно представить как ИНН с подключённым резистором.

Внутренне сопротивление источника электрической энергии является фактором обеспечения максимальной мощности для подключённой к нему нагрузки. Наиболее эффективный перенос энергии происходит, когда внешнее сопротивление значительно превышает внутреннее у источника.

Например, свинцово-кислотные аккумуляторы автомобиля, благодаря низкому внутреннему сопротивлению, способны создавать относительно высокие токи при сравнительно низком напряжении. Однако, с другой стороны, высоковольтные источники должны иметь высокое внутренне сопротивление, чтобы ограничить количество тока, протекающего в результате случайного короткого замыкания.

Полный закон

Выражение U=IR описывает явления во фрагменте электрической цепи, через которую протекает ток. В этом уравнении не принимается во внимание наличие источников. Если исправить такое упрощение, то можно получить формулу закона Ома для полной цепи: ℰ =I (R+r).

В этом уравнении предусмотрено наличие в контуре источника питания электродвижущей силы ℰ c внутренним сопротивлением r. Поскольку ЭДС — практически величина, зависящая от внешних сил, то физический смысл имеет расчёт силы тока для полной цепи при помощи выражения: I=ℰ/(R+r).

Таким образом, полный постулат Ома гласит о зависимости силы тока в замкнутом контуре от внутреннего сопротивления его источника, то есть учитывает сопротивление электролита и электродов для гальванических элементов и проводимость обмоток генераторов. Основное практическое применение — расчёт силы тока в линейных электрических цепях DC, определение мощности и импеданса любых элементов цепи.

Формулировка и физический смысл закона утечки энергии в пределах замкнутой цепи

Сообщение на тему: Закон Ома для замкнутой цепи. Основные понятия.

Закон Ома для замкнутой цепи

Замкнутая (полная) электрическая цепь состоит из источника тока и сопротивления.

Источник тока имеет ЭДС () и сопротивление (r), которое называют внутренним. ЭДС (электродвижущая сила) — работа сторонних сил по перемещению положительного заряда по замкнутой цепи (физический смысл аналогичен напряжению, потенциалу). Полное сопротивление цепи — R+r.

• 1) Напряжение на зажимах источника, а соответственно и во внешней цепи
• ,где величина  — падение напряжения внутри источника тока.
• 2) Если внешнее сопротивление замкнутой цепи равно нулю, то такой режим источника тока называется коротким замыканием.
• 3) Для полной цепи закон Джоуля-Ленца

1. Коэффициент полезного действия
2. Мощность, выделяемая на внешнем участке цепи, называется полезной
4. При условии R=r мощность, выделяемая во внешней цепи, максимальная для данного источника и равна
5. Полная мощность — сумма полезной и теряемой мощности

Коэффициент полезного действия источника тока — отношение полезной мощности к полной

Источник ЭДС

Для существования постоянного тока в цепи необходимо непрерывно разделять электрические заряды, которые под действием сил Кулона стремятся соединиться. Для этого необходимы сторонние силы.

ЭДС характеризует действие этих сторонних сил. А сама эта работа осуществляется внутри источников ЭДС.

Электрические заряды внутри источников ЭДС движутся против кулоновских сил под воздействием сторонних сил.

• Сравнивая электрический ток с течением жидкости в трубах, можно сказать, что источник работает, как насос, который подает воду из нижнего резервуара в верхний, из которого она под действием силы тяжести стекает в нижний резервуар.
• В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так, более того, обычно используемые в быту источники напряжения по своим характеристикам гораздо ближе к источнику ЭДС, чем к источнику тока из-за наличия внутреннего сопротивления.
• В настоящее время выпускают множество различных источников ЭДС — от маленьких батареек для часов до генераторов.
• Внутри источника тока происходит разделение зарядов из-за процессов, происходящих внутри источника, например, химических процессов.
• Гальванический элемент — химический источник тока, основанный на взаимодействии двух металлов и (или) их оксидов в электролите (батарейки, аккумуляторы).

1. Генераторы — создают ток за счет расходования механической энергии.
2. Термоэлементы — используют энергию теплового движения заряженных частиц.
3. Фотоэлементы — создают ток за счет энергии света.
4. Соединение источников тока*
5. Рассмотрим n одинаковых источников ЭДС
6. Правила Кирхгофа**
7. Для расчета сложных разветвленных цепей, которые нельзя свести к эквивалентной цепи, используют правила Кирхгофа:
8. 1) Алгебраическая сумма сил токов, сходящихся в узле равна нулю.
9. 2) Алгебраическая сумма падений напряжений в любом простом замкнутом контуре равна алгебраической сумме ЭДС, которые есть в этом контуре.

Источник: https://infourok.ru/soobschenie-na-temu-zakon-oma-dlya-zamknutoy-cepi-osnovnie-ponyatiya-3036846.html

ФизМат

Электродвижущая сила. 

ЭДС — энергетическая  характеристика источника. Это физическая величина, равная отношению работы, совершенной сторонни­ми силами при перемещении электрического заряда по замкнутой цепи, к этому заряду: Измеряется в вольтах (В).

Закон Ома для замкнутой цепи и неоднородного участка цепи.

Закон ома для замкнутой цепи говорит о том что. Величина тока в замкнутой цепи, которая состоит из источника тока обладающего внутренним сопротивлением, а также внешним нагрузочным сопротивлением. Будет равна отношению электродвижущей силы источника к сумме внешнего и внутреннего сопротивлений. 

При прохождении электрического тока в замкнутой цепи на свободные заряды действуют силы со стороны стационарного электрического поля и сторонние силы.

При этом на отдельных участках этой цепи ток создается только стационарным электрическим полем. Такие участки цепи называются однородными. На некоторых участках этой цепи, кроме сил стационарного электрического поля, действуют и сторонние силы.

Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным участком цепи.

Для того чтобы выяснить, от чего зависит сила тока на этих участках, необходимо уточнить понятие напряжения.

Рис. 1
Рассмотрим вначале однородный участок цепи (рис. 1, а). В этом случае работу по перемещению заряда совершают только силы стационарного электрического поля, и этот участок характеризуют разностью потенциалов Δφ. Разность потенциалов на концах участка , где AK — работа сил стационарного электрического поля. Неоднородный участок цепи (рис. 1, б) содержит в отличие от однородного участка источник ЭДС, и к работе сил электростатического поля на этом участке добавляется работа сторонних сил. По определению, , где q — положительный заряд, который перемещается между любыми двумя точками цепи;  — разность потенциалов точек в начале и конце рассматриваемого участка; . Тогда говорят о напряжении для напряженности: Eстац. э. п. = Eэ/стат. п. + Eстор. Напряжение U на участке цепи представляет собой физическую скалярную величину, равную суммарной работе сторонних сил и сил электростатического поля по перемещению единичного положительного заряда на этом участке:

Из этой формулы видно, что в общем случае напряжение на данном участке цепи равно алгебраической сумме разности потенциалов и ЭДС на этом участке. Если же на участке действуют только электрические силы (ε = 0), то . Таким образом, только для однородного участка цепи понятия напряжения и разности потенциалов совпадают.

Закон Ома для неоднородного участка цепи имеет вид:

где R — общее сопротивление неоднородного участка.

ЭДС ε может быть как положительной, так и отрицательной.

Это связано с полярностью включения ЭДС в участок: если направление, создаваемое источником тока, совпадает с направлением тока, проходящего в участке (направление тока на участке совпадает внутри источника с направлением от отрицательного полюса к положительному), т.е. ЭДС способствует движению положительных зарядов в данном направлении, то ε > 0, в противном случае, если ЭДС препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то ε

Правила Кихгофа. 

Работа и мощность тока. Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца.

При протекании тока по однородному участку цепи электрическое поле совершает работу. За время Δt по цепи протекает заряд Δq = I Δt. Электрическое поле на выделенном учестке совершает работу 

ΔA = (φ1 – φ2) Δq = Δφ12 I Δt = U I Δt,

где U = Δφ12 – напряжение. Эту работу называют работой электрического тока.

• Если обе части формулы 
• Это соотношение выражает закон сохранения энергии для однородного участка цепи.
• Работа ΔA электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в тепло ΔQ, выделяющееся на проводнике.

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж. Джоулем и Э. Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца.

Мощность электрического тока равна отношению работы тока ΔA к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена: 

Работа электрического тока в СИ выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой  и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. Закон Ома для полной цепи записывается в виде 

Умножив обе части этой формулы на Δq = IΔt, мы получим соотношение, выражающее закон сохранения энергии для полной цепи постоянного тока: 

R I2Δt + r I2Δt =  IΔt = ΔAст.

Первый член в левой части ΔQ = R I2Δt – тепло, выделяющееся на внешнем участке цепи за время Δt, второй член ΔQист = r I2Δt – тепло, выделяющееся внутри источника за то же время.

Выражение  IΔt равно работе сторонних сил ΔAст, действующих внутри источника.

При протекании электрического тока по замкнутой цепи работа сторонних сил ΔAст преобразуется в тепло, выделяющееся во внешней цепи (ΔQ) и внутри источника (ΔQист). 

Следует обратить внимание, что в это соотношение не входит работа электрического поля. При протекании тока по замкнутой цепи электрическое поле работы не совершает; поэтому тепло производится одними только сторонними силами, действующими внутри источника. Роль электрического поля сводится к перераспределению тепла между различными участками цепи.

Внешняя цепь может представлять собой не только проводник с сопротивлением R, но и какое-либо устройство, потребляющее мощность, например, электродвигатель постоянного тока. В этом случае под R нужно понимать эквивалентное сопротивление нагрузки.

Энергия, выделяемая во внешней цепи, может частично или полностью преобразовываться не только в тепло, но и в другие виды энергии, например, в механическую работу, совершаемую электродвигателем.

Поэтому вопрос об использовании энергии источника тока имеет большое практическое значение.

Полная мощность источника, то есть работа, совершаемая сторонними силами за единицу времени, равна 

Во внешней цепи выделяется мощность 

Отношение  равное 

называется коэффициентом полезного действия источника.

На рис. 1.11.1 графически представлены зависимости мощности источника Pист, полезной мощности P, выделяемой во внешней цепи, и коэффициента полезного действия η от тока в цепи I для источника с ЭДС, равной , и внутренним сопротивлением r. Ток в цепи может изменяться в пределах от I = 0 (при ) до  (при R = 0).

Рисунок 1.11.1. Зависимость мощности источника Pист, мощности во внешней цепи P и КПД источника η от силы тока

Из приведенных графиков видно, что максимальная мощность во внешней цепи Pmax, равная 

достигается при R = r. При этом ток в цепи 

а КПД источника равен 50 %. Максимальное значение КПД источника достигается при I → 0, т. е. при R → ∞. В случае короткого замыкания полезная мощность P = 0 и вся мощность выделяется внутри источника, что может привести к его перегреву и разрушению. КПД источника при этом обращается в нуль.

Источник: http://fizmatinf.blogspot.com/2013/05/33.html

Закон Ома для полной электрической цепи: разница с выражением для участка контура, определение, формула

Среди известных широкой общественности физических формул лидирует E=mc2. По популярности с ней может соперничать только U=IR. Это простое выражение имеет фундаментальное значение для электротехники и описывает математически соотношение между параметрами участка электрической цепи. Менее известен закон Ома для полной цепи, который рассматривает нагрузку неотделимо от источника напряжения.

Основные понятия

Электрический ток течёт, когда замкнутый контур позволяет электронам перемещаться от высокого потенциала к более низкому в цепи.

Иначе говоря, ток требует источника электронов, обладающего энергией для приведения их в движение, а также точки их возвращения отрицательных зарядов, для которой характерен их дефицит.

Как физическое явление ток в цепи характеризуется тремя фундаментальными величинами:

• напряжение;
• сила тока;
• сопротивление проводника, по которому движутся электроны.

Сила и напряжение

Вольт — единица измерения, применяемая для электрической разницы потенциалов, самого потенциала и электродвижущей силы. Термин напряжение (U) относится к электрической разности потенциалов между точками. Любые статические заряды имеют значение в Вольтах, а величина их разности определяется как U.

Напряжение можно проиллюстрировать таким явлением, как давление, или как разность потенциальной энергии предметов под воздействием гравитации.

Для того чтобы создать этот дисбаланс, нужно затратить предварительно энергию, которая и будет реализована в движении при соответствующих обстоятельствах.

Например, в падении груза с высоты реализуется работа по его подъёму, в гальванических батареях разность потенциалов на клеммах образуется за счёт преобразования химической энергии, в генераторах — в результате воздействия электромагнитного поля.

Сопротивление проводников

Независимо от того, насколько хорош обычный проводник, он никогда не будет пропускать сквозь себя электроны без какого-либо сопротивления их движению. Можно рассматривать сопротивление как аналог механического трения, хотя это сравнение не будет совершенным.

Когда ток протекает через проводник, некоторая разность потенциалов преобразуется в тепло, поэтому всегда будет падение напряжения на резисторе.

Электрические обогреватели, фены и другие подобные устройства предназначены исключительно для рассеивания электрической энергии в виде тепла.

Упрощённо сопротивление (обозначается как R) является мерой того, насколько поток электронов тормозится в цепи. Оно измеряется в Омах. Проводимость резистора или другого элемента определяется двумя свойствами:

Форма имеет важнейшее значение, это очевидно на гидравлической аналогии: протолкнуть воду через длинную и узкую трубу гораздо тяжелее, чем через короткую и широкую. Материалы играют определяющую роль.

Например, электроны могут свободно перемещаться в медном проводе, но не способны протекать вообще через такие изоляторы, как каучук, независимо от их формы.

Кроме геометрии и материала, существуют и другие факторы, влияющие на проводимость.

Закон для участка цепи

Существует фундаментальная связь между напряжением, током и проводимостью. Это знаменитое уравнение называется законом Ома, и его можно отобразить тремя эквивалентными способами:

Приведённые математические соотношения — основа для электротехники и электроники. Закон был назван в честь немецкого физика Георга Симона Ома, который в монографии, опубликованной в 1827 г., описал измерения приложенного напряжения и тока с помощью простых электрических цепей, состоящих из проводов различной длины.

Исследователь объяснил свои экспериментальные результаты несколько сложнее, чем отражено в приведённых уравнениях, известных в современной физике как неполный закон Ома. Для того чтобы сформулировать закон Ома для полной электрической цепи, необходимо оперировать понятиями внутреннего сопротивления источника тока и электродвижущей силы.

Электродвижущая сила

Под воздействием внешних сил заряды двигаются внутри источника тока против сил электростатического поля. Это позволяет поддерживать постоянный ток в замкнутом контуре до тех пор, пока работают внешние силы. Физическая величина, равная отношению затраченной энергии сторонних сил на перемещение заряда, называется электродвижущей силой источника тока. Она может быть представлена формулой ℰ = A/q. В этом выражении:

• ℰ — ЭДС в вольтах;
• A — работа в джоулях;
• q — заряд в кулонах.

По аналогии с замкнутой гидравлической системой и насосом, электрические заряды протекают непрерывно по всему контуру, и привести их в движение могут только внешние силы.

Это означает, что работу по перемещению заряда любым источником можно рассматривать как ЭДС и измерять в вольтах.

Вывод о модели цепи с источником, в которой протекает ток, как о замкнутом контуре крайне важен для понимания закона Ома для полного участка цепи.

Внешнее и внутреннее сопротивление

Все батареи и генераторы обладают внутренним сопротивлением: электроды и электролиты неабсолютные проводники, как и провода обмоток электрических машин.

Оно может варьироваться от тысячных долей ома до нескольких ом. Этот физический параметр является ключевым в законе Ома для всей цепи.

В качестве математических моделей для рассмотрения и иллюстрации электрических процессов различают:

• Идеальный источник тока (ИИТ). Генерирует электрический ток, не зависящий от изменений напряжения. Внутреннее сопротивление ИИТ бесконечно, напряжение полностью определяется подключённой схемой. Ни один физический источник тока не может работать в условиях разрыва цепи, поэтому ИИТ возможен только в качестве абстрактной модели.
• Идеальный источник напряжения (ИИН). Представляет собой устройство, поддерживающее постоянное выходное напряжение независимо от тока, протекающего по контуру. Обладает нулевым внутренним сопротивлением. ИИН удобен для моделирования практических источников, которые можно представить как ИНН с подключённым резистором.

Внутренне сопротивление источника электрической энергии является фактором обеспечения максимальной мощности для подключённой к нему нагрузки. Наиболее эффективный перенос энергии происходит, когда внешнее сопротивление значительно превышает внутреннее у источника.

Например, свинцово-кислотные аккумуляторы автомобиля, благодаря низкому внутреннему сопротивлению, способны создавать относительно высокие токи при сравнительно низком напряжении. Однако, с другой стороны, высоковольтные источники должны иметь высокое внутренне сопротивление, чтобы ограничить количество тока, протекающего в результате случайного короткого замыкания.

Полный закон

В этом уравнении предусмотрено наличие в контуре источника питания электродвижущей силы ℰ c внутренним сопротивлением r. Поскольку ЭДС — практически величина, зависящая от внешних сил, то физический смысл имеет расчёт силы тока для полной цепи при помощи выражения: I=ℰ/(R+r).

Таким образом, полный постулат Ома гласит о зависимости силы тока в замкнутом контуре от внутреннего сопротивления его источника, то есть учитывает сопротивление электролита и электродов для гальванических элементов и проводимость обмоток генераторов. Основное практическое применение — расчёт силы тока в линейных электрических цепях DC, определение мощности и импеданса любых элементов цепи.

Источник: https://rusenergetics.ru/novichku/smysl-polnogo-zakona-oma

Закон Джоуля-Ленца: определение, формула, применение

Мы ежедневно пользуемся электронагревательными приборами, не задумываясь, откуда берётся тепло. Разумеется, вы знаете, что тепловую энергию вырабатывает электричество. Но как это происходит, а тем более, как оценить количество выделяемого тепла, знают не все. На данный вопрос отвечает закон Джоуля-Ленца, обнародованный в позапрошлом столетии.

В 1841 году усилия английского физика Джоуля, а в 1842 г. исследования русского учёного Ленца увенчались открытием закона, применение которого позволяет количественно оценить результаты теплового действия электрического тока [ 1 ]. С тех пор изобретено множество приборов, в основе которых лежит тепловое действие тока. Некоторые из них, изображены на рис. 1.

Рис. 1. Тепловые приборы

Определение и формула

Тепловой закон можно сформулировать и записать в следующей редакции: «Количество тепла, выработанного током, прямо пропорционально квадрату приложенного к данному участку цепи тока, сопротивления проводника и промежутка времени, в течение которого электричество действовало на проводник».

Обозначим символом Q количество выделяемого тепла, а символами I, R и Δt – силу тока, сопротивление и промежуток времени, соответственно. Тогда формула закона Джоуля-Ленца будет иметь вид: Q = I2*R*Δt

Согласно законам Ома I=U/R, откуда R = U/I. Подставляя выражения в формулу Джоуля-Ленца получим: Q = U2/R * Δt ⇒ Q = U*I*Δt.

Выведенные нами формулы – различные формы записи закона Джоуля-Ленца. Зная такие параметры как напряжение или силу тока, можно легко рассчитать количество тепла, выделяемого на участке цепи, обладающем сопротивлением R.

Дифференциальная форма

Чтобы перейти к дифференциальной форме закона, проанализируем утверждение Джоуля-Ленца применительно к электронной теории.

Приращение энергии электрона ΔW за счёт работы электрических сил поля равно разности энергий электрона в конце пробега (m/2)*(u=υmax)2и в начале пробега (mu2)/2 , то есть

Здесь u – скорость хаотического движение (векторная величина), а υmax – максимальная скорость электрического заряда в данный момент времени.

Поскольку установлено, что скорость хаотического движения с одинаковой вероятностью совпадает с максимальной (по направлению и в противоположном направлении), то выражение 2*u*υmax в среднем равно нулю. Тогда полная энергия, выделяющаяся при столкновениях электронов с атомами, образующими узлы кристаллической решётки, составляет:

Это и есть закон Джоуля-Ленца, записанный в дифференциальной форме. Здесь γ – согласующий коэффициент,  E – напряжённость поля.

Интегральная форма

Предположим, что проводник имеет цилиндрическую форму с сечением S. Пусть длина этого проводника составляет l. Тогда мощность P, выделяемая в объёме V= lS составляет:

гдеR – полное сопротивление проводника.

Учитывая, чтоU = I×R, из последней формулы имеем:

• P = U×I;
• P = I2R;
• P = U2/R.

Если величина тока со временем меняется, то количество теплоты вычисляется по формуле:

Данное выражение, а также вышеперечисленные формулы, которые можно переписать в таком же виде, принято называть интегральной формой закона Джоуля-Ленца.

Формулы очень удобны при вычислении мощности тока в нагревательных элементах. Если известно сопротивление такого элемента, то зная напряжение бытовой сети легко определить мощность прибора, например, электрочайника или паяльника.

Физический смысл

Вспомним, как электрический ток протекает по металлическому проводнику.

Как только электрическая цепь замкнётся, то под действием ЭДС движение свободных электронов упорядочивается, и они устремляются к положительному полюсу источника питания.

Однако на их пути встречаются стройные ряды кристаллических решёток, атомы которых создают препятствия упорядоченному движению, то есть оказывают сопротивление.

На преодоление сопротивления уходит часть энергии движущихся электронов. В соответствии с фундаментальным законом сохранения энергии, она не может бесследно исчезнуть. Она-то и превращается в тепло, вызывающее нагревание проводника. Накапливаемая тепловая энергия излучается в окружающее пространство или нагревает другие предметы, соприкасающиеся с проводником.

На рисунке 2 изображёна схема опыта, демонстрирующего закон теплового действия тока, разогревающего участок провода в электрической цепи.

Рис. 2. Тепловое действие тока

Явление нагревания проводников было известно практически с момента получения электротока, но исследователи не могли тогда объяснить его природу, и тем более, предложить способ оценки количества выделяемого тепла. Эту проблему решает закон  Джоуля-Ленца, которым мы пользуемся по сегодняшний день.

Практическая польза закона Джоуля-Ленца

При
сильном нагревании можно наблюдать излучение видимого спектра света, что
происходит, например, в лампочке накаливания. Слабо нагретые тела тоже излучают
тепловую энергию, но в диапазоне инфракрасного излучения, которого мы не видим,
но можем ощутить своими тепловыми рецепторами.

Допускать сильное нагревание проводников нельзя, так как чрезмерная температура разрушает структуру металла, проще говоря – плавит его. Это может привести к выводу из строя электрооборудования, а также стать причиной пожара. Для того, чтобы не допустить критических параметров нагревания необходимо делать расчёты тепловых элементов, пользуясь формулами, описывающими закон Джоуля-Ленца.

Проанализировав выражение U2/R убеждаемся, что когда сопротивление стремится к нулю, то количество выделенного тепла стремится к бесконечности. Такая ситуация возникает при коротких замыканиях. В это основная опасность КЗ.

В борьбе с короткими замыканиями используют:

• автоматические выключатели:
• электронные защитные блоки;
• плавкие предохранители;
• другие защитные устройства.

Применение и практический смысл

Непосредственное
превращение электричества в тепловую энергию нельзя назвать экономически
выгодным. Однако, с точки зрения удобства и доступности современного
человечества к источникам электроэнергии различные нагревательные приборы
продолжают массово применяться как в быту, так и на производстве.

Перечислим некоторые из них:

• электрочайники;
• утюги;
• фены;
• варочные плиты;
• паяльники;
• сварочные
  аппараты и многое другое.

На рисунке 3 изображены бытовые нагревательные приборы, которыми мы часто пользуемся.

Рис. 3. Бытовые нагревательные приборы

Использование тепловых мощностей в химической, металлургической и в других промышленных отраслях тесно связно с использованием электрической энергии.

Без знания физического закона Джоуля-Ленца было бы невозможно сконструировать безопасный нагревательный прибор. Для этого нужны расчёты, которые невозможно сделать без применения рассмотренных нами формул. На основе расчётов происходит выбор материалов с нужным удельным сопротивлением, влияющим на нагревательную способность устройств.

Закон Джоуля-Ленца без преувеличения можно назвать гениальным. Это один из тех законов, которые повлияли на развитие электротехники.

Источник: https://www.asutpp.ru/zakon-dzhoulya-lentsa.html

Замкнутая и разомкнутая электрическая цепь

Определение 1

Электрической цепью называют совокупность различных устройств, которые соединены конкретным способом. Устройства должны обеспечивать путь для протекания электрического тока. Существуют различные элементы цепей, служащие для множества целей. Для описания цепей используют специальные электрические схемы.

В состав любой электрической цепи входят различные элементы:

• Источник тока. Им, например, может быть катушка индуктивности, по которой какое-то время шёл ток внешнего источника.
• Проводники;
• Нагрузка (в случае, когда она постоянна, вольтамперная характеристическая кривая представляет собой прямую линию, а такая нагрузка зовётся линейной;
• Устройства защиты;
• Устройства коммутации.

Различают два вида элементов цепей: пассивные и активные. Пассивные представляют собой соединительные элементы и приборы-потребители электроэнергии, также к пассивным элементам относятся конденсаторы. Активные элементы — это электродвигатели, заряжающиеся аккумуляторы и различные источники ЭДС.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Основными видами электрической цепи являются:

• замкнутая цепь;
• разомкнутая цепь.

Замкнутая электрическая цепь

Замкнутая электрическая цепь представляет собой наиболее простой вариант соединения. Она состоит из источника электроэнергии, потребителя энергии и соединительных элементов в виде обычных проводов. Провода в цепи обязательно должны иметь соответствующую изоляцию.

Для обеспечения стабильной и безопасной работы электрической цепи ее снабжают дополнительными элементами. Обычно это различные электроизмерительные приборы, с помощью которых можно узнать величину токов и напряжения в системе, а также оборудование, предназначенное для замыкания и размыкания цепи.

Все замкнутые электрические цепи делят на две основные части:

• внешний участок цепи;
• внутренний участок цепи.

Определение 2

Внутренний участок цепи – непосредственно источник электроэнергии у потребителя.

Внешний участок цепи – система, которая состоит из одного или многих потребителей электроэнергии, а также соединительных проводов и приборов. Все они должны иметь отношение к функционированию замкнутой электрической цепи.

Закон Ома для замкнутой цепи

Закон Ома для замкнутой цепи показывает определенное значение тока. Оно зависит от сопротивления источника, а также от сопротивления нагрузки.

Величина тока в замкнутой цепи, которая состоит из источника цепи, будет равняться отношению электродвижущей силы источника к сумме внешнего и внутреннего сопротивлений. При этом источник тока должен обладать внешним и внутренним нагрузочным сопротивлением.

Такая зависимость была установлена экспериментальным путем в начале 19 века известным ученым Георгом Омом. Он смог описать результаты собственных опытов на математическом уровне.

Закон Ома для замкнутой цепи можно записать следующим образом:

$I=frac{varepsilon}{R+r}$, где:

• $varepsilon$ — электродвижущая сила источника напряжения;
• $R$ — сопротивление всех внешних элементов цепи, например, проводников;
• $r$ — внутреннее сопротивление источника напряжения;
• $I$ – сила тока в цепи.

• Расчет для определенного сопротивления:
• $varepsilon =I_1 R_1+I_1 r$
• $varepsilon=I_2 R_2+I_2 r$
• После подстановки полученных значений, формула приобретает такой вид:
• $varepsilon=frac{I_1 I_2 (R_2-R_1)}{I_2-I_1}$

Физический смысл закона Ома для замкнутой цепи

Замкнутую электрическую цепь образуют потребители энергии только в совокупности с источником тока. Проходящий через потребителя ток течет обратно на его источник. Поэтому току достается сопротивление проводника и источника. Из этого складывается общее сопротивление замкнутой цепи, предполагающее наличие двух основных компонентов: сопротивления источника и сопротивления потребителя.

Зависимость тока от электродвижущей силы источника и сопротивления цепи состоит в следующем: при увеличении электродвижущей силы увеличивается энергия носителей зарядов. Это означает, что становится больше скорость движения зарядов в упорядоченном виде. Если увеличивать размер сопротивления цепи, то величина тока будет уменьшаться.

Электрический ток проходит непосредственно по замкнутой цепи. Необходимым условием присутствия электрического тока в цепи является надежное соединение проводниками источника электрической энергии с ее потребителями.

Источники электроэнергии для различной аппаратуры: генераторы, аккумуляторы, гальванические элементы.

В различных устройствах могут быть определенные потребители электрической энергии. Чаще всего их представляют в виде ламп или электродвигателей.

Для соединения источников и потребителей в единую цепь применяют проводники из металлических материалов. Они могут быть различной формы, длины, толщины, обладать определенными техническими характеристиками. Часто применяются проводники, которые изолированы друг от друга.

Для возникновения тока нужно соединить две точки. Одна из точек должна иметь избыток электронов по отношению ко второй точке. Специалисты называют это действие созданием разности потенциалов между точками. Источник тока служит основным элементом для создания разности потенциалов в электрической цепи.

Любой потребитель электрической энергии может являться нагрузкой в цепи. Нагрузка создает сопротивление электрическому току.

Электрический ток активно используют при создании искусственного освещения. Электрические простые лампы служат примером замкнутой цепи.

Разомкнутая электрическая цепь

При отсутствии потока электронов необходимое напряжение источника цепи проявляется на концах точек. В этом случае происходит процесс ожидания момента соединения концов точек, чтобы возобновился поток электронов. Подобную цепь принято называть разомкнутой.

Замечание 1

При связывании концов проводов, где существует разрыв, непрерывность всей цепи восстановится. Это основная разница между замкнутой и разомкнутой цепью.

При включении и выключении электрического освещения (лампы) требуется постоянно осуществлять похожие процессы. Для удобства были созданы специальные устройства. Их называют выключателями или рубильниками. Они в автоматическом режиме по сигналу управляют потоками электронов в цепи, контролируя начало и завершение работы электрооборудования.

Рубильники практически идеально подходят для демонстрации принципов работы выключателей и переключателей.

Однако при использовании их в больших электрических цепях существует немало проблем, связанных с безопасной эксплуатацией.

Так как некоторые части рубильников открыты, то существует вероятность воспламенения горючих материалов. В современных выключателях применяются подвижные и неподвижные контакты, которые защищены изоляционным корпусом.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/elektricheskie_cepi_-_chto_eto/zamknutaya_i_razomknutaya_elektricheskaya_cep/

Закон сохранения. Физический смысл закона сохранения энергии и заряда. Закон сохранения заряда как основа электроники

• Законы сохранения – это фундаментальные физические законы, согласно которым при определенных условиях некоторые измеримые физические величины , характеризующие замкнутую физическую систему, не изменяются с течением времени.
• E=Q+A E=const
• Суть закона сохранения энергии состоит в том, что энергия никуда не исчезает, а переходит из одного вида энергии в другую.

Закон сохранения заряда утверждает, что во время взаимодействия некоторой замкнутой системы с окружающим пространством количество заряда которое выходит из системы через ее поверхность равно количеству заряда поступившего внутрь системы. Другими словами алгебраическая сумма всех зарядов системы равна нулю.

Как известно в природе существует два вида зарядов. Это положительные и отрицательные. Также величина заряда дискретна, то есть он может меняться только порциями. Элементарным зарядом считается заряд электрона. Если к атому добавить один электрон, то он становится отрицательно заряженным ионом. А если его отнять то положительным.

Основная идея закона сохранения заряда состоит в том, что заряд не возникает из неоткуда и не исчезает в никуда. При возникновении заряда одного знака тут же появляется заряд противоположного знака той же величины.

2. Вакуумная электроника, основные понятия и устройства.

Вакуумная электроника – это раздел электроники, включающий в себя исследования взаимодействия потока свободных электронов с электрическими и магнитными полями в вакууме, а так же методы создания электронных приборов и устройств, в которых это взаимодействие используется.

К электровакуумным приборам относятся электронные лампы, электронно-луче­вые трубки и фотоэлектронные приборы. Электронные лампы, так же как и полу­проводниковые приборы, предназначены для различного рода преобразований электрических сигналов.

В настоящее время их применяют главным образом на сверхвысоких частотах и в мощных усилителях и генераторах.

В электронно­лучевых трубках (ЭЛТ) движение электронов происходит в виде узкого луча, что позволяет преобразовывать электрические сигналы в видимые изображения (кинескопы в телевидении, ЭЛТ в осциллографах) или, наоборот, видимые изоб­ражения преобразовывать в электрические сигналы (передающие телевизионные трубки). В фотоэлектронных приборах (ФЭП) осуществляется преобразование электромагнитного излучения в электрические сигналы. Принцип работы ФЭП основан на фотоэлектронной эмиссии.

Билет №7

Методология использования законов сохранения в науке и технике.

Существует множество законов сохранения, таких как, закон сохранения энергии, импульса, заряда, движений и т.д. Все эти законы важны в методологическом плане. Они позволяют с помощью простых приемов (анализ энергетического баланса) определить достоверность полученных физико-математических моделей.

Современные средства отображения информации.

Отображение информации – это свойство технической системы воспроизводить требуемую информацию в форме, удобной для непосредственного восприятия человеком.

Технические средства, используемые для формирования информационных моделей, называются средствами отображения информации (СОИ). С помощью СОИ полученная от одного или нескольких источников информация преобразуется в информационную модель, удобную для непосредственного восприятия.

1. Существует три способа отображения информации:
2. 1)индикация – представление информации в форме изображения (информационной модели), параметры которого обеспечивают требуемую быстроту и точность восприятия, информационную емкость и удовлетворяют требованиям инженерной психологии (эргономики)
3. 2)сигнализация – это отображение информации для привлечения внимания к изменению состояния системы, характеризуемое четко различимыми изменениями параметров информационной модели;
4. 3)регистрация– это представление информации на материальном носителе с возможностью хранения без затрат энергии.
5. Билет №8

1. Понятие «энергия», «пространство» и результат их взаимодействия. Раскрыть эти понятия и показать их взаимодействие на практических примерах взаимосвязи.

Эне́ргия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется в этой системе на протяжении времени, в течение которого система будет являться замкнутой.

Это утверждение носит название закона сохранения энергии.

Все материальные тела имеют протяженность и занимают определенное место в пространстве. Эта позиция еще в древнейшие времена была проверена экспериментально. И таким образом первые характеристики материальных тел выражались в виде геометрических размеров.

Этими же характеристиками определяется пространство. Первая формулировка взаимосвязи геометрических размеров с формой тела была дана Евклидом 2000 лет назад. В геометрии Евклида понятие размера тела представлялось надменно, независимо от скорости перемещения тела.

С тех пор ученые поделились на две части ( зависимость и независимость с пространсвом).

E=mc2=mvc2=Ek+En=mc2/2+En

В настоящее время можно считать, что пространство не может существовать само по себе. Однако, для практического изучения нас мира, оба подхода ( независимость и зависимость) оказались приемлемы и высокоэффективны для решения своих задач.

Первой появилась Декартова система координат, которая возникла в виде трехмерного пространства. Формирование такой методики изучающего пространства, привело к целому ряду понятий.

• 1 ) материальная точка – это абстракция , которая позволяет ввести в рассмотрение некоторую гепотетическую первочастицу, как часть материального мира.
• Рассмотрение этой системы координат позволило : 1) определить координаты любого предмета, 2) сделать вывод, что геометрические размеры не меняются от расположения в пространстве.
• В связи с тем, что размер объекта не меняется в декартовой системе, его длинна является инвариантой и может быть выражена следующим уравнением.
• l2= Δx2+ Δy2+ Δz2



Источник: https://infopedia.su/2×5313.html

Закон Ома для замкнутой цепи

Замкнутая
цепь содержит: источник тока, сопротивления
(потреби тока),
приборы для контроля характеристик
тока, провода, ключ. Приме может
служить цепь, приведенная на рис.5.

По
отношению к источнику можно выделит
внешнюю цепь, содержащую элементы,
находящиеся данного
источника, если проследить за током от
одной его клеммы другой, и внутреннюю,
к которой относят проводящую среду
внутри источника
обозначим сопротивление внешней цепи
через R,
внутреннее
сопротивление
источника r.

Тогда
ток в цепи определяется по закону для
замкнутой цепи, который гласит, что ток
в замкнутой цепи прямопропорционален
величине ЭДС и обратно пропорционален суммевнутреннего
и внешнего сопротивления цепи,
т.е.

Из
этого закона вытекают следующие частные
случаи:

• Если
Rстремится
к нулю (т.е. R
> r),
ток I
уменьшается, и падение напряжения внутри
источника Irстановится
намного меньше IR,
следовательно

png»>IR.

Значит,
величину
ЭДС
источника можно практически измерить
с помощью вольтметра,
присоединенного
к клеммам источника при условии, что
сопротивление
вольтметра
RV
>> rпри
разомкнутой внешней цепи.

Распределение
энергии при работе источника постоянного
тока

• сопротивление
  rи
  замкнут на сопротивление внешней
  нагрузки R.
• Проанализируем
  несколько величин, характеризующих
  распределение энергии
  при работе источника постоянного тока.
• а)
  Затраченная
  источником мощность Р.
• Работа,
  совершаемая сторонними силами в замкнутой
  цепи по
• перемещению
  заряда dq,
  равна:
• dA
  = dq(9)
• Исходя
  из определения, мощность, развиваемая
  сторонними силами в
• источнике,
  равна:

Эта
мощность расходуется источником во
внешней и внутренней по отношению
к источнику частях цепи. Используя закон
Ома для замкнутой цепи,
можно затраченную мощность представить
в виде:

(11)

Если
сопротивление нагрузки Rуменьшается,
стремясь к нулю, то Рзат
Pmax=

png»>Если
Rувеличивается,
стремясь в бесконечность, то Рзат.

График зависимости затраченной сторонними
силами мощности Рзат
от
величины внешнего сопротивления Rпоказан
на рисунке 5.

б)
Полезная
мощность Рпод:_

Полезной
по отношению к источнику мощностью Рпод
считается мощность,
расходуемая источником во внешней цепи,
т.е. на внешней нагрузке.
Она равна:

(12)

Пользуясь
законом Ома для замкнутой цепи, или
заменив в последнем выражении I
на /(R+r),
можно
представить в виде

Если
числитель и знаменатель этого выражения
разделить на R,
то
получится выражение

наглядно
демонстрирующее то, что Рполстремится
к нулю как при уменьшении
Rдо
нуля, так и при его бесконечном увеличении,
т.к. в обоих случаях
знаменатель этого выражения стремится
к бесконечности. Это означает,
что при некотором оптимальном значении
Rполезная
мощность достигает
максимального значения

1. Определить
   оптимальное значение R,
   а
   также и значение ,
   можно,
   приравняв нулю первую производную
   функции Рпоя
   =f(R)
   пo
   R:
2. (14)
3. Как
   видно, полученное равенство соблюдается
   при условии
4. (15)
5. из
   чего следует, что R
   = r.
   Таким
   образом, при сопротивлении внешней цепи
   R,
   равном
   сопротивлению внутренней цепи г,
   полезная
   мощность источника тока
   имеет максимальное значение, которое
   может быть найдено по формуле:

График
зависимости Pпол=f(R)
показан
на рисунке 6.

• в)
  Коэффициент
  полезного действия.
• Величина
  коэффициента полезного действия цепи
  г| источника тока, в соответствии
  с определением, составляет:
• (17)

При
R
величина 0, приR

png»>
величина 100%. В последнемслучае
Рпол
стремится к нулю, и такие режимы работы
источника не представляют
практического интереса. График зависимости
КПД

png»>источника
тока от величины нагрузки Rпоказан
на рисунке 7.

Источник: https://studfile.net/preview/2147140/page:3/

Используйте закон Ома — Физика средней школы

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает или другие ваши авторские права, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту. Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на ан Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как в качестве ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права. Таким образом, если вы не уверены, что контент находится на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется а ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; а также Ваше заявление: (а) вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Цепи серии

19.2 | Texas Gateway

Электрические цепи и резисторы

Теперь, когда мы понимаем понятие электрического тока, давайте посмотрим, что мы можем с ним сделать.Как вы, несомненно, знаете, современный образ жизни в значительной степени зависит от электрических устройств. Эти устройства содержат оригинальные электрические цепи, представляющие собой законченные замкнутые пути, по которым протекает электрический ток. Возвращаясь к нашей аналогии с водой, электрическая цепь предназначена для электрического заряда, как сеть труб — для воды: электрическая цепь направляет электрический заряд от одной точки к другой, пропуская заряд через различные устройства по пути для извлечения работы или информации.

Электрические цепи изготавливаются из многих материалов и охватывают огромный диапазон размеров, как показано на рисунке 19.9. Компьютеры и сотовые телефоны содержат электрические цепи, размеры которых могут составлять примерно миллиардную долю метра (нанометра или 10-9 м · 10-9 м). Пути, которые направляют ток в этих устройствах, создаются сверхточной химической обработкой кремния или других полупроводников. С другой стороны, большие энергосистемы содержат электрические цепи, характеристики которых измеряются в масштабе метров. Эти системы переносят такие большие электрические токи, что их физические размеры должны быть относительно большими.

Рисунок 19.9 На фотографии слева показана микросхема , содержащая сложную интегральную электрическую схему. Такие чипы лежат в основе таких устройств, как компьютеры и сотовые телефоны. На фотографии справа показана типовая электрическая схема, необходимая для передачи электроэнергии большой мощности.

Пути, образующие электрические цепи, сделаны из проводящего материала, обычно из металла в макроскопических цепях. Например, медные провода внутри здания школы образуют электрические цепи, питающие освещение, проекторы, экраны, динамики и т. Д.Для представления электрической схемы рисуем принципиальные схемы. Мы используем линии и символы для обозначения элементов схемы. Простая электрическая схема показана в левой части рисунка 19.10. Справа — аналогичный водяной контур, который мы обсудим ниже.

Рисунок 19.10 Слева приведена принципиальная схема, показывающая батарею (красным), резистор (черный зигзагообразный элемент) и ток I . Справа аналогичный водяной контур. Насос подобен батарее, песочный фильтр подобен резистору, ток воды подобен электрическому току, а резервуар подобен земле.

Есть много разных символов, которые ученые и инженеры используют в принципиальных схемах, но мы сосредоточимся на четырех основных символах: провод, батарея или источник напряжения, резисторы и земля. Тонкие черные линии на электрической схеме обозначают путь, по которому должен идти электрический заряд. Предполагается, что эти пути являются идеальными проводниками, поэтому электрический заряд может перемещаться по ним без потери энергии. На самом деле провода в цепях не идеальны, но они подходят для наших целей достаточно близко.

Зигзагообразный элемент с маркировкой R представляет собой резистор, который представляет собой элемент схемы, обеспечивающий известное сопротивление. Макроскопические резисторы часто имеют цветовую кодировку для обозначения их сопротивления, как показано на рисунке 19.11.

Красный элемент на рисунке 19.10 — это батарея с обозначенными положительной и отрицательной клеммами; более длинная линия представляет собой положительный полюс батареи, а более короткая линия — отрицательный полюс. Обратите внимание, что значок батареи не всегда окрашен в красный цвет; это сделано на рисунке 19.10 просто для облегчения идентификации.

Наконец, элемент с маркировкой земля в нижнем левом углу цепи указывает, что цепь подключена к Земле, которая представляет собой большой, практически нейтральный объект, содержащий бесконечное количество заряда. Помимо прочего, земля определяет потенциал отрицательной клеммы аккумулятора. Обычно потенциал земли определяется равным нулю: Vground≡0Vground≡0. Это означает, что весь нижний провод на рисунке 19.11 находится под напряжением ноль вольт.

Рисунок 19.11 Некоторые типовые резисторы. Цветные полосы указывают значение сопротивления каждого резистора.

Электрический ток на рисунке 19.10 обозначен синей линией I . Стрелка указывает направление, в котором будет течь положительный заряд в этой цепи. Напомним, что в металлах электроны являются мобильными носителями заряда, поэтому отрицательные заряды фактически текут в противоположном направлении по этой цепи (то есть против часовой стрелки). Однако мы проводим ток, чтобы показать направление, в котором будет двигаться положительный заряд.

В правой части рисунка 19.10 изображен аналогичный водяной контур. Вода под более высоким давлением покидает верхнюю часть насоса, что подобно зарядам, покидающим положительный полюс батареи. Вода движется по трубе, как заряды по проволоке. Затем вода проходит через песочный фильтр, который нагревается по мере протекания воды. Этот шаг подобен заряду, проходящему через резистор. Когда заряды проходят через резистор, они нагревают резистор.Пройдя через песочный фильтр, вода преобразует свою потенциальную энергию в тепло, поэтому ее давление ниже. Точно так же заряды, выходящие из резистора, преобразовали свою потенциальную энергию в тепло, поэтому они имеют более низкое напряжение. Напомним, что напряжение — это всего лишь потенциальная энергия на заряд. Таким образом, давление воды аналогично электрической потенциальной энергии (то есть напряжению). Возвращаясь снова к водяному контуру, мы видим, что вода возвращается в нижнюю часть насоса, что подобно заряду, возвращающемуся на отрицательную клемму аккумулятора.Водяной насос использует источник энергии, чтобы снова перекачивать воду до высокого давления, создавая давление, необходимое для повторного прохождения через контур. Водяной насос подобен батарее, которая использует химическую энергию для увеличения напряжения заряда до уровня положительной клеммы.

Потенциальная энергия на заряд на положительном выводе батареи — это номинальное напряжение батареи. Это напряжение похоже на давление воды в верхней трубе. Точно так же, как более высокое давление заставляет воду двигаться к более низкому давлению, более высокое напряжение заставляет электрический заряд течь к более низкому напряжению.Насос забирает воду под низким давлением и работает над ней, выбрасывая воду под более высоким давлением. Точно так же аккумулятор заряжается при низком напряжении, работает на нем и выбрасывает заряд при более высоком напряжении.

Обратите внимание, что ток в водяном контуре, показанном на Рисунке 19.10, одинаков во всем контуре. Другими словами, если мы измерим количество молекул воды, проходящих через поперечное сечение трубы в единицу времени в любой точке цепи, мы получим один и тот же ответ независимо от того, где в цепи мы измеряем.То же самое и с электрической схемой на том же рисунке. Электрический ток одинаков во всех точках этой цепи, в том числе внутри батареи и в резисторе. Электрический ток не ускоряется в проводах и не замедляется в резисторе. Это создаст точки, в которых будет накапливаться слишком много или слишком мало заряда. Таким образом, ток одинаков во всех точках цепи, показанной на рисунке 19.10.

Хотя ток везде одинаковый как в электрическом, так и в водяном контурах, напряжение или давление воды изменяется по мере того, как вы перемещаетесь по контурам.В водяном контуре давление воды на выходе из насоса остается неизменным до тех пор, пока вода не пройдет через песочный фильтр, при условии отсутствия потерь энергии в трубе. Точно так же напряжение в электрической цепи одинаково во всех точках данного провода, потому что мы предположили, что провода являются идеальными проводниками. Таким образом, как показывает постоянный красный цвет верхнего провода на рис. 19.12, напряжение на этом проводе постоянно и равно V = VbatteryV = Vbattery. Затем напряжение падает, когда вы проходите через резистор, но как только вы дойдете до синего провода, напряжение останется на новом уровне V = 0V = 0 на всем пути до отрицательной клеммы батареи (т.е., синий вывод аккумуляторной батареи).

Рисунок 19.12 Напряжение в красном проводе постоянно при V = VbatteryV = Vbattery от положительного полюса батареи до верха резистора. Напряжение в синем проводе постоянно и равно V = Vground = 0V = Vground = 0 от нижней части резистора до отрицательной клеммы батареи.

Если перейти от синего провода через аккумулятор к красному проводу, то напряжение возрастет от V = 0V = 0 к V = VbatteryV = Vbattery. Аналогичным образом, если мы перейдем от синего провода через резистор к красному проводу, напряжение также изменится с V = 0V = 0 на V = VbatteryV = Vbattery.Таким образом, используя закон Ома, мы можем написать

Врезистор = Vbattery = IR. Vresistor = Vbattery = IR.

Обратите внимание, что VresistorVresistor измеряется от нижней части резистора до верхней части, что означает, что верхняя часть резистора находится под более высоким напряжением, чем нижняя часть резистора. Таким образом, ток течет от верхней части резистора или с более высоким напряжением к нижней части резистора или с более низким напряжением.

Virtual Physics

Цепь батарейного резистора

Используйте это моделирование, чтобы лучше понять, как связаны сопротивление, напряжение и ток.Моделирование показывает батарею с резистором, подключенным между выводами батареи, как на предыдущем рисунке. Вы можете изменить напряжение аккумулятора и сопротивление. Моделирование показывает, как электроны реагируют на эти изменения. Он также показывает атомные сердечники в резисторе и то, как они возбуждаются и нагреваются по мере прохождения большего тока через резистор.

Нарисуйте принципиальную схему цепи, обязательно нарисовав стрелку, указывающую направление тока. Теперь отметьте три точки вдоль проволоки.Не меняя настроек, позвольте моделированию работать в течение 20 секунд, пока вы подсчитываете количество электронов, проходящих через это пятно. Запишите номер на принципиальной схеме. Теперь проделайте то же самое с двумя другими точками контура. Что вы заметили по поводу количества зарядов, проходящих через каждое пятно за 20 с? Помните, что этот ток определяется как скорость, с которой заряды протекают по цепи. Что это значит для тока во всей цепи?

Проверка захвата

С помощью ползунка напряжения подайте на аккумулятор положительное напряжение.Обратите внимание, что электроны в левом проводе расположены дальше друг от друга, чем в правом. Как это отражает напряжение в двух проводах?

1. Напряжение между статическими зарядами прямо пропорционально расстоянию между ними.
2. Напряжение между статическими зарядами прямо пропорционально квадрату расстояния между ними.
3. Напряжение между статическими зарядами обратно пропорционально расстоянию между ними.
4. Напряжение между статическими зарядами обратно пропорционально квадрату расстояния между ними.

Другие возможные элементы схемы включают конденсаторы и переключатели. Они нарисованы, как показано в левой части рисунка 19.14. Выключатель — это устройство, которое размыкает и замыкает цепь, как выключатель света. Он аналогичен клапану в водяном контуре, как показано в правой части рисунка 19.14. При разомкнутом переключателе ток в цепи не проходит.Когда переключатель замкнут, он становится частью провода, поэтому ток проходит через него без потери напряжения.

Конденсатор обозначен буквой C слева на Рисунке 19.14. Конденсатор в электрической цепи аналогичен гибкой мембране в водяном контуре. Когда переключатель замкнут в цепи, показанной на рисунке 19.14, батарея заставляет электрический ток течь к конденсатору, заряжая верхнюю пластину конденсатора положительным зарядом. Когда это происходит, напряжение на обкладках конденсатора увеличивается.Это похоже на мембрану в водяном контуре: когда клапан открывается, насос заставляет воду течь к мембране, заставляя ее растягиваться для удержания излишков воды. Когда это происходит, давление за мембраной увеличивается.

Теперь, если мы разомкнем выключатель, конденсатор будет удерживать напряжение между своими пластинами, потому что зарядам некуда деваться. Точно так же, если мы закроем клапан, воде некуда будет идти, и мембрана будет поддерживать давление воды в трубе между собой и клапаном.

Если переключатель в электрической цепи замкнут в течение длительного времени или если клапан в водяном контуре долгое время открыт, ток в конечном итоге перестанет течь, потому что конденсатор или мембрана полностью заряжены. Теперь каждая цепь находится в установившемся состоянии, что означает, что ее характеристики не меняются со временем. В этом случае установившееся состояние характеризуется нулевым током, и он не меняется, пока переключатель или клапан остаются в том же положении.В установившемся режиме через конденсатор не проходит электрический ток и через мембрану не проходит ток воды. Разница напряжений между пластинами конденсатора будет такой же, как и напряжение батареи. В водяном контуре давление за мембраной будет таким же, как давление, создаваемое насосом.

Хотя схема на рис. 19.14 может показаться немного бессмысленной, потому что все, что происходит, когда переключатель замкнут, — это зарядка конденсатора, это показывает способность конденсатора накапливать заряд.Таким образом, конденсатор служит резервуаром для заряда. Это свойство конденсаторов используется в схемах по-разному. Например, конденсаторы используются для питания цепей во время зарядки аккумуляторов. Кроме того, конденсаторы могут служить фильтрами. Чтобы понять это, вернемся к аналогии с водой. Предположим, у вас есть шланг для воды и вы поливаете свой сад. Ваш друг думает, что он забавный, и перекручивает шланг. Пока шланг перекручен, вода не течет. Когда он отпускает, вода снова начинает течь.Если он сделает это очень быстро, вы почувствуете, что вода — нет воды — вода — нет воды, и это действительно не способ поливать свой сад. Теперь представьте, что шланг наполняет большое ведро, и вы поливаете его из нижней части ведра. Если у вас с самого начала была вода в ведре, а ваш друг не перегибал шланг слишком долго, вы сможете поливать свой сад без перерывов. Ваш друг, перегибающий водяной шланг, отфильтрован водой из большого ведра, так что это не повлияет на вашу способность поливать сад.Мы можем думать о прерываниях тока (будь то вода или электрический ток) как шум . Конденсаторы действуют аналогично ведру с водой, помогая отфильтровывать шум. Конденсаторы имеют так много применений, что очень редко можно найти электронную схему, в которой нет конденсаторов.

Рис. 19.14 Слева представлена ​​электрическая цепь, содержащая батарею, переключатель и конденсатор. Слева — аналогичный водяной контур с насосом, клапаном и растягивающейся мембраной.Насос подобен батарее, клапан — переключателю, а растяжимая мембрана — конденсатору. Когда переключатель замкнут, электрический ток течет по мере зарядки конденсатора и увеличения его напряжения. Точно так же в водяном контуре, когда клапан открыт, поток воды течет по мере того, как растягивающаяся мембрана растягивается, и давление воды за ней увеличивается.

Работа в области физики

Что нужно, чтобы стать инженером-электриком

Физика используется в самых разных областях.Одна из областей, требующая очень глубоких знаний физики, — это электротехника. Инженер-электрик может работать над чем угодно, от крупномасштабных энергосистем, обеспечивающих энергией большие города, до наноразмерных электронных схем, которые используются в компьютерах и сотовых телефонах (рис. 19.15).

Работая с энергокомпаниями, вы можете нести ответственность за обслуживание электросети, которая поставляет электроэнергию на большие территории. Хотя большая часть этой работы выполняется из офиса, обычно их вызывают на сверхурочную работу после штормов или других стихийных бедствий.Многим инженерам-электрикам нравится эта часть работы, которая требует от них гонок по сельской местности, ремонтирующих высоковольтные трансформаторы и другое оборудование. Однако одним из наиболее неприятных аспектов этой работы является удаление трупов несчастных белок или других животных, забредших в трансформеры.

Другая карьера в области электротехники может включать разработку схем для сотовых телефонов, что требует втиснуть около 10 миллиардов транзисторов в электронный чип размером с ноготь большого пальца.Эти работы могут включать много работы с компьютерным моделированием, а также могут включать в себя другие области, помимо электроники. Например, линзы диаметром 1 м, которые используются для изготовления этих схем (по состоянию на 2015 год), настолько точны, что их отправляют с производства на завод по производству микросхем на грузовиках с регулируемой температурой, чтобы гарантировать, что они удерживаются в определенный температурный диапазон. Если они нагреваются или охлаждаются слишком сильно, они слегка деформируются, делая их бесполезными для сверхточной фотолитографии, необходимой для производства этих чипов.

Помимо глубоких познаний в физике, инженеры-электрики должны, прежде всего, быть практичными. Рассмотрим, например, как одной корпорации удалось запустить несколько противоракетных ракет на ракетном полигоне Уайт-Сэндс в Нью-Мексико в 1960-х годах. Перед запуском обшивка ракеты должна была находиться под тем же напряжением, что и рельс, с которого она запускалась. Рельс был соединен с землей большим медным проводом, соединенным с колом, вбитым в песчаную землю. Однако ракета была соединена с помощью пуповины с оборудованием в диспетчерской в ​​нескольких метрах от нее, которое было заземлено через другую цепь заземления.Перед запуском ракеты разница напряжений между обшивкой ракеты и направляющей должна быть менее 2,5 В. После особенно засушливой погоды запуск ракеты невозможен, так как разница напряжений составляет 5 В. Группа электрических цепей. инженеры, в том числе отец вашего автора, стояли и размышляли, как уменьшить разницу напряжений. Ситуация разрешилась, когда один из инженеров понял, что моча содержит электролиты и неплохо проводит электричество.При этом четыре инженера быстро решили проблему, помочившись на шип. Разница напряжений сразу упала ниже 2,5 В, и ракета была запущена по графику.

Рисунок 19.15 Системы, над которыми работают инженеры-электрики, варьируются от микропроцессорных схем (слева) до ракетных систем (справа).

Virtual Physics

Развлекайтесь, строя схемы самых разных форм и размеров. Это моделирование предоставляет вам различные стандартные элементы схемы, такие как батареи, источники переменного напряжения, резисторы, конденсаторы, лампочки, переключатели и т. Д.Вы можете подключить их в любой конфигурации, которая вам нравится, и затем увидеть результат.

Создайте схему, которая начинается с резистора, подключенного к конденсатору. Подключите свободную сторону резистора к положительной клемме батареи, а свободную сторону конденсатора — к отрицательной клемме батареи. Нажмите кнопку сбросить динамику , чтобы увидеть, как протекает ток, начиная с нулевого заряда конденсатора. Теперь щелкните резистор правой кнопкой мыши, чтобы изменить его значение. Когда вы увеличиваете сопротивление, схема достигает установившегося состояния быстрее или медленнее?

Проверка захвата

Когда схема достигла установившегося состояния, как напряжение на конденсаторе сравнивается с напряжением батареи? Какое напряжение на резисторе?

1. Напряжение на конденсаторе больше, чем напряжение аккумулятора.В установившемся режиме через эту цепь не протекает ток, поэтому напряжение на резисторе равно нулю.
2. Напряжение на конденсаторе меньше напряжения батареи. В установившемся режиме через эту цепь протекает конечный ток, поэтому напряжение на резисторе конечно.
3. Напряжение на конденсаторе такое же, как напряжение аккумулятора. В установившемся режиме через эту цепь не протекает ток, поэтому напряжение на резисторе равно нулю.
4. Напряжение на конденсаторе такое же, как напряжение аккумулятора. В установившемся режиме через эту цепь протекает конечный ток, поэтому напряжение на резисторе конечно.

Электрические схемы Глава 20 Раздел третий. Статья в научном журнале № 42, излагающая закон Ома и его связь с током, сопротивлением и напряжением.

Презентация на тему: «Электрические схемы Глава 20 Раздел третий.Статья в Научном журнале № 42, излагающая закон Ома и его связь с током, сопротивлением и напряжением »- стенограмма презентации:

ins [data-ad-slot = «4502451947»] {display: none! important;}} @media (max-width: 800px) {# place_14> ins: not ([data-ad-slot = «4502451947»]) {display: none! important;}} @media (max-width: 800px) {# place_14 {width: 250px;}} @media (max-width: 500 пикселей) {# place_14 {width: 120px;}} ]]>

1 Электрические схемы Глава 20 Раздел 3

2 Статья в научном журнале № 42, излагающая закон Ома и его связь с током, сопротивлением и напряжением.

3 Схемы электрических цепей Электрическая цепь — это полный путь, по которому может течь заряд. Электрическая цепь — это полный путь, по которому может течь заряд. На принципиальных схемах используются символы для обозначения частей цепи, включая источник электрической энергии и устройства, работающие от электрической энергии. Принципиальная схема показывает один или несколько полных путей, по которым может течь заряд. На принципиальных схемах используются символы для обозначения частей цепи, включая источник электрической энергии и устройства, работающие от электрической энергии.Принципиальная схема показывает один или несколько полных путей, по которым может течь заряд.

4 Переключатели разомкнутой или замкнутой цепи показывают места, где цепь может быть разомкнута. Если переключатель разомкнут, цепь или путь прерваны, и ток прекращается. Когда переключатель замкнут, цепь или путь замыкаются, и заряд может течь. Выключатели показывают места, где цепь может быть разомкнута. Если переключатель разомкнут, цепь или путь прерваны, и ток прекращается.Когда переключатель замкнут, цепь или путь замыкаются, и заряд может течь. Переключатель на этой картинке открыт или закрыт? Цепь разорвана? Переключатель на этой картинке открыт или закрыт? Цепь разорвана?

5 Типы цепей Есть два типа цепей: последовательные цепи и параллельные цепи. Есть два типа цепей: последовательные цепи и параллельные цепи. В последовательной цепи заряд имеет только один путь, по которому он может течь.Если одна лампочка перегорает в последовательной цепи, она становится разомкнутой. Таким образом, если один элемент перестает работать в последовательной цепи, ни один из элементов не может работать. В последовательной цепи заряд имеет только один путь, по которому он может течь. Если одна лампочка перегорает в последовательной цепи, она становится разомкнутой. Таким образом, если один элемент перестает работать в последовательной цепи, ни один из элементов не может работать. Параллельная цепь — это электрическая цепь с двумя или более путями, по которым могут течь заряды.Если один элемент перестает работать в параллельной цепи, остальные элементы все еще могут работать. Параллельная цепь — это электрическая цепь с двумя или более путями, по которым могут течь заряды. Если один элемент перестает работать в параллельной цепи, остальные элементы все еще могут работать.

6 Последовательные и параллельные схемы и соответствующие схемы

7 Направление тока по сравнению с направлением потока электронов Направление тока — это направление, в котором текут положительные заряды.Направление тока — это направление, в котором текут положительные заряды. Когда источником энергии является аккумулятор, ток течет от положительной клеммы к отрицательной. Когда источником энергии является аккумулятор, ток течет от положительной клеммы к отрицательной. Электроны движутся в обратном направлении. Электроны движутся в обратном направлении.

8 Источники сопротивления Сопротивление — это противодействие потоку зарядов в материале.Сопротивление — это противостояние потоку зарядов в материале. Лампочки в цепи являются источниками сопротивления. Лампочки в цепи являются источниками сопротивления. Последовательный ток уменьшается в результате этого сопротивления, и лампочки светятся менее ярко. Последовательный ток уменьшается в результате этого сопротивления, и лампочки светятся менее ярко.

9 Мощность и энергия Поскольку мощность — это скорость выполнения работы, электроэнергия — это скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в другую форму энергии.Поскольку мощность — это скорость выполнения работы, электроэнергия — это скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в другую форму энергии. Единица измерения электрической мощности — джоуль в секунду или ватт (Вт). Единица измерения электрической мощности — джоуль в секунду или ватт (Вт). Электрическая мощность обычно измеряется в тысячах ватт, а единица измерения — киловатт (кВт). Электрическая мощность обычно измеряется в тысячах ватт, а единица измерения — киловатт (кВт). Электрическую мощность можно рассчитать, умножив напряжение на ток.Электрическую мощность можно рассчитать, умножив напряжение на ток. P (ватты) = I (амперы) x V (вольты) https://youtu.be/5QfxTSGh9Yc

10 Электроэнергия Номинальная мощность прибора информирует потребителя о том, сколько энергии оно потребляет в нормальных условиях. Чтобы найти количество электроэнергии, потребляемой приборами, умножьте мощность на время. Если сушилка для белья потребляет 5400 Вт, сколько это будет в киловаттах? Если сушилка используется в течение 2 часов, сколько энергии она потребляет в киловатт-часах? Киловатт-час равен 3 600 000 джоулей.Итак, сколько джоулей будет израсходовано этой сушилкой за 2 часа?

11 Неисправность цепи Правильная проводка, предохранители, автоматические выключатели, изоляция и заземленные вилки помогают сделать использование электроэнергии безопасным. Среднее напряжение в цепи среднего домочадца — 120 вольт. Сила тока в цепи может быть разной. Когда два устройства включены в параллельную цепь, увеличение тока может превысить безопасный предел цепи.В этом случае провод может перегреться и вызвать возгорание.

12 Размыкание цепи Предохранители и автоматические выключатели обеспечивают безопасность дома, обеспечивая разрыв цепи, когда ток становится слишком высоким. Это похоже на открытый переключатель, о котором мы говорили ранее. Разомкнутая цепь, такая как разомкнутый переключатель, прерывает путь тока, что означает, что ток больше не может течь до тех пор, пока не будет заменен предохранитель или не будет сброшен автоматический выключатель.

13 Предохранители, автоматические выключатели и изолированная проводка Предохранитель предотвращает перегрузку, когда провод в центре предохранителя плавится, если через него проходит слишком большой ток. Предохранитель необходимо заменить новым, прежде чем цепь снова сможет пропускать ток. В большинстве современных домов есть автоматические выключатели, а не предохранители. Автоматический выключатель — это выключатель, который размыкается при слишком высоком токе в цепи. Электричество не будет доступно для цепи, пока выключатель не будет перезагружен.Электропроводка в доме изолирована для защиты людей, но если изоляция повреждена, может произойти поражение электрическим током через оголенные участки.

14 Личная безопасность Во избежание поражения электрическим током никогда не прикасайтесь к электрическим устройствам мокрыми руками. Поврежденная изоляция может вызвать короткое замыкание. Короткое замыкание происходит, когда ток находит короткий путь через цепь с меньшим сопротивлением, чем полный путь через цепь.Вилка с тремя контактами может предотвратить удары, вызванные коротким замыканием, потому что третий контакт подключается к земле, обеспечивая более легкий путь к заземлению через заземляющий провод, а не через ваше тело. Передача избыточного заряда через проводник на Землю называется заземлением.

Параллельная схема и закон Ома: множество путей для электричества — Урок

(0 Рейтинги)

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 4 (3-5)

Требуемое время: 45 минут

Зависимость урока:

Тематические области: Алгебра, физические науки

Ожидаемые характеристики NGSS:

---

Поделиться:

Резюме

Студенты изучают состав и практическое применение параллельной схемы по сравнению с последовательной схемой.Студенты проектируют и строят параллельные схемы, исследуют их характеристики и применяют закон Ома. Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

Инженеры

разработали очень сложную схему, называемую интегральной схемой, которая объединяет тысячи и миллионы параллельных и последовательных схем, работающих вместе. Одним из типов интегральных схем, которые работают как полноценный вычислительный механизм, является микропроцессор, известный как центральный процессор или ЦП.Микропроцессоры необходимы в автомобилях, видеоиграх, детекторах дыма, DVD-плеерах, механизмах открывания гаражных ворот, беспроводных телефонах, часах и калькуляторах. Инженеры постоянно разрабатывают новые технологии, чтобы они могли использовать электричество для решения повседневных проблем — усилий, которые способствуют созданию более здоровой, счастливой и безопасной окружающей среды.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

• Различают последовательные и параллельные части цепи.
• Опишите, как изменяется ток в параллельной цепи, когда лампочка удаляется из цепи или добавляется к ней.
• Опишите связи между изображениями условных обозначений цепей
• Признать, что инженеры-электрики, материаловеды / инженеры, инженеры-механики и физики вносят свой вклад в развитие электронных технологий.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными предметами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука

Ожидаемые характеристики NGSS
4-ПС3-2. Проведите наблюдения, чтобы доказать, что энергия может передаваться с места на место с помощью звука, света, тепла и электрического тока.(4 класс) Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов.
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика	Основные дисциплинарные идеи	Сквозные концепции
Проведите наблюдения, чтобы получить данные, которые послужат основой для свидетельств для объяснения явления или проверки проектного решения. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!	Энергия может передаваться с места на место с помощью движущихся объектов, звука, света или электрического тока. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв! Энергия присутствует всякий раз, когда есть движущиеся объекты, звук, свет или тепло. Когда объекты сталкиваются, энергия может передаваться от одного объекта к другому, тем самым изменяя их движение.При таких столкновениях некоторая энергия обычно также передается окружающему воздуху; в результате воздух нагревается и раздается звук. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв! Свет также передает энергию с места на место. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв! Энергия также может передаваться с места на место с помощью электрического тока, который затем может использоваться локально для создания движения, звука, тепла или света.С самого начала токи могли быть созданы путем преобразования энергии движения в электрическую. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!	Энергия может передаваться различными способами и между объектами. Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Общие основные государственные стандарты — математика

• Умножьте целое число до четырех цифр на однозначное целое число и умножьте два двузначных числа, используя стратегии, основанные на разрядах и свойствах операций.Проиллюстрируйте и объясните расчет с помощью уравнений, прямоугольных массивов и / или моделей площадей. (Оценка 4) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Решайте реальные и математические проблемы, записывая и решая уравнения вида x + p = q и px = q для случаев, когда p, q и x являются неотрицательными рациональными числами.(Оценка 6) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология

• Между технологиями и другими областями обучения существуют различные отношения.(Оценки 3 — 5) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

• Инструменты, машины, продукты и системы используют энергию для работы.(Оценки 3 — 5) Подробнее

  Посмотреть согласованную учебную программу

  Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

ГОСТ Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Больше подобной программы

Предварительные знания

Цепи серии

Введение / Мотивация

Попросите учащихся поднять руки, если они когда-либо использовали видеоигры, пульт дистанционного управления (для телевизора или другого электронного устройства) или клавиатуру.Спросите, у кого-нибудь из них когда-либо перестала работать только одна кнопка или клавиша, в то время как остальная часть контроллера видеоигры, пульта дистанционного управления или клавиатуры продолжала работать. Что происходит в электронном виде, что вызывает это? Как может быть сломана только одна кнопка, а остальная часть контроллера все еще работает?

Спросите студентов, заходили ли они когда-нибудь в комнату с несколькими лампами и включали ли они только один. Напомните учащимся о последовательно построенных цепях, которые они построили ранее. Когда одна лампочка была вынута из цепи, образовалась разомкнутая цепь, и электроны не могли течь, чтобы зажечь другие лампочки.Теперь спросите их, как это возможно, что вы можете включить один свет в комнате, и он будет работать, но вам не нужно было включать все остальные светильники?

Объясните учащимся, что в этих двух примерах используются параллельные схемы. Инженеры подключают элементы параллельно , поэтому, если одна часть цепи выходит из строя, остальная часть цепи все еще работает.

Попросите трех добровольцев. Назначьте одного добровольца «батареей», а двух — «лампочками». (Это может помочь нарисовать соответствующие символы на листах бумаги и приклеить их к рубашкам.) Попросите учащихся физически изобразить последовательную цепь, взявшись за руки в круге. Затем попросите учащихся изобразить параллельную цепь, повернув лампочки и подставку для батареек в одном направлении, а их руки касаются локтей человека перед ними.

Очень сложная схема, объединяющая тысячи и миллионы параллельных и последовательных схем, работающих вместе, называется интегральной схемой (см. Рисунок 1). Микропроцессор, известный как центральный процессор или ЦП, представляет собой тип интегральной схемы, которая работает как полноценный вычислительный механизм.В наши дни в среднем доме в США есть около 40 таких микропроцессоров в дополнение к 10 или около того в одном обычном персональном компьютере. Микропроцессоры используются в автомобилях, видеоиграх, детекторах дыма, DVD-плеерах, механизмах открывания гаражных ворот, беспроводных телефонах, часах и калькуляторах. Их даже вживляют животным в качестве электронных идентификационных меток.

Рис. 1. Принципиальная схема простой параллельной схемы (слева) и интегральной схемы (справа). Copyright

Copyright © http: // whyfiles.larc.nasa.gov/text/kids/Problem_Board/problems/electricity/images/circuits05.gif (слева) и http://www.lbl.gov/Education/HGP-images/integrated-circuit-small.gif (справа )

Предпосылки и концепции урока для учителей

Параллельные схемы

Параллельная цепь и соответствующая ей принципиальная схема показаны на рисунке 2. Поскольку существует более одного пути для прохождения заряда по цепи, ток делится между двумя лампочками.Следовательно, ток перед лампочками (в узле; пересечение двух проводов) и после лампочек (в узле; пересечение двух проводов) одинаков, но разделен в лампочках. Другими словами, полный ток в цепи равен сумме токов на параллельных участках. Обратите внимание: если у лампочек одинаковое сопротивление, ток делится между ними поровну. С другой стороны, если лампы имеют разное сопротивление, лампа с большим сопротивлением будет иметь меньший ток. Общее сопротивление цепи уменьшается при увеличении количества параллельных цепей.Падение напряжения на каждой части параллельной цепи одинаково, потому что каждая часть подключена к одним и тем же двум точкам. Студенты могут попрактиковаться в построении собственных параллельных цепей с помощью связанного с ними задания «Лампочки и батареи бок о бок».

Рис. 2. Последовательная схема (слева) и соответствующая принципиальная схема (справа). Авторское право

Авторские права © Джо Фридрихсен, Программа и лаборатория ITL, Университет Колорадо в Боулдере, 2003.

При параллельном соединении батарей общий производимый ток увеличивается.Например, если мы сделаем схему с использованием трех параллельных батарей 1,5 В в качестве источника напряжения, общее напряжение, обеспечиваемое батареей, все равно будет 1,5 В. Однако ток будет в три раза больше, чем у одной батареи 1,5 В. Помните, что величина тока в цепи зависит от сопротивлений устройств в цепи. Когда инженер проектирует устройство, например портативный проигрыватель компакт-дисков, он / она решает, сколько батарей необходимо параллельно, чтобы обеспечить достаточный ток. Как видите, инженеры-электрики должны хорошо разбираться в электричестве, но при этом быть очень креативными в своей работе!

Электричество в доме

Когда вы подключаете прибор к розетке дома, вы добавляете параллельную ветвь к цепи, которая идет до вашей местной электростанции.К розеткам подключены два провода, называемые линиями; одна линия называется проводом под напряжением, а другая — нулевым проводом. Эти линии подают переменный ток (AC) напряжением 110–120 В. Часто третий контакт в розетке является заземляющим проводом. Заземляющий провод подключается непосредственно к земле, чтобы направить ток в землю, если провод под напряжением случайно касается металла на приборе. Это предотвратит поражение электрическим током любого, кто прикоснется к прибору. Конечно, прибор должен быть подключен к заземляющему проводу с помощью адаптера или трехконтактной вилки.Инженеры несут ответственность за безопасность использования бытовой техники; надлежащее заземление является важным аспектом при проектировании, и они всегда заботятся об общественной безопасности.

Электроэнергетика

Всякий раз, когда в цепи есть ток, электрическая энергия используется для выполнения определенного вида работы, а электрическая энергия преобразуется в другой тип энергии. Это может быть вращение лопастей вентилятора, освещение комнаты или нагревание пищи. Скорость, с которой эта работа выполняется зарядом в цепи, — это электрическая энергия.Электроэнергия — это также скорость использования электрической энергии, следовательно, мощность = энергия / время. Электрическая мощность, потребляемая прибором, равна P = I * V, где P — электрическая мощность, I — ток в приборе в амперах [A], а V — напряжение прибора в вольтах [V]. Следовательно, электрическая мощность выражается в ваттах (Вт), где 1 Вт = 1 А * В. Стоимость электроэнергии указывается в центах за киловатт-час (кВтч), где 1 кВтч = 1000 Втч (Ватт-час). Киловатт-час — это количество электроэнергии, потребляемой в час из расчета 1 кВт.Разработка устройств, эффективно потребляющих электроэнергию, является важной задачей для инженеров, которая в конечном итоге помогает улучшить общество.

Сопутствующие мероприятия

Закрытие урока

Предложите учащимся предложить примеры устройств, содержащих компьютерные микросхемы; напишите названия предметов на доске. (Возможные ответы: микроволновая печь, автоответчик, машина, DVD-плеер и т. Д.Затем нарисуйте на плате схему с несколькими компонентами (пример эскиза см. На рис. 3). Попросите класс определить, какие компоненты схемы подключены последовательно, а какие — параллельно.

Рис. 3. Принципиальная схема, состоящая из батареи и трех резисторов, демонстрирующая компоненты последовательной и параллельной цепи. Авторское право

Авторские права © 2012 Карли Самсон, Университет Колорадо в Боулдере

Затем нарисуйте на плате принципиальную схему, как показано на рисунке 4.Используйте закон Ома (I = V / R), чтобы сравнить ток в трех лампах, каждая с увеличивающимся сопротивлением, подключенных параллельно. (Ответ: см. Расчеты на рис. 4. Максимальный ток в лампочке с наименьшим сопротивлением и наименьший — в лампе с наибольшим сопротивлением.) Спросите, что происходит с напряжением при параллельном подключении батарей? (Ответ: напряжение на клеммах остается прежним.)

Рис. 4. Параллельная схема, состоящая из трех лампочек с увеличивающимся сопротивлением (слева), и расчет закона Ома для определения тока каждой лампы (справа).Copyright

Copyright © Дарья Котис-Шварц, Программа и лаборатория ITL, Университет Колорадо в Боулдере, 2004.

Словарь / Определения

Интегральная схема: микроэлектронная схема, вытравленная или отпечатанная на полупроводниковом кристалле.

параллельная цепь: электрическая цепь, обеспечивающая более одного проводящего пути.

Оценка

Оценка перед уроком

Вопросы для обсуждения: Задайте ученикам и обсудите в классе:

• К какой схеме вы хотите подключить свой дом или видеоигру и почему? (Ответ: Студенты, вероятно, вспомнят урок о последовательной схеме и объяснят, как работает этот тип схемы.Обсудите плюсы и минусы последовательных схем.)
• Если вы удалите одну лампочку из последовательной цепи с тремя лампочками, цепь будет (n) ____________ цепью. Открытый или закрытый? (Ответ: Открытый.)
• Что произойдет с другими лампочками в последовательной цепи, если одна лампочка перегорит? (Ответ: Все гаснут.)
• При последовательном соединении аккумуляторов напряжение на них ____________. Увеличивается, уменьшается или остается неизменным? (Ответ: Увеличивается до общего суммарного значения напряжения аккумуляторной батареи.)

Оценка после введения

Вопрос / ответ: Задайте студентам вопросы и попросите их поднять руки, чтобы ответить. Напишите ответы на доске

• Как это возможно, что вы можете включить один свет в комнате, и он будет работать, без необходимости включать все остальные светильники? (Ответ: Электропроводка в доме — параллельная.)
• Как называется очень сложная схема, объединяющая тысячи и миллионы параллельных и последовательных цепей, работающих вместе? (Ответ: интегральная схема или микропроцессор.)

Итоги урока Оценка

пронумерованных руководителей: Разделите класс на команды от трех до пяти человек. Попросите учеников в каждой команде нумеровать, чтобы у каждого члена был свой номер. Задайте студентам вопросы (при желании дайте им временные рамки для решения каждого из них). Члены каждой команды должны работать вместе, чтобы ответить на вопросы. Все в команде должны знать ответ. Наберите произвольный номер. Студенты с этим номером должны поднять руки, чтобы дать ответ.Если не все учащиеся с этим номером поднимают руки, дайте командам поработать еще немного. Спросите у студентов:

• Если вы удалите одну лампочку из параллельной цепи с тремя лампами, включенными параллельно, цепь станет (n) ____________ цепью. Открытый или закрытый? (Ответ: закрыто.)
• Что произойдет с другими лампами в параллельной цепи, если одна лампочка перегорит? (Ответ: горят.)
• При параллельном подключении лампочек общее сопротивление равно ____________ сопротивлению одной лампочки.Меньше, больше или такое же, как? (Ответ: Менее.)
• При параллельном подключении аккумуляторов напряжение на них ____________. Увеличивается, уменьшается или остается неизменным? (Ответ: остается прежним.)
• Нарисуйте принципиальную схему параллельной цепи с двумя батареями, включенными параллельно, и двумя лампочками, включенными параллельно.

Рисунок Race: Напишите символы схем на плате (см. Рисунок 5). Разделите класс на команды по четыре человека так, чтобы у каждого члена команды был другой номер, от одного до четырех.Позвоните по номеру и попросите учащихся с этим номером поспешить к доске, чтобы нарисовать правильную принципиальную схему. Дайте очко команде, чей товарищ по команде первым закончит розыгрыш. Попросите учащихся нарисовать принципиальные схемы следующего:

• Цепь с одной батареей и двумя параллельными лампочками.
• Цепь с тремя параллельно включенными батареями и двумя параллельными лампочками.
• Цепь с двумя батареями, включенными параллельно, одним резистором и одной лампочкой.
• Цепь с одной батареей, одним переключателем и тремя параллельными лампочками.
• Схема с одной батареей, одним переключателем и двумя параллельными резисторами.
• Цепь с одной батареей, одним переключателем, одной лампочкой и резистором, включенными параллельно.
• Цепь с двумя батареями, включенными параллельно, и одной лампочкой, включенной параллельно, с лампочкой и резистором.

Рис. 5. Выбор графических символов принципиальной схемы. Авторское право

Copyright © Дарья Котис-Шварц, Лаборатория ITL, Университет Колорадо в Боулдере, 2004.

Презентация в классе: Работая в группах от двух до четырех человек, попросите учащихся представить классную презентацию, в которой они динамически разыгрывают концепции, которые они изучили в этом модуле. Поощряйте ролевые игры и творчество.

• Предложите ученикам разыграть сценарий инженера-электрика, который только что изобрел новую игрушку, используя последовательные или параллельные (или комбинацию обоих) цепей. Другими игроками могут быть потребители, патентные служащие, соседи, другие инженеры и т. Д.Каждый сценарий должен включать описание схемы и того, как она работает, а также рисунок схемы на плате.

Мероприятия по продлению урока

Предложите студентам изучить историю компьютерной индустрии и интегральных схем. Они могут подготовить плакаты и презентации о ключевых изобретениях, а также об инженерах и исследователях, сыгравших важную роль в разработке микрочипов и микропроцессоров.

Микрочипы

все чаще используются в устройствах, например, в утюжках для одежды, которые автоматически отключаются, и в тостерах, обнаруживающих идеально подрумяненные тосты. Попросите учащихся всякие бытовые приборы, которые они могут придумать, с микрочипом. Микрочипы используются в посудомоечных машинах, стиральных и сушильных машинах, телевизорах, микроволновых печах, автомобилях, видеомагнитофонах, DVD-плеерах, приемниках спутниковых тарелок, пультах дистанционного управления, видеоиграх, камерах, видеокамерах, детекторах дыма, механизмах открывания гаражных ворот, беспроводных телефонах, мобильных телефонах, факсы, телескопы, приемники GPS, радио, клавиатуры, MP3-плееры, магнитофоны, стереосистемы, часы, калькуляторы, принтеры, сканеры, КПК и бирки для идентификации животных.

Выражения и уравнения: Попросите учащихся решить закон Ома (I = V / R) в конце урока для различных переменных, включая напряжение, ток и сопротивление, а не только ток.

использованная литература

Хьюитт, Пол Г. Концептуальная физика. 8-е издание. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: издательство Addison Publishing Company, 1998.

Каган, Спенсер. Совместное обучение. Капистрано, Калифорния: Кооперативное обучение Кагана, 1994.(Источник для деятельности по оценке пронумерованных глав.)

Рид, Т. Чип: как два американца изобрели микрочип и совершили революцию. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Random House, 2001, стр. 309.

авторское право

© 2004 Регенты Университета Колорадо.

Авторы

Ксочитл Замора Томпсон; Сабер Дурен; Дарья Котыс-Шварц; Малинда Шефер Зарске; Дениз Карлсон; Джанет Йоуэлл

Программа поддержки

Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере

Благодарности

Содержание этой учебной программы по цифровой библиотеке было разработано за счет гранта Фонда улучшения послесреднего образования (FIPSE), U.S. Министерство образования и Национальный научный фонд ГК-12, грант No. 0338326. Однако это содержание не обязательно отражает политику Министерства образования или Национального научного фонда, и вам не следует предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 16 октября 2021 г.

Пример закона

Ома с решениями для средней школы

Экспериментально установлено, что когда напряжение или разность потенциалов $ \ Delta V $ прикладывается к концам определенных проводников, ток через них пропорционален приложенному напряжению, то есть $ I \ propto \ Delta V $.

Константа пропорциональности называется сопротивлением этого проводника .

Другими словами, сопротивление определяется как отношение напряжения в проводнике к току, протекающему по нему. \ [R \ Equiv \ frac {\ Delta V} {I} \] Это простое соотношение между разностью потенциалов и током известный как закон Ома .

Единицы сопротивления в системе СИ: вольт на ампер , которые называются Ом ($ \ Omega $).

Проводник, который обеспечивает определенное сопротивление в электрической цепи, называется резистором .

Например, если резистор 10 Ом подключен к клеммам аккумулятора с напряжением 240 В, то через него проходит ток $ \ frac {240} {10} = 24 \, {\ rm A} $.

Напротив, в электронике также есть проводники или материалы, которые выше простой линейной зависимости между напряжением и током не соблюдаются, такие как диоды, транзисторы или люминесцентные лампы.

В таких материалах существует нелинейная зависимость напряжения от тока. Эти проводники называются неомическими материалами .

---

Готовитесь к экзамену AP Physics? Прочтите это:
Практические задачи по схемам для экзамена AP

---

Ниже приведены некоторые простые вопросы и ответы о законе Ома с подробными объяснениями. Все задачи подходят старшекласснику.

Примеры закона Ома

Пример (1): Электронное устройство имеет сопротивление 20 Ом и ток 15 А. Какое напряжение на устройстве?

Решение : сопротивление, ток и напряжение связаны законом Ома как $ V = IR $.Таким образом, напряжение устройства получается как \ begin {align *} V & = IR \\ & = 15 \ times 20 \\ & = 300 \ quad {\ rm V} \ end {align *}

---

Пример (2): разность потенциалов $ 3 — {\ rm V} $ приложена к резистору $ 6 \, {\ rm \ Omega} $. Какой ток протекает через резистор?

Решение : Закон Ома гласит, что разность потенциалов на резисторе равна сопротивлению, умноженному на ток, поэтому мы получаем \ begin {align *} I & = \ frac VR \\ & = \ frac {3} {6} \\ & = 0.5 \ quad {\ rm A} \ end {align *}

---

Пример (3): Ток величиной $ 0,2 \, {\ rm A} $ проходит через резистор $ 1,4 \, {\ rm k \ Omega} $. Какое напряжение на нем?

Решение : используя закон Ома, $ V = IR $, мы имеем \ begin {align *} V & = IR \\ & = (0.2 \, {\ rm A}) (1.4 \ times 1000 \, {\ rm \ Omega}) \\ & = 280 \ quad {\ rm V} \ end {align *}

---

Пример (4): В схеме, показанной ниже, какой ток показывает амперметр?

Решение : лампа представляет собой электронный компонент с высоким сопротивлением.На рисунке напряжение на нем такое же, как у батареи $ V = 20 \, {\ rm V} $. Ток, проходящий через него, связан с сопротивлением и падением напряжения по закону Ома \ begin {align *} I & = \ frac VR \\ & = \ frac {20} {8} \\ & = 1.25 \ quad {\ rm A} \ end {align *}

---

Нужно больше? Загрузите эти дополнительные вопросы для экзаменов здесь.

---

Пример (5): В цепи падение потенциала на резисторе 10 кОм составляет 100 В. Каков ток через резистор?

Решение : подставьте все известные числовые значения в уравнение Ома, $ V = IR $.\ begin {align *} I & = \ frac VR \\\\ & = \ frac {100 \, {\ rm V}} {10000 \, {\ rm \ Omega}} \\\\ & = 0.01 \ quad { \ rm A} \ end {align *}

---

Пример (6): в следующих схемах найдите неизвестные.

Решение : В каждой из схем используйте закон Ома $ V = IR $ и найдите неизвестное. В левой цепи ток через резистор запрашивается в миллиамперах. Таким образом, \ begin {align *} I & = \ frac VR \\\\ & = \ frac {120} {100} \\\\ & = 1.2 \ quad {\ rm A} \ end {align *} Чтобы преобразовать его в миллиамперы, умножьте его на 1000, чтобы получить $ I = 1200 \, {\ rm mA} $.{-3}} \\\\ & = 40 \ quad {\ rm \ Omega} \ end {align *}

---

Пример (7): Кривая напряжение-ток для омического проводника построена, как показано на рисунке ниже. Какое сопротивление резисторов 1 и 2?

Решение: Закон Ома говорит нам, что сопротивление — это наклон кривой зависимости напряжения от тока $ R = \ frac {\ Delta V} {I} $. Напомним, что наклон $ m $ прямой между двумя точками $ A (x_1, y_1) $ и $ B (x_2, y_2) $ определяется как \ [m = \ frac {\ Delta y} {\ Delta x} = \ frac {y_2-y_1} {x_2-x_1} \] Таким образом, наклон кривой напряжение-ток, который является сопротивлением, получается следующим образом:
Точки $ A (0,0) $ и $ B (2,20) $ находятся на линии (1): \ [R_1 = \ frac {20-0} {2-0} = 10 \ quad {\ rm \ Omega} \]
Точки $ A (0, 0) $ и $ B (4,10) $ находятся в строке (2): \ [R_2 = \ frac {10-0} {4-0} = 2.5 \ quad {\ rm \ Omega} \]

---

Пример (8): Поменяйте местами падение потенциала на проводнике и ток, проходящий через него в предыдущей задаче, чтобы получить вольт-амперную кривую. Теперь найдите сопротивление резисторов 1 и 2?

Решение: если мы изменим закон Ома как $ I = \ frac {1} {R} \ Delta V $, мы увидим, что наклон кривой вольт-амперной характеристики в этом случае дает величину, обратную сопротивлению. . Следовательно, как и в предыдущей задаче, наклон
линии (1) равен \ [\ frac {1} {R_1} = \ frac {20-0} {2-0} = 10 \], что дает $ R_1 = 0.1 \, {\ rm \ Omega} $, а наклон линии (2) равен \ [\ frac {1} {R_2} = \ frac {10-0} {4-0} = 2,5 \], что дает $ R_2 = 0,4 \, {\ rm \ Omega} $.

---

Пример (9): Студент проводит эксперимент и измеряет ток и напряжение на двух неизвестных резисторах. Затем она строит свое открытие в координатах «ток-напряжение», как показано на рисунке. Что можно сказать о резисторах А и В?

Решение : омические материалы — это материалы, которые имеют постоянное сопротивление в широком диапазоне приложенных напряжений.Другими словами, в омическом проводнике отношение напряжения на нем к току через него, которое определяется как сопротивление, всегда является постоянным.

Таким образом, омические материалы имеют линейную зависимость тока от напряжения, и ее кривая проходит через начало координат. Напротив, материалы, имеющие сопротивление, которое изменяется при падении потенциала или токе, называются неомическими.

Кривая неомического материала не является линейной. Примерами неомических материалов, нарушающих закон Ома, являются диоды и транзисторы.

С этими пояснениями, поскольку кривая (A) линейна и проходит через начало координат, значит, это омический проводник, наклон которого дает обратное сопротивление. Как и в предыдущей задаче, его сопротивление рассчитывается как $ R_A = 5 \, {\ rm \ Omega} $.

Резистор (B) имеет нелинейную зависимость между напряжением на нем и током, поэтому это неомический проводник с переменным сопротивлением.

---

Закон Ома: практические проблемы с решением

Теперь мы хотим решить некоторые практические задачи, чтобы показать вам, как использовать закон Ома для решения проблем с электричеством.

Практическая задача (1): будильник потребляет ток 0,5 А при подключении к цепи 120 В. Найдите его сопротивление.

Решение : заданы ток $ I = 0,5 \, {\ rm A} $ и падение напряжения $ V = 120 \, {\ rm V} $. Решите закон Ома для неизвестного $ R $ как \ begin {align *} R & = \ frac VI \\ \\ & = \ frac {120} {0.5} \\ \\ & = 240 \ quad {\ rm \ Omega} \ конец {align *}

Практическая проблема (2): сабвуферу требуется домашнее напряжение 110 В, чтобы протолкнуть ток 5.5 А через катушку. Какое сопротивление сабвуфера?

Решение : Известны разность напряжений $ V = 110 \, {\ rm V} $ и ток $ I = 5.5 \, {\ rm A} $. Закон Ома связывает их следующим образом: \ begin {align *} R & = \ frac VI \\ \\ & = \ frac {110} {5.5} \\ \\ & = 20 \ quad {\ rm \ Omega} \ end {align *}

Проблема (3): Сколько тока потребляет цепь с резистором на 1000 Ом при питании от батареи с напряжением 1,5 В.

Решение : Сопротивление $ R = 1000 \, {\ rm \ Omega} $ и напряжение $ V = 1.5 \, {\ rm V} $ известны, поэтому у нас есть \ begin {align *} I & = \ frac VR \\\\ & = \ frac {1.5} {1000} \\\\ & = 1.5 \ quad { \ rm mA} \ end {align *}

Проблема (4): Электрический нагреватель имеет спиральный металлический провод, который потребляет ток 100 А. Сопротивление провода составляет 1,1 Ом. Рассчитайте напряжение, которое необходимо на нем установить.

Решение : Ток $ I = 100 \, {\ rm A} $ и сопротивление $ R = 1.1 \, {\ rm \ Omega} $ связаны как \ begin {align *} V & = IR \\ & = 100 \ раз 1.1 \\ & = 110 \ quad {\ rm V} \ end {align *}

Проблема (5): Максимальный ток, который проходит через лампочку с сопротивлением 5 Ом, составляет 10 А. Какое напряжение должно быть приложено к ее концам, прежде чем лампа сломается?

Решение : Максимальное напряжение можно найти с помощью закона Ома, как показано ниже \ begin {align *} V & = IR \\ & = 10 \ times 5 \\ & = 50 \ quad {\ rm V} \ end {align *} Если на схему подать напряжение выше этого значения, лампа перегорит.

Проблема (6): В цепи мы заменяем предыдущую батарею на 1,5 В на новую батарею на 3 В. Что происходит с этой схемой?

Решение : Закон Ома говорит нам, что, когда большее напряжение устанавливается в цепи, более высокий ток будет течь через резисторы в цепи, такой как электрические нагреватели, лампочки и т. Д.

Более высокий ток может вызвать повреждение или выход из строя бытовой техники. Например, лампочка с сопротивлением $ R = 1.5 \, {\ rm \ Omega} $ потребляет ток $ I = \ frac {1.5} {1.5} = 1 \, {\ rm A} $ с батареей $ 1.5 $ вольт и током $ I = \ frac { 3} {1.5} = 2 \, {\ rm A} $ с заменой новым. В этих случаях лампочка, скорее всего, перегорит.

Проблема (7): В схеме удален резистор $ 10 \, {\ rm \ Omega} $ и заменен резистором $ 20 \, {\ rm \ Omega} $. Что происходит с током в цепи.

Решение : Поскольку ничего не сказано о падении напряжения в цепи, мы предполагаем, что оно постоянное, скажем, $ V = 120 \, {\ rm V} $.Следовательно, используя формулу закона Ома, $ I = \ frac VR $, ток $ I = \ frac {120} {10} = 12 \, {\ rm A} $ течет через $ 10 \, {\ rm \ Omega} $ резистор и $ I = \ frac {120} {20} = 6 \, {\ rm A} $ через резистор $ 20 \, {\ rm \ Omega} $.

Мы видим, что для того же напряжения удвоение сопротивлений приводит к уменьшению, точнее, к уменьшению вдвое токов.