Закон Ома | I=U/R | Все Формулы
Закон Ома, основанный на опытах, представляет собой в электротехнике основной закон, который устанавливает связь силы электрического тока с сопротивлением и напряжением.
Появление смартфонов, гаджетов, бытовых приборов и прочей электротехники коренным образом изменило облик современного человека. Приложены огромные усилия, направленные на исследование физических закономерностей для улучшения старой и создания новой техники. Одной из таких зависимостей является закон Ома.
Закон Ома – полученный экспериментальным путём (эмпирический) закон, который устанавливает связь силы тока в проводнике с напряжением на концах проводника и его сопротивлением, был открыт в 1826 году немецким физиком-экспериментатором Георгом Омом.
Строгая формулировка закона Ома может быть записана так: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах (разности потенциалов) и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника.
Формула закона Ома записывается в следующем виде:
где
I – сила тока в проводнике, единица измерения силы тока – ампер [А];
U – электрическое напряжение (разность потенциалов), единица измерения напряжения- вольт [В];
R – электрическое сопротивление проводника, единица измерения электрического сопротивления – ом [Ом].
Согласно закону Ома, увеличение напряжения, например, в два раза при фиксированном сопротивлении проводника, приведёт к увеличению силы тока также в два раза
И напротив, уменьшение тока в два раза при фиксированном напряжении будет означать, что сопротивление увеличилось в два раза.
Рассмотрим простейший случай применения закона Ома. Пусть дан некоторый проводник сопротивлением 3 Ом под напряжением 12 В. Тогда, по определению закона Ома, по данному проводнику течет ток равный:
Существует мнемоническое правило для запоминания этого закона, которое можно назвать треугольник Ома. Изобразим все три характеристики (напряжение, сила тока и сопротивление) в виде треугольника.
В вершине которого находится напряжение, в нижней левой части – сила тока, а в правой – сопротивление.
Правило работы такое: закрываем пальцем величину в треугольнике, которую нужно найти, тогда две оставшиеся дадут верную формулу для поиска закрытой.
Где и когда можно применять закон Ома?
Закон Ома в упомянутой форме справедлив в достаточно широких пределах для металлов. Он выполняется до тех пор, пока металл не начнет плавиться. Менее широкий диапазон применения у растворов (расплавов) электролитов и в сильно ионизированных газах (плазме).
Работая с электрическими схемами, иногда требуется определять падение напряжения на определенном элементе. Если это будет резистор с известной величиной сопротивления (она проставляется на корпусе), а также известен проходящий через него ток, узнать напряжение можно с помощью формулы Ома, не подключая вольтметр.
Значение Закона Ома
Он позволяет рассчитать тепловые, химические и магнитные действия тока, так как они зависят от силы тока.
Закон Ома является чрезвычайно полезным в технике(электронной/электрической), поскольку он касается трех основных электрических величин: тока, напряжения и сопротивления. Он показывает, как эти три величины являются взаимозависимыми на макроскопическом уровне.
Если бы было можно охарактеризовать закон Ома простыми словами, то наглядно это выглядело бы так:
Из закона Ома вытекает, что замыкать обычную осветительную сеть проводником малого сопротивления опасно. Сила тока окажется настолько большой, что это может иметь тяжелые последствия.
| ЗАКОНЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ И ДВИЖЕНИЯ ТЕЛ | |||
| Вычисление перемещения | АВ2 = АС2 + ВС2 | Перемещение – вектор, соединяющий начальную точку движения тела с его конечной точкой. | |
| Проекция вектора перемещения | Sx = x2 – x1 | x1 – начальная координата, [м] x2 – конечная координата, [м] Sx – перемещение, [м] | |
| Формула расчета скорости движения тела | v = s/t | Скорость – физическая величина, равная отношению перемещения к промежутку времени, за которое это перемещение произошло. | v – скорость, [м/с] s – путь, [м] t – время, [c] |
| Уравнение движения | x = x0 + vxt | x0 – начальная координата, [м] x – конечная координата, [м] v – скорость, [м/с] t – время, [c] | |
| Формула для вычисления ускорения движения тела | a = v – v0⃗/t | Ускорение – физическая величина, которая характеризует быстроту изменения скорости. | a – ускорение, [м/с2] v – конечная скорость, [м/с] v0 – начальная скорость, [м/с] t – время, [c] |
| Уравнение скорости | v = v0⃗+ at | v – конечная скорость, [м/с] v0 – начальная скорость, [м/с] a – ускорение, [м/с2] t – время, [c] | |
| Уравнение Галилея | S = v0t + at2/2 | S – перемещение, [м] v – конечная скорость, [м/с] v0 – начальная скорость, [м/с] a – ускорение, [м/с2] t – время, [c] | |
| Закон изменения координаты тела при прямолинейном равноускоренном движении | x = x0 + v0t + at2/2 | x0 – начальная координата, [м] x – конечная координата, [м] v – конечная скорость, [м/с] v0 – начальная скорость, [м/с] a – ускорение, [м/с2] t – время, [c] | |
| Первый закон Ньютона | Если на тело не действуют никакие тела либо их действие скомпенсировано, то это тело будет находиться в состоянии покоя или двигаться равномерно и прямолинейно. | ||
| Второй закон Ньютона | a = F ⃗/m | Ускорение, приобретаемое телом под действием силы, прямо пропорционально величине этой силы и обратно пропорционально массе тела. | a – ускорение, [м/с2] F – сила, [Н] m – масса, [кг] |
| Третий закон Ньютона | |F1⃗ |=|F2⃗| F11 ⃗ = -F2⃗ | Сила, с которой первое тело действует на второе, равна по модулю и противоположна по направлению силе, с которой второе тело действует на первое | F – сила, [Н] |
| Формула для вычисления высоты, с которой падает тело | H=gt2/2 | Н – высота, [м] t – время, [c] g ≈ 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения | |
| Формула для вычисления высоты при движении вертикально вверх | h=v0t – gt2/2 | h – высота, [м] v0 – начальная скорость, [м/с] t – время, [c] g ≈ 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения | |
| Формула для вычисления веса тела при движении вверх с ускорением | P = m (g + a) | P – вес тела, [Н] m – масса тела, [кг] g ≈ 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения a – ускорение тела, [м/с2] | |
| Формула для вычисления веса тела при движении вниз с ускорением | P = m (g – a) | P – вес тела, [Н] m – масса тела, [кг] g ≈ 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения | |
| Формула закона | F = Gm1m2/r2 | Закон всемирного тяготения: два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. | F – сила, [Н] G = 6,67 · 10-11 [Н·м2/кг2] – гравитационная постоянная m – масса тела, [кг] r – расстояние между телами, [м] |
| Формула расчета ускорения свободного падения на разных планетах | g = G Mпл/Rпл2 | g – ускорение свободного падения, [м/с2] G = 6,67 · 10-11 [Н·м2/кг2 – гравитационная постоянная M – масса планеты, [кг] R – радиус планеты, [м] | |
| Формула расчета ускорения свободного падения | g = GM3/(R3+H)2 | g – ускорение свободного падения, [м/с2] G = 6,67 · 10-11 [Н·м2/кг2 – гравитационная постоянная M – масса Земли, [кг] R – радиус Земли, [м] Н – высота тела над Землей, [м] | |
| Формула расчета центростремительного ускорения | а=υ2/r | a – центростремительное ускорение, [м/с2] v – скорость, [м/с] | |
| Формула периода движения по окружности | T = 1/ν = (2πr)/υ = t/N | Т – период, [с] ν – частота вращения, [с-1] t – время, [с] N – число оборотов | |
| Формула расчета угловой скорости | ω = 2π/T = 2πν = υr | ω – угловая скорость, [рад/с] υ – линейная скорость, [м/с] Т – период, [с] ν – частота вращения, [с-1] r – радиус окружности, [м] | |
| Формула импульса тела | p = mv | Импульсом называют произведение массы тела на его скорость. | p – импульс тела, [кг·м/с] m – масса тела, [кг] υ – скорость, [м/с] |
| Формула закона сохранения импульса | p1 + p2 = p1’ + p2’ m1v + m2u = m1v’ + m2u’ | Закон сохранения импульса: в замкнутой системе импульс всех тел остается величиной постоянной. | p – импульс тела, [кг·м/с] m – масса тела, [кг] υ – скорость 1-го тела, [м/с] u – скорость 2-го тела, [м/с] |
| Формула импульса силы | P = Ft | p – импульс тела, [кг·м/с] F – сила, [Н] t – время, [c] | |
| Формула механической работы | A = Fs | Механическая работа – физическая величина, равная произведению модуля силы на величину перемещения тела в направлении действия силы | A – работа, [Дж] F – сила, [Н] s – пройденный путь, [м] |
| Формула расчета мощности | N = A/t | Мощность – физическая величина, характеризующая быстроту совершения механической работы. | N – мощность, [Вт] A – работа, [Дж] t – время, [c] |
| Формула для нахождения коэффициента полезного действия (КПД) | η = Aп/Aз∙100 | КПД – отношение полезной работы к затраченной работе. | Aп – полезная работа, [Дж] Aз – затраченная работа, [Дж] |
| Формула расчета потенциальной энергии | Ek = mv2/2 | Кинетическая энергия – энергия, которой обладает тело вследствие своего движения. | Ek – кинетическая энергия тела, [Дж] m – масса тела, [кг] v – скорость движения тела, [м/с] |
| Формула закона сохранения полной механической энергии | mv12/2 + mgh1 = mv22/2 + mgh2 | Закон сохранения полной механической энергии: полная механическая энергия тела, на которое не действуют силы трения и сопротивления, в процессе его движения остается неизменной. | m – масса тела, [кг] g ≈ 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения v1 – скорость тела в начальный момент времени, [м/с] v2 – скорость тела в конечный момент времени, [м/с] h1 – начальная высота, [м] h2 – конечная высота, [м] |
| Формула силы трения | Fтр = μmg | Сила трения – сила, возникающая при соприкосновении двух тел и препятствующая их относительному движению. | Fтр – сила трения, [Н] μ – коэффициент трения m – масса тела, [кг] g ≈ 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения |
| Уравнение колебаний | x = A cos (ωt + φ0) | А – амплитуда колебаний, [м] х – смещение, [м] t – время, [c] ω – циклическая частота, [рад/с] φ0 – начальная фаза, [рад] | |
| Формула периода | T = 1/ν = 2πr/υ = t/N | Т – период, [с] ν – частота колебании, [с-1] t – время колебании, [с] N – число колебаний | |
| Формула периода для математического маятника | T= 2π √L/g | Т – период, [с] g ≈ 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения L – длина нити, [м] | |
| Формула периода для пружинного маятника | T = 2π √m/K | Т – период, [с] m – масса груза, [кг] К – жесткость пружины, [Н/м] | |
| Формула длины волны | λ = υТ = υ/ν | λ – длина волны, [м] Т – период, [с] ν – частота, [с-1] υ – скорость волны, [м/с] | |
| Формула расчета плотности тела | ρ=m/V | Плотность вещества – показывает, чему равна масса вещества в единице объема. | ρ – плотность, [кг/м3] m – масса, [кг] V – объем тела, [м3] |
| Формула гидростатического давления жидкости | p = ρgh | p – давление, [Па], [Н/м] ρ – плотность жидкости, [кг/м3] g ≈ 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения h – высота столба жидкости, [м] | |
| Формула силы Архимеда | FA = ρgV | Закон Архимеда: на всякое тело, погруженное в жидкость (газ(, действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной жидкости (газа). | FА – сила Архимеда, [Н] ρ – плотность жидкости или газа [кг/м3] g ≈ 9,81 м/с2 – ускорение свободного падения V – объем тела, [м3] |
| ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ | |||
| Формула расчета силы Ампера | FA = BIL sinα | Закон Ампера: сила действия однородного магнитного поля на проводник с током прямо пропорциональна силе тока, длине проводника, модулю вектора индукции магнитного поля, синусу угла между вектором индукции магнитного поля и проводником. | FA – сила Ампера, [Н] В – магнитная индукция, [Тл] I – сила тока, [А] L – длина проводника, [м] |
| Формула расчета силы Лоренца | Fл = q B υ sinα | Сила Лоренца – сила, действующая на точечную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Она равна произведению заряда, модуля скорости частицы, модуля вектора индукции магнитного поля и синуса угла между вектором магнитного поля и скоростью движения частицы. | Fл – сила Лоренца, [Н] q – заряд, [Кл] В – магнитная индукция, [Тл] υ – скорость движения заряда, [м/с] |
| Формула радиуса движения частицы в магнитном поле | r = mυ/qB | r – радиус окружности, по которой движется частица в магнитном поле, [м] m – масса частицы, [кг] q – заряд, [Кл] В – магнитная индукция, [Тл] υ – скорость движения заряда, [м/с] | |
| Формула для вычисления магнитного потока | Ф = B S cosα | Ф – магнитный поток, [Вб] В – магнитная индукция, [Тл] S – площадь контура, [м2] | |
| Формула для вычисления величины заряда | q = It | Заряд – это есть произведение силы тока на время, в течение которого этот заряд протекает по проводнику. | q – заряд, [Кл] I – сила тока, [А] t – время, [c] |
| Закон Ома для участка цепи | I=U/R | Закон Ома: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению. | I – сила тока, [А] U – напряжение, [В] R – сопротивление, [Ом] |
| Формула для вычисления удельного сопротивления проводника | R = ρ * L/S ρ = R * S/L | Удельное сопротивление – величина, характеризующая электрические свойства вещества, из которого изготовлен проводник. | ρ – удельное сопротивление вещества, [Ом·мм2/м] R – сопротивление, [Ом] S – площадь поперечного сечения проводника, [мм2] L – длина проводника, [м] |
| Законы последовательного соединения проводников | I = I1 = I2 U = U1 + U2 Rобщ = R1 + R2 | Последовательным соединением называется соединение, когда элементы идут друг за другом. | I – сила тока, [А] U – напряжение, [В] R – сопротивление, [Ом] |
| Законы параллельного соединения проводников | U = U1 = U2 I = I1 + I2 1/Rобщ = 1/R1 +1/R2 | Параллельным соединением проводников называется такое соединение, при котором начала и концы проводников соединяются вместе. | I – сила тока, [А] U – напряжение, [В] R – сопротивление, [Ом] |
| Формула для вычисления величины заряда. | q = It | Заряд – это есть произведение силы тока на время, в течение которого этот заряд протекает по проводнику. | q – заряд, [Кл] I – сила тока, [А] t – время, [c] |
| Формула для нахождения работы электрического тока | A = Uq A = UIt | Работа – это величина, которая характеризует превращение энергии из одного вида в другой, т.е. показывает, как энергия электрического тока, будет превращаться в другие виды энергии – механическую, тепловую и т. д.Работа электрического поля – это произведение электрического напряжения на заряд, протекающий по проводнику. Работа, совершаемая для перемещения электрического заряда в электрическом поле. | A – работа электрического тока, [Дж] U – напряжение на концах участка, [В] q – заряд, [Кл] I – сила тока, [А] t – время, [c] |
| Формула электрической мощности | P = A/t P = UI P = U2/R | Мощность – работа, выполненная в единицу времени. | P – электрическая мощность, [Вт] A – работа электрического тока, [Дж] t – время, [c] U – напряжение на концах участка, [В] I – сила тока, [А] R – сопротивление, [Ом] |
| Формула закона Джоуля-Ленца | Q = I2Rt | Закон Джоуля-Ленца: при прохождении электрического тока по проводнику количество теплоты, выделяемое в проводнике, прямо пропорционально квадрату тока, сопротивлению проводника и времени, в течение которого электрический ток протекал по проводнику. | Q – количество теплоты, [Дж] I – сила тока, [А]; t – время, [с]. R – сопротивление, [Ом]. |
| Закон отражения света | Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восставленный в точку падения луча, лежат в одной плоскости, при этом угол падения луча равен углу отражения луча. | ||
| Закон преломления | sinα/sinγ = n2/n1 | При увеличении угла падения увеличивается и угол преломления, то есть при угле падения, близком к 90°, преломлённый луч практически исчезает, а вся энергия падающего луча переходит в энергию отражённого. | n – показатель преломления одного вещества относительно другого |
| Формула вычисления абсолютного показателя преломления вещества | n = c/v | Абсолютный показатель преломления вещества – величина, равная отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде. | n – абсолютный показатель преломления вещества c – скорость света в вакууме, [м/с] v – скорость света в данной среде, [м/с] |
| Закон Снеллиуса | sinα/sinγ = v1/v2 = n | Закон Снеллиуса (закон преломления света): отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная. | n – показатель преломления одного вещества относительно другого v – скорость света в данной среде, [м/с] |
| Показатель преломления среды | sinα/sinγ = n | Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная. | n – показатель преломления среды |
| Формула оптической силы линзы | D = 1/F | Оптическая сила линзы – способность линзы преломлять лучи. | D – оптическая сила линзы, [дптр] F – фокусное расстояние линзы, [м] |
| Формула тонкой линзы | 1/F = 1/d + 1/f | F – фокусное расстояние линзы, [м] d – расстояние от предмета до линзы, [м] f – расстояние от линзы до изображения, [м] | |
| СТРОЕНИЕ АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА | |||
| Массовое число | M = Z + N | M – массовое число Z – число протонов (электронов), зарядовое число N – число нейтронов | |
| Формула массы ядра | Мя = МА – Zme | Mя – масса ядра, [кг] МА – масса изотопа , [кг] me – масса электрона, [кг] | |
| Формула дефекта масс | ∆m = Zmp+ Nmn – MЯ | Дефект масс – разность между суммой масс покоя нуклонов, составляющих ядро данного нуклида, и массой покоя атомного ядра этого нуклида. | ∆m – дефект масс, [кг] mp – масса протона, [кг] mn – масса нейтрона, [кг] |
| Формула энергии связи | Есвязи = ∆m c2 | Энергия связи ядра – минимальная энергия, необходимая для того, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны (протоны и нейтроны). | Есвязи – энергия связи, [Дж] m – масса, [кг] с = 3·108м/с – скорость света |
| Альфа распад | M/Z * X → 4/2 * α + M/Z – 4/2 * Y | ||
Электрическое сопротивление — урок. Физика, 8 класс.
Электрическое сопротивление характеризует способность электрического проводника препятствовать прохождению электрического тока.
Закон Ома
Сила тока \(I\) прямо пропорциональна напряжению \(U\). Это означает следующее: во сколько раз изменяется напряжение, во столько раз изменяется и сила тока.
Сила тока \(I\) обратно пропорциональна электрическому сопротивлению \(R\). Поэтому чем больше сопротивление, тем меньше сила тока, протекающего в проводнике.
I=UR
Удельное сопротивление
Причиной электрического сопротивления является тепловое движение образующих материал атомов или молекул. Частицы колеблются около своих мест и мешают перемещению электронов. Это можно сравнить с длинным коридором, в котором одновременно перемещается много людей. И насколько быстро можно двигаться вперед, зависит от различных причин.
Электрическое сопротивление характерно для всех веществ и зависит от:
| Материала проводника тока ρ | Длины проводника \(l\) | Площади поперечного сечения проводника \(S\) |
Для каждого метериала характерно его удельное сопротивление, которое обозначают буквой ρ и которое можно найти в таблице удельных сопротивлений. | Чем длиннее проводник электричества, тем больше его электрическое сопротивление. | Чем меньше площадь поперечного сечения проводника электричества, тем больше электрическое сопротивление. |
| Пример с коридором: движение вперёд зависит от того, сколько людей в нём находится, как каждый из них двигается, насколько они полные или худые. | Пример с коридором: чем длиннее коридор, тем дольше и труднее путь. | Пример с коридором: чем уже коридор, тем труднее пробираться сквозь толпу людей. |
Обрати внимание!
R=ρ⋅lS
Удельное сопротивление металлов небольшое, а изоляторов — очень большое. В цепях, в которых электрический ток должен производить большую теплоту (например, в обогревателях), используют проводники с большим удельным сопротивлением, например, нихром. Току труднее течь, увеличивается тепловое движение частиц, в результате проводник нагревается. У алюминия низкое удельное сопротивление, поэтому его можно использовать для передачи электроэнергии.
Электрическое сопротивление человеческого тела может изменяться от 20000 Ом до 1800 Ом.
Чтобы электрическая цепь обеспечивала необходимую силу тока, в неё включают резисторы.
Резистор — прибор с постоянным сопротивлением.
Чтобы изменить силу тока в электрической цепи, используют реостаты.
Реостат — прибор с переменным сопротивлением.
В составе реостата имеется подвижный контакт, при помощи которого изменяется длина участка, включённого в цепь.
Реостат используется, например, в регуляторах громкости радиоприёмников.
| Резисторы | Реостаты |
Коэффициент сопротивления, формула и примеры
Коэффициент сопротивления дает возможность учитывать потери энергии при движении тела.
Чаще всего рассматривают два типа движения: движение по поверхности и движение в веществе (жидкости или газе). Если рассматривают движение по опоре, то обычно говорят о коэффициенте трения. В том случае, если рассматривают движение тела в жидкости или газе, то имеют в виду коэффициент сопротивления формы.
Определение коэффициента сопротивления (трения) скольжения
Речь идет о коэффициенте трения скольжения, который зависит от совокупных свойств трущихся поверхностей и является безразмерной величиной. Коэффициент трения зависит от: качества обработки поверхностей, трущихся тел, присутствия на них грязи, скорости движения тел друг относительно друга и т.д. Коэффициент трения определяют эмпирически (опытным путем).
Определение коэффициент сопротивления (трения) качения
Данный коэффициент, имеет размерность длины. Основной его единицей в системе СИ будет метр.
Определение коэффициента сопротивления формы
Иногда, если рассматривают движение вытянутого тела, то считают:
где V — объем тела.
Рассматриваемый коэффициент сопротивления является безразмерной величиной. Он не учитывает эффектов на поверхности тел, поэтому формула (3) может стать не пригодна, если рассматривается вещество, которое имеет большую вязкость. Коэффициент сопротивления (C) является постоянной величиной пока число Рейнольдса (Re) является неизменным. В общем случае .
Если тело имеет острые ребра, то эмпирически получено, что для таких тел коэффициент сопротивления остается постоянным в широкой области чисел Рейнольдса. Так опытным путем получено, что для круглых пластинок поставленных поперек воздушного потока, при значения коэффициента сопротивления находятся в пределах от 1,1 до 1,12. При уменьшении числа Рейнольдса () закон сопротивления переходит в закон Стокса, который для круглых пластинок имеет вид:
Сопротивление шаров было исследовано для широкой области чисел Рейнольдса до Для получили:
При , .
В справочниках представлены коэффициенты сопротивления для круглых цилиндров, шаров и круглых пластинок в зависимости от числа Рейнольдса.
В авиационной технике задача о нахождении формы тела с минимальным сопротивлением имеет особое значение.
Примеры решения задач
Сопротивление, проводимость и закон Ома
Электрическое сопротивление – физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению по нему электрического тока.
Сопротивление часто обозначается через R или r и в Международной системе единиц (СИ) измеряется в Омах.
В зависимости от среды проводника и носителей зарядов, физическая природа сопротивления может отличаться. Так, например, в металле движущиеся под действием поля электроны рассеиваются на неоднородностях ионной решетки, теряют свой импульс, и энергия их движения преобразуется во внутреннюю энергию кристаллической решетки (то есть становится меньше).
Сопротивление проводника при прочих равных условиях зависит от его геометрии и от удельного электрического сопротивления материала, из которого он выполнен.
Сопротивление однородного проводника постоянного сечения зависит от свойств вещества проводника, его длины, сечения и определяется согласно зависимости
где ρ – удельное сопротивление вещества проводника, Ом·м, l — длина проводника, м, а S — площадь сечения, мм².
Удельное сопротивление ρ – скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади сечения (рисунок 1). При расчетах это значение выбирается из таблицы.
Рис. 1. Удельное сопротивление проводника, ρСопротивление проводника R зависит от внешнего фактора – температуры T, но для разных групп веществ эта зависимость имеет различные зависимости. Так, при снижении температуры металлов их сопротивление снижается (то есть способность проводить ток увеличивается). Если температура металла достигает низких значений, он переходит в состояние так называемой свехрпроводимости и его сопротивление R стремится к 0.
Поведение полупроводников под воздействием температур обратное – при снижении температуры T сопротивление R растет, а при его росте наоборот падает (рисунок 2).
Закон Ома
В 1826 году немецкий физик Георг Ом открыл важный в электронике закон, названный впоследствии его фамилией. Закон Ома определяет количественную зависимость между электрическим током и свойствами проводника, характеризующими его способность противостоять электрическому току.
Существует несколько интерпретаций закона Ома.
Закон Ома для участка цепи (рисунок 3) определяет величину электрического тока I в проводнике как отношение напряжения на концах проводника U и его сопротивления R
Рис. 3. Закон Ома для участка цепиИнтерпретировать закон Ома для участка цепи можно следующим образом: если к концам проводника сопротивлением R = 1 Ом приложено напряжение U = 1 В, тогда величина тока I в проводнике будет равна 1 А
На представленном выше простом примере разберем физическую интерпретацию закона Ома, используя аналогию электрического тока и воды.
В качестве аналога проводника электрического тока возьмем воронку, сужение в которой возникает из-за наличие в проводнике сопротивления R (рисунок 4). Пусть в воронку из некоторого источника поступает вода, которая просачивается через узкое горлышко. Усилить поток воды на выходе горлышка воронки можно за счет давления на воду, например, силой поршня. В аналогии с электричеством, поршень будет являться аналогом напряжения – чем сильнее на воду давит поршень (то есть чем больше значение напряжения), тем сильнее будет поток воды на выходе из воронки (тем больше будет значение силы тока).
Закон Ома может быть применен не всегда, а лишь в ограниченном числе случаев. Так закон Ома «не работает» при расчете напряжения и тока в полупроводниковых или электровакуумных приборов, содержащих нелинейные элементы. В этом случае зависимость тока и напряжения можно определить только с помощью построение так называемой вольтамперной характеристики (ВАХ).
К категории нелинейных элементов относятся все без исключения полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, стабилитроны, тиристоры, варикапы и т.д.), а также электронные лампы.
Проводимость
Величина обратная сопротивлению, называется проводимостью:
G = 1/R.
Единица проводимости называется сименс (См): G, (g) = 1/Ом = См.
#1. Формула закона для участка цепи Ома
#2. Найдите сопротивление участка цепи использую закон Ома, если к концам проводника приложено U = 12 В, и в нем протекает ток I = 6 А.
Закон Ома гласит I=U/R, следовательно R = U/I = 12/6 = 2 Ом.
#3. В чем измеряется удельное сопротивление?
#4. Сопротивление участка цепи равно 10 Ом. Найдите проводимость участка.
Величина обратная сопротивлению, называется проводимостью:
G = 1/R.
Так как сопротивление участка цепи R = 10 Ом, следовательно G = 1/10 = 0,1 См.
Результат
Отлично!
Попытайтесь снова(
Формула сопротивления проводника: его расчет и нахождения
Электросопротивление — важный элемент любой электрической цепи оборудования. Что оно обозначает, в каких единицах измеряется, какова основная формула сопротивления, как подсчитывается? Об этом и другом далее.
Описание явления
Электрическим сопротивлением называется физическая величина, которая характеризует проводниковое свойство препятствовать электротоку. В ответ на вопрос, по какой формуле вычисляется электрическое сопротивление, стоит отметить, что оно равно напряжению, поделенному на силу тока, которое проходит по проводниковому элементу. В зависимости от того, какой материал представлен, значение может быть нулевым или минимальным. Близкое к нулю есть в проводниках и металлах, а очень большое в изоляции и диэлектрике. Величина, которая обратна сопротивлению тока, является проводимостью.
Стоит отметить, что электросопротивление бывает активным, реактивным и удельным.
Активным является часть полного, находящегося в электроцепи. В нем энергия целиком преобразовывается во все энергетические виды. Бывает тепловой, механической и химической. Отличительным свойством является процесс полного потребления всей электрической энергии.
Реактивным называется то, которое обусловлено энергопередачей переменного тока по цепи электро- или магнитного поля.
Удельное — величина, которая характеризует возможность материала мешать распространению тока.
Дополнение: есть также отрицательное электросопротивление, которое является свойством конкретных элементов с узлами электроцепей, проявляющееся на вольтамперном участке, где значение напряжения снижается, когда увеличивается протекающий ток. Интересно отметить, что данные элементы активные. Благодаря им трансформируется энергия источника питания в незатухающего вида колебания.
Их возможно применять в различных электрических схемах, к примеру, в туннельном диоде и схеме транзистора, лампового генератора.
Единицы измерения
В качестве единицы измерения используется Ом. Обозначение его происходит буквой R. В отличие от обычного сопротивления, удельное измеряется в Омметрах и обозначается p. Реактивное пишется как X и определяет импеданс.
Общепринятая единица измеренияРасчет
Основную формулу нахождения показания проводника можно вычислить или представить как R=U/I, где U является разностью напряжения на проводниковых концах, а I считается силой тока, которая протекает под разностью напряжения. Получается значение, представленное в Омах.
Обратите внимание! В дополнение к теме, как определить сопротивление резистора по формуле, правильно вычислять необходимые показания также можно при помощи специального измерительного прибора под названием омметр или мультиметр.
Формула, используемая повсеместно для расчетаФормула
Общее электросопротивление проводника можно найти по представленной выше формуле.
Что касается нахождения показаний для активной, реактивной, отрицательной и удельной разновидности, есть свои специальные формулы. Все они представлены в соответствующей схеме далее с обозначениями.
Электросопротивление в электродинамике является электротехнической величиной, характеризующей способность металла препятствовать электрическому току. При расчетах используется буква R, вне зависимости от того, какое сопротивление изучается и подсчитывается. Формул для нахождения величины множество. В основном используется R=U/I.
Формула сопротивления воздуху
Сопротивление воздуха — это сила, которая воздействует на объекты, движущиеся по воздуху. Часто задачи физики, используемые при обучении, игнорируют это, но это очень важно для понимания движения быстро движущихся объектов, таких как самолеты.
Это зависит от плотности воздуха, площади объекта, скорости его движения и «коэффициента сопротивления», который учитывает другие свойства объекта, такие как шероховатость поверхности и турбулентность. Сопротивление воздуха также называют «сопротивлением», и единицей измерения этой силы является ньютон (Н).
F = сила сопротивления воздуха или сопротивления (Н)
k = константа, которая учитывает влияние плотности, сопротивления и площади (кг / м)
v = скорость движущегося объекта (м / с)
ρ = плотность воздуха, в котором движется объект (кг / м 3 )
C D = коэффициент аэродинамического сопротивления, включая трудноизмеримые эффекты (без единиц измерения)
A = площадь объекта, на который воздействует воздух (м 2 )
Формула сопротивления воздуха Вопросы:
1) Большой пассажирский самолет летит со скоростью 250.
0 м / с . Площадь крыльев самолета по ветру A = 500,0 м 2 . Коэффициент аэродинамического сопротивления составляет C D = 0,024. На высоте, на которой летит самолет, плотность воздуха ρ = 0,4500 кг / м 3 . Какая сила сопротивления воздуха действует на пассажирский самолет?
Ответ: Силу сопротивления воздуха можно найти по формуле:
F = 168750 N
Сила сопротивления воздуха, действующая на пассажирский самолет, составляет 168750 Н.
2) Женщина плывет к земле на парашюте. Она движется вниз с постоянной скоростью, потому что сила, направленная вверх от сопротивления воздуха, уравновешивается направленной вниз силой тяжести. Сила тяжести, действующая на нее, составляет 500 Н. Плотность воздуха на ее текущей высоте составляет 1,20 кг / м 3 , площадь парашюта составляет 75,0 м 2 , а коэффициент лобового сопротивления составляет парашют C D = 1,75.
Какая у нее скорость нисходящего движения?
Ответ: Скорость парашютиста можно найти, переставив формулу сопротивления воздуха:
Она имеет постоянную скорость, поэтому сила тяжести, действующая вниз, должна иметь то же значение, что и сила сопротивления воздуха, действующая вверх.Следовательно, сила F в формуле равна 500 Н. Ее скорость вниз:
v = 2,52 м / с
Скорость спуска парашютиста 2,52 м / с .
Что такое сопротивление в физике? (с рисунками)
В физике сопротивление — это мера способности материала сопротивляться прохождению электрического тока. Это зависит от природы материала, его толщины и длины, а также от температуры.Сопротивление низкое у веществ, таких как металлы, которые являются хорошими проводниками, и высокое у материалов, таких как пластик и резина, которые являются изоляторами. Когда электрический ток встречает сопротивление, часть его энергии преобразуется в тепло, а иногда и в свет, уменьшая ток.
Это явление может быть проблемой, но имеет много применений.
Факторы, влияющие на сопротивление
Сопротивление можно рассматривать как обратную величину проводимости, и наиболее важным фактором проводимости является состав материала. Электрический ток состоит из потока электронов, и когда они сталкиваются с атомами, возникает сопротивление.У металлов есть много слабо удерживаемых электронов, которые позволяют легко течь току, тогда как неметаллы — нет. Жидкости, содержащие ионы, например, раствор соли или расплав соли, также являются хорошими проводниками, поскольку эти подвижные электрически заряженные атомы и молекулы пропускают ток.
Толщина и длина провода или кабеля также имеют значение. Сопротивление увеличивается с увеличением длины, так как есть больше атомов, с которыми можно столкнуться, но уменьшается с увеличением толщины, так как в более толстом проводе больше электронов, доступных для переноса тока. Он также увеличивается с повышением температуры. Чем ниже проводимость материала, тем выше напряжение или электродвижущая сила, необходимые для протекания через него тока.
Резисторы добавляют цепи «фиксированное» сопротивление.
Закон Ома
Связь между сопротивлением, током и напряжением известна как закон Ома, названный в честь немецкого физика Георга Ома (1789-1854), которому приписывают открытие влияния состава, длины и толщины материала на величину тока, который будет течь через него при заданном напряжении.Его именем названа и единица Ом. Закон в его обычной форме гласит, что электрический ток равен напряжению, деленному на сопротивление. В уравнениях физики для выражения отношений обычно используются буквы и символы; Закон Ома обычно записывается как
I = V / RОм R = V / I
В = ИК
Использует
Тот факт, что электрическое сопротивление генерирует тепло, используется для электрического отопления домов и приготовления пищи.
Электрические плиты, духовки, грили и тостеры — все зависит от этого явления. Точно так же лампа накаливания использует очень тонкий провод, чтобы генерировать свет, когда через него протекает ток.
Устройства, называемые резисторами, используются для уменьшения силы тока в определенных цепях для защиты хрупких компонентов от повреждений, а предохранители используются для защиты электрооборудования от скачков тока.Они состоят из проволоки, состав, толщина и длина которой регулируются таким образом, чтобы обеспечить такой уровень сопротивления, который заставляет их плавиться от тепла, выделяемого, когда ток превышает определенное значение. Это разрывает цепь и предотвращает повреждение током. Они обычно используются в вилках и бывают разных типов, например, на 3, 5 и 13 ампер.
Детекторы лжи основаны на том факте, что проводимость кожи человека значительно увеличивается из-за пота, который содержит ионные соединения, такие как соль.
Субъект подключен к устройству, которое пропускает через кожу небольшой ток и измеряет его значение. Идея состоит в том, что лежание увеличивает потоотделение, что увеличивает проводимость кожи и приводит к протеканию большего тока.
Трансмиссия
Для передачи электроэнергии от генерирующих станций в дома необходимо, чтобы она перемещалась на большие расстояния по линиям электропередач.Это сделало бы его непрактичным при напряжениях, при которых первоначально вырабатывается электричество, поскольку слишком много энергии будет потеряно из-за сопротивления кабелей. По этой причине трансформаторы используются для значительного увеличения передаваемого напряжения, сводя к минимуму потери энергии.
Напряжение снова снижается трансформаторами рядом с домами, которые будут снабжаться.
Температурный коэффициент сопротивления | Примечания по электронике
Подробная информация о температурном коэффициенте сопротивления вместе с формулой и расчетами, а также таблица распространенных материалов.
Resistance Tutorial:
Что такое сопротивление
Закон Ома
Удельное сопротивление
Таблица удельного сопротивления для обычных материалов
Температурный коэффициент сопротивления
Электрическая проводимость
Последовательные и параллельные резисторы
Таблица параллельных резисторов
Калькулятор параллельных резисторов
Сопротивление и удельное электрическое сопротивление всех материалов зависит от температуры.
Изменение электрического сопротивления влияет на электрические и электронные цепи. В некоторых это может привести к значительным изменениям. В результате температурный коэффициент сопротивления является важным параметром для многих приложений.
Вследствие его важности температурный коэффициент сопротивления указан для материалов, обычно используемые материалы широко доступны.
Внизу страницы находится таблица температурных коэффициентов сопротивления для многих распространенных материалов, используемых в электротехнической и электронной промышленности.
Температурный коэффициент сопротивления: основы
Есть две основные причины, по которым сопротивление материалов зависит от температуры.
Один эффект возникает из-за количества столкновений, которые происходят между носителями заряда и атомами в материале. По мере увеличения температуры увеличивается количество столкновений, и поэтому можно представить себе, что сопротивление будет незначительно увеличиваться с увеличением температуры.
Это может быть не всегда, потому что некоторые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.Это может быть вызвано тем, что с повышением температуры высвобождаются дополнительные носители заряда, что приводит к снижению сопротивления с температурой. Как и следовало ожидать, этот эффект часто наблюдается в полупроводниковых материалах.
При рассмотрении температурной зависимости сопротивления обычно предполагается, что температурный коэффициент сопротивления подчиняется линейному закону. Это имеет место при комнатной температуре, а также для металлов и многих других материалов. Однако было обнаружено, что эффекты сопротивления, возникающие в результате количества столкновений, не всегда постоянны, особенно при очень низких температурах для этих материалов.
Было показано, что удельное сопротивление обратно пропорционально длине свободного пробега между столкновениями, то есть это приводит к увеличению удельного сопротивления / сопротивления с увеличением температуры.
Для температур выше примерно 15 ° К (то есть выше абсолютного нуля) это ограничено тепловыми колебаниями атомов, и это дает линейную область, которая нам знакома. Ниже этой температуры сопротивление ограничено примесями и доступными носителями.
Температурный коэффициент формулы сопротивления
Сопротивление проводника при любой заданной температуре можно рассчитать, зная температуру, температурный коэффициент сопротивления, сопротивление при стандартной температуре и рабочую температуру.Формулу этой зависимости сопротивления от температуры в общих чертах можно выразить как:
Где
R = сопротивление при температуре, T
R ref = сопротивление при температуре Tref
α = температурный коэффициент сопротивления материала
T = температура материала в ° C
T ref = — эталонная температура, для которой указан температурный коэффициент.
Температурный коэффициент сопротивления обычно стандартизован для температуры 20 ° C.
Эта температура обычно считается нормальной «комнатной температурой». В результате это обычно учитывается в формуле для температурного коэффициента сопротивления:
Где
R 20 = сопротивление при 20 ° C
α 20 — температурный коэффициент сопротивления при 20 ° C
Таблица температурных коэффициентов сопротивления
В таблице ниже приведены температурные коэффициенты сопротивления для различных веществ, включая температурный коэффициент сопротивления меди, а также температурный коэффициент сопротивления алюминия и многих других материалов.
| Таблица температурных коэффициентов сопротивления для различных веществ | ||
|---|---|---|
| Вещество | Температурный коэффициент ° C -1 | |
| Алюминий | 43 x 10 -4 | |
| Сурьма | 40 x 10 -4 | |
| висмут | 42 x 10 -4 | |
| Латунь | ~ 10 x 10 -4 | |
| Кадмий | 40 x 10 -4 | |
| Кобальт | 7 x 10 -5 | |
| константан (сплав) | 33 x 10 -4 | |
| Медь | 40 x 10 -4 | |
| Золото | 34 x 10 -4 | |
| Углерод (графит) | -5. | |
| Германий | -4,8 x 10 -2 | |
| Утюг | 56 x 10 -4 | |
| Свинец | 39 x 10 -4 | |
| Манганин | ~ 2 x 10 -5 | |
| молибден | 46 x 10 -4 | |
| нихром | 1.7 х 10 -4 | |
| Никель | 59 x 10 -4 | |
| Платина | 38 x 10 -4 | |
| Кремний | -7,5 x 10 24 | |
| Серебро | 40 x 10 -4 | |
| Тантал | 33 x 10 -4 | |
| Олово | 45 x 10 -4 | |
| Вольфрам | 45 x 10 -4 | |
| цинк | 36 x 10 -4 | |
6 х 10 -4 Видно, что большинство материалов, но не широко используемых в электротехнической и электронной промышленности, имеют температурный коэффициент сопротивления примерно от 30 до 50 x 10 -4 , за исключением полупроводников, которые сильно различаются.
Дополнительные основные понятия:
Напряжение
Текущий
Сопротивление
Емкость
Мощность
Трансформеры
RF шум
Децибел, дБ
Q, добротность
Вернуться в меню «Основные понятия». . .
Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома
Добавлено в избранное Любимый 108Основы электроэнергетики
Приступая к изучению мира электричества и электроники, важно начать с понимания основ напряжения, тока и сопротивления.Это три основных строительных блока, необходимых для управления электричеством и его использования. Поначалу эти концепции могут быть трудными для понимания, потому что мы не можем их «видеть». Невооруженным глазом нельзя увидеть энергию, протекающую по проводу, или напряжение батареи, стоящей на столе. Даже молния в небе, хотя и видимая, на самом деле не является обменом энергии между облаками и землей, а является реакцией в воздухе на энергию, проходящую через него.
Чтобы обнаружить эту передачу энергии, мы должны использовать измерительные инструменты, такие как мультиметры, анализаторы спектра и осциллографы, чтобы визуализировать, что происходит с зарядом в системе.Однако не бойтесь, это руководство даст вам общее представление о напряжении, токе и сопротивлении, а также о том, как они соотносятся друг с другом.
Георг Ом
Рассмотрено в этом учебном пособии
- Как электрический заряд соотносится с напряжением, током и сопротивлением.
- Что такое напряжение, сила тока и сопротивление.
- Что такое закон Ома и как его использовать для понимания электричества.
- Простой эксперимент для демонстрации этих концепций.
Рекомендуемая литература
и nbsp
и nbsp
Электрический заряд
Электричество — это движение электронов. Электроны создают заряд, который мы можем использовать для работы.
Ваша лампочка, стереосистема, телефон и т. Д. — все используют движение электронов для выполнения работы. Все они работают, используя один и тот же основной источник энергии: движение электронов.
Три основных принципа этого урока можно объяснить с помощью электронов или, более конкретно, заряда, который они создают:
- Напряжение — это разница в заряде между двумя точками.
- Текущий — это скорость прохождения заряда.
- Сопротивление — это способность материала сопротивляться прохождению заряда (тока).
Итак, когда мы говорим об этих значениях, мы на самом деле описываем движение заряда и, следовательно, поведение электронов. Цепь представляет собой замкнутый контур, который позволяет заряду перемещаться из одного места в другое. Компоненты схемы позволяют нам контролировать этот заряд и использовать его для работы.
Георг Ом был баварским ученым, изучавшим электричество.
Ом начинается с описания единицы сопротивления, которая определяется током и напряжением. Итак, начнем с напряжения и продолжим.
Напряжение
Мы определяем напряжение как количество потенциальной энергии между двумя точками цепи. Одна точка заряжена больше, чем другая. Эта разница в заряде между двумя точками называется напряжением. Он измеряется в вольтах, что технически представляет собой разность потенциальной энергии между двумя точками, которые передают один джоуль энергии на кулон заряда, который проходит через них (не паникуйте, если это не имеет смысла, все будет объяснено).Единица «вольт» названа в честь итальянского физика Алессандро Вольта, который изобрел то, что считается первой химической батареей. Напряжение представлено в уравнениях и схемах буквой «V».
При описании напряжения, тока и сопротивления общей аналогией является резервуар для воды.
По этой аналогии заряд представлен количеством воды , напряжение представлено давлением воды , а ток представлен потоком воды . Для этой аналогии запомните:
- Вода = Заряд
- Давление = Напряжение
- Расход = Текущий
Рассмотрим резервуар для воды на определенной высоте над землей.На дне этого бака есть шланг.
Давление на конце шланга может представлять напряжение. Вода в баке представляет собой заряд. Чем больше воды в баке, тем выше уровень заряда, тем больше давление измеряется на конце шланга.
Мы можем представить этот резервуар как батарею, место, где мы накапливаем определенное количество энергии, а затем высвобождаем ее. Если мы сливаем из нашего бака определенное количество жидкости, давление, создаваемое на конце шланга, падает. Мы можем думать об этом как об уменьшении напряжения, например, когда фонарик тускнеет по мере разрядки батарей.Также уменьшается количество воды, протекающей через шланг.
Меньшее давление означает, что течет меньше воды, что приводит нас к течению.
Текущий
Мы можем представить себе количество воды, протекающей по шлангу из бака, как ток. Чем выше давление, тем выше расход, и наоборот. С водой мы бы измерили объем воды, протекающей через шланг за определенный период времени.18 электронов (1 кулон) в секунду проходят через точку в цепи. Ампер в уравнениях обозначается буквой «I».
Предположим теперь, что у нас есть два резервуара, каждый со шлангом, идущим снизу. В каждом резервуаре одинаковое количество воды, но шланг одного резервуара уже, чем шланг другого.
Мы измеряем одинаковое давление на конце любого шланга, но когда вода начинает течь, расход воды в баке с более узким шлангом будет меньше, чем расход воды в баке с более широкий шланг.С точки зрения электричества, ток через более узкий шланг меньше, чем через более широкий шланг.
Если мы хотим, чтобы поток через оба шланга был одинаковым, мы должны увеличить количество воды (заряда) в баке с помощью более узкого шланга.
Это увеличивает давление (напряжение) на конце более узкого шланга, проталкивая больше воды через бак. Это аналогично увеличению напряжения, которое вызывает увеличение тока.
Теперь мы начинаем видеть взаимосвязь между напряжением и током.Но здесь следует учитывать третий фактор: ширину шланга. В этой аналогии ширина шланга — это сопротивление. Это означает, что нам нужно добавить еще один термин в нашу модель:
- Вода = заряд (измеряется в кулонах)
- Давление = напряжение (измеряется в вольтах)
- Расход = ток (измеряется в амперах, или, для краткости, «амперах»)
- Ширина шланга = сопротивление
Сопротивление
Снова рассмотрим наши два резервуара для воды, один с узкой трубой, а другой с широкой.
Само собой разумеется, что мы не можем пропустить через узкую трубу такой же объем, как более широкий, при том же давлении.
Это сопротивление. Узкая труба «сопротивляется» потоку воды через нее, даже если вода находится под тем же давлением, что и резервуар с более широкой трубой.
В электрическом смысле это две цепи с одинаковым напряжением и различным сопротивлением. Цепь с более высоким сопротивлением позволит протекать меньшему количеству заряда, то есть в цепи с более высоким сопротивлением будет меньше тока, протекающего через нее.18 электронов. Это значение обычно представлено на схемах греческой буквой «& ohm;», которая называется омега и произносится как «ом».
Закон Ома
Объединив элементы напряжения, тока и сопротивления, Ом разработал формулу:
Где
- В = Напряжение в вольтах
- I = ток в амперах
- R = Сопротивление в Ом
Это называется законом Ома.Скажем, например, что у нас есть цепь с потенциалом 1 вольт, током 1 ампер и сопротивлением 1 Ом.
Используя закон Ома, мы можем сказать:
Допустим, это наш резервуар с широким шлангом. Количество воды в баке определяется как 1 В, а «узость» (сопротивление потоку) шланга определяется как 1 Ом. Используя закон Ома, это дает нам ток (ток) в 1 ампер.
Используя эту аналогию, давайте теперь посмотрим на резервуар с узким шлангом. Поскольку шланг более узкий, его сопротивление потоку выше.Определим это сопротивление как 2 Ом. Количество воды в резервуаре такое же, как и в другом резервуаре, поэтому, используя закон Ома, наше уравнение для резервуара с узким шлангом составляет
.а какой ток? Поскольку сопротивление больше, а напряжение такое же, это дает нам значение тока 0,5 А:
Значит, в баке с большим сопротивлением ток меньше. Теперь мы видим, что если мы знаем два значения закона Ома, мы можем решить третье.Продемонстрируем это на эксперименте.
Эксперимент по закону Ома
Для этого эксперимента мы хотим использовать батарею на 9 В для питания светодиода.
Светодиоды хрупкие и могут пропускать через них только определенное количество тока, прежде чем они перегорят. В документации к светодиоду всегда будет «текущий рейтинг». Это максимальное количество тока, которое может пройти через конкретный светодиод, прежде чем он перегорит.
Необходимые материалы
Для проведения экспериментов, перечисленных в конце руководства, вам потребуется:
ПРИМЕЧАНИЕ. светодиодов — это так называемые «неомические» устройства.Это означает, что уравнение для тока, протекающего через сам светодиод, не так просто, как V = IR. Светодиод вызывает в цепи то, что называется «падением напряжения», тем самым изменяя величину протекающего через нее тока. Однако в этом эксперименте мы просто пытаемся защитить светодиод от перегрузки по току, поэтому мы пренебрегаем токовыми характеристиками светодиода и выбираем номинал резистора, используя закон Ома, чтобы быть уверенным, что ток через светодиод безопасно ниже 20 мА.
В этом примере у нас есть батарея на 9 В и красный светодиод с номинальным током 20 мА, или 0.
020 ампер. На всякий случай мы бы предпочли не управлять максимальным током светодиода, а его рекомендуемым током, который указан в его техническом описании как 18 мА или 0,018 ампер. Если просто подключить светодиод непосредственно к батарее, значения закона Ома будут выглядеть так:
следовательно:
, а поскольку сопротивления пока нет:
Деление на ноль дает бесконечный ток! Что ж, на практике не бесконечно, но столько тока, сколько может дать батарея. Поскольку мы НЕ хотим, чтобы через светодиод проходил такой большой ток, нам понадобится резистор.Наша схема должна выглядеть так:
Мы можем использовать закон Ома точно так же, чтобы определить значение резистора, которое даст нам желаемое значение тока:
следовательно:
вставляем наши значения:
решение для сопротивления:
Итак, нам нужен резистор номиналом около 500 Ом, чтобы ток через светодиод не превышал максимально допустимый.
500 Ом не является обычным значением для стандартных резисторов, поэтому в этом устройстве вместо него используется резистор 560 Ом.Вот как выглядит наше устройство вместе.
Успех! Мы выбрали номинал резистора, который достаточно высок, чтобы ток через светодиод не превышал его максимального номинала, но достаточно низкий, чтобы ток был достаточным, чтобы светодиод оставался красивым и ярким.
Этот пример светодиода / токоограничивающего резистора является обычным явлением в хобби-электронике. Вам часто придется использовать закон Ома, чтобы изменить величину тока, протекающего по цепи. Другой пример такой реализации — светодиодные платы LilyPad.
При такой настройке вместо того, чтобы выбирать резистор для светодиода, резистор уже встроен в светодиод, поэтому ограничение тока выполняется без необходимости добавлять резистор вручную.
Ограничение тока до или после светодиода?
Чтобы немного усложнить задачу, вы можете разместить токоограничивающий резистор по обе стороны от светодиода, и он будет работать точно так же!
Многие люди, впервые изучающие электронику, борются с идеей, что резистор, ограничивающий ток, может находиться по обе стороны от светодиода, и схема по-прежнему будет работать как обычно.
Представьте себе реку в непрерывной петле, бесконечную, круглую, текущую реку. Если бы мы построили в нем плотину, то перестала бы течь вся река, а не только одна сторона. А теперь представьте, что мы помещаем водяное колесо в реку, которое замедляет течение реки. Неважно, в каком месте круга находится водяное колесо, оно все равно замедлит поток на всей реке .
Это чрезмерное упрощение, поскольку токоограничивающий резистор нельзя размещать где-либо в цепи ; он может быть размещен на с любой стороны светодиода для выполнения своей функции.
Чтобы получить более научный ответ, мы обратимся к закону напряжения Кирхгофа. Именно из-за этого закона резистор, ограничивающий ток, может располагаться по обе стороны светодиода и при этом иметь тот же эффект. Для получения дополнительной информации и некоторых практических задач с использованием KVL посетите этот веб-сайт.
Ресурсы и дальнейшее развитие
Теперь вы должны понять концепции напряжения, тока, сопротивления и их взаимосвязь. Поздравляю! Большинство уравнений и законов для анализа цепей можно вывести непосредственно из закона Ома.Зная этот простой закон, вы понимаете концепцию, лежащую в основе анализа любой электрической цепи!
Эти концепции — лишь верхушка айсберга. Если вы хотите продолжить изучение более сложных приложений закона Ома и проектирования электрических цепей, обязательно ознакомьтесь со следующими руководствами.
Электродвижущая сила и внутреннее сопротивление
Электродвижущая сила (э) или эл.м.ф. это энергия, обеспечиваемая элементом или батареей на один кулон заряда, проходящего через них, она составляет в вольтах (В). Равен разности потенциалов на выводах ячейки, когда ток не течет.
- e = электродвижущая сила в вольтах, В
- E = энергия в джоулях, Дж
- Q = заряд в кулонах, Кл
Батареи и элементы имеют внутреннее сопротивление (r) , что составляет Ом (Вт). Когда электричество течет по цепи, внутреннее сопротивление самого элемента сопротивляется прохождению тока, поэтому тепловая энергия расходуется в самом элементе.
- e = электродвижущая сила в вольтах, В
- I = ток в амперах, А
- R = сопротивление нагрузки в цепи в Ом, Вт
- r = внутреннее сопротивление ячейки в Ом, Вт
Мы можем изменить приведенное выше уравнение;
, а затем на
В этом уравнении ( В, ) появляется разность потенциалов на клеммах , измеренная в вольтах (В). Это разность потенциалов на выводах ячейки, когда в цепи протекает ток, она всегда меньше, чем e.м.ф. ячейки.
Пример;
Q1) p.d. на выводах элемента составляет 3,0 В, когда он не подключен к цепи и не течет ток. Когда ячейка подключена к цепи и течет ток 0,37 А, клемма p.d. падает до 2,8 В. Какое внутреннее сопротивление элемента?
График терминального п.д. против нынешних
Если мы построим график зависимости разности потенциалов на клеммах (V) от тока в цепи (I), мы получим прямую линию с отрицательным градиентом.
Мы можем им переставить э.д.с. уравнение сверху для соответствия общему выражению для прямой линии y = mx + c.
Из красных прямоугольников выше видно;
- пересечение по оси Y равно э.д.с. ячейки
- градиент графика равен -r, где r — внутреннее сопротивление ячейки.
Ток и сопротивление
Электрические цепи с движущимися зарядами — обычное дело в нашем технологическом обществе.Ток, сопротивление и электродвижущая сила — понятия, необходимые для описания этих цепей. Текущий
Ток (I) — это количество заряда за время, которое проходит через область, перпендикулярную потоку:
Ток измеряется в единицах СИ — амперах (А), и
.Это определение тока может применяться к зарядам, движущимся в проводе, в электролитической ячейке или даже в ионизированных газах.
При визуализации заряда, протекающего по цепи, неточно на , чтобы представить электроны, движущиеся очень быстро по цепи. Средняя скорость, или скорость дрейфа ( v b ), отдельных зарядов мала; электроны проводимости в медной проволоке движутся со скоростью 10 –4 м / с. Формула
, где q — заряд электрона, A — площадь поперечного сечения провода, а n — количество электронов проводимости на кубический метр.При такой скорости время прохождения 10 см составляет около 11 минут. Из опыта очевидно, что лампочка загорится быстро после включения выключателя. Когда цепь замыкается, все распределение зарядов почти сразу реагирует на электрическое поле и приводится в движение почти одновременно, даже если отдельные заряды движутся медленно.
Аккумулятор обеспечивает напряжение (В) между своими выводами. Электрическое поле, созданное в проводе, подключенном к клеммам батареи, вызывает протекание тока, которое возникает, когда ток имеет полный проводящий путь от одной клеммы батареи к другой — это называется схемой .По соглашению, направление тока во внешней цепи (не в батарее) — это направление движения положительных зарядов. В металлах электроны являются движущимися зарядами, поэтому определение направления тока противоположно действительному течению отрицательных зарядов в проводе. (Примечание: электрические поля не обнаруживаются в проводниках со статическими зарядами, как показано законом Гаусса, но электрические поля могут существовать в проводнике, когда заряды находятся в движении.)
Разность потенциалов между выводами батареи при отсутствии тока называется электродвижущей силой (ЭДС).Исторический термин ЭДС является неправильным, потому что он измеряется в вольтах, а не в единицах силы, но терминология все еще широко используется.
Сопротивление и удельное сопротивление
Экспериментальным путем было обнаружено, что для проводников ток пропорционален напряжению. Константа пропорциональности — это сопротивление в цепи. Это соотношение называется законом Ома : V = IR . Сопротивление измеряется в омах ( Вт, ): ом равен 1 вольт / 1 ампер.
Сопротивление проводника зависит от его длины (l) , площади поперечного сечения (A) и его удельного сопротивления ( r ). Удельное сопротивление для конкретного проводника можно найти в таблице свойств материалов. Единица измерения удельного сопротивления — ом-метр. Сопротивление току в проводнике возникает из-за того, что потоку движущихся зарядов препятствует материал провода. Интуитивно понятно, что сопротивление должно увеличиваться с увеличением длины провода, быть обратно пропорциональным площади поперечного сечения (меньшее сопротивление для большей площади) и зависеть от материала провода.Отношение между сопротивлением и удельным сопротивлением равно
.Примечание : Резистор — это особый электронный компонент, единственная функция которого — сопротивление току. Сопротивление создается любым препятствующим током, например, лампочкой или нагревательным элементом.
Электроэнергия и энергия
На рисунке 1 показана простая схема батареи с проводами, соединяющими ее с лампочкой. Нить накала в лампе представляет собой сопротивление, показанное в цепи как R рядом с символом сопротивления.Обозначение напряжения батареи — ε. Предположим, что сопротивление в соединительных проводах незначительно, так что лампочка фактически является единственным сопротивлением в цепи. Батарея обеспечивает постоянную разность потенциалов, например, 6 вольт. Когда ток проходит через лампочку, заряды переходят от более высокого потенциала к более низкому с разницей в 6 вольт. Энергия преобразуется в свет и тепло с помощью нити накала лампы.
Рисунок 1
Простая схема с лампочкой в виде резистора R .
Норма расхода энергии составляет мощность , задаваемая любым из трех выражений:
Мощность измеряется в ваттах (Вт):
.