Законы постоянного тока. Формулы
Определение 4
Постоянный электрический ток создается в замкнутой цепи, где свободные носители заряда проходят по замкнутым траекториям.
Разные точки цепи обладают неизменным по времени электрическим полем, исходя из основных законов постоянного тока. То есть в такой цепи оно ассоциируется с замороженным электростатическим полем. Когда электрический заряд перемещается по замкнутой траектории, то работа сил равняется нулю.
Определение 5
Чтобы постоянный ток имел место на существование, нужно наличие такого устройства в цепи, которое будет создавать и поддерживать разности потенциалов разных участков цепи при помощи работы сил неэлектростатического происхождения. Их называют источниками постоянного тока. Такие силы, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, получили название сторонних сил.
Их природа различна. Гальванические элементы или аккумуляторы обладают сторонними силами, возникающими по причине электрохимических процессов. В генераторах это обстоит по-другому: появление сторонних сил возможно при движении проводников в магнитном поле. Источник тока сравним с насосом, перекачивающим жидкость замкнутой гидравлической системы. Электрические заряды внутри источника под действием сторонних сил движутся против сил электростатического поля. Именно поэтому замкнутая цепь может обладать постоянным током.
Перемещаясь по цепи постоянного тока, электрические заряды сторонних сил действуют на источники тока, то есть совершают работу.
Определение 6
Физическую величину, равную отношению сторонних сил Aст при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника к положительной величине этого заряда, называют электродвижущей силой источника (ЭДС):
ЭДС=δ=Aстq.
Отсюда следует, что ЭДС определяется совершаемой сторонними силами работой при перемещении единичного положительного заряда. ЭДС измеряется в вольтах (В).
Если по замкнутой цепи движется единично положительный разряд, то работа сторонних сил равняется сумме ЭДС, которая действует в данной цепи с работой электростатического поля, имеющего значение .
Определение 7
Цепь с постоянной величиной тока следует разбивать на участки. Если на них отсутствует действие сторонних сил, тогда участки называют однородными, если присутствуют, то неоднородными.
Когда единичный положительный заряд перемещается по определенному участку цепи, то работу совершают кулоновские и сторонние силы. Запись работы электростатических сил равняется разности потенциалов ∆φ12=φ1-φ2 начальной и конечной точек неоднородного участка. Работу сторонних сил приравнивают к электродвижущей данного участка по закону Ома. Тогда полная работа запишется как:
U12=φ1-φ2+δ12.
Величина U12 называется напряжением участка цепи 1-2. Если данный участок однородный, тогда напряжение фиксируется как разность потенциалов:
U12=φ1-φ2.
В 1826 году Г. Ом с помощью эксперимента установил, что сила тока I, текущая по однородному металлическому проводнику (отсутствие действия сторонних сил), пропорциональна напряжению на U концах проводника.
I=1RU или RI=U, где R=const.
Определение 8
R называют электрическим сопротивлением.
Проводник, имеющий электрическое сопротивление, получил название резистора.
Связь между R и I говорит о формулировке законе Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.
Обозначение сопротивления по системе СИ выражается омами (Ом).
Если на участке цепи имеется сопротивление в 1 Ом, тогда при напряжении 1 В во время измерения возникает ток силой 1 А.
Нужна помощь преподавателя?
Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!
Описать задание
Использование закона Ома при параллельном и последовательном соединении
При последовательном соединении элементы цепи подключаются друг за другом последовательно. Так как такая электрическая цепь является неразветвленной, сила тока на каждом ее участке будет одинаковая. Пример последовательного соединения — лампочки в новогодней гирлянде.
При последовательном соединении элементов основные параметры электроцепи рассчитываются следующим образом:
Сила тока по формуле:
\(I=I_1=I_2=I_3\)
Где \(I\) — общая сила тока в электроцепи, \(I_1\) — сила тока первого участка, \(I_2\) — сила тока второго участка, \(I_3\) — сила тока третьего участка.
Напряжение по формуле:
\(U=U_1+U_2+U_3\)
Где \(U\) — общее напряжение, \(U_1\) — напряжение первого участка, \(U_2\) — напряжение второго участка, \(U_3\) — напряжение третьего участка.
Сопротивление согласно формуле:
\(R=R_1+R_2+R_3\)
Где \(R\) — общее сопротивление в цепи, \(R_1\) — сопротивление первого участка, \(R_2\) — сопротивление второго участка, \(R_3\) — сопротивление третьего участка.
Подключая элементы в цепь параллельно, получают разветвленную электрическую цепь. Примером такого соединения является стандартная разводка электричества по квартире, когда в комнате одновременно можно включить несколько предметов бытовой техники и верхнее освещение.
При параллельном соединении элементов основные параметры электроцепи рассчитываются следующим образом:
Сила тока:
\(I=I_1+I_2+I_3\)
Где \(I\) — общая сила тока в электроцепи, \(I_1, I_2, I_3\) — сила тока первого, второго и третьего участков соответственно.
Напряжение:
\(U=U_1=U_2+U_3\)
Где \(U\) — общее напряжение, \(U_1, U_2, U_3\) — напряжение первого, второго и третьего участков соответственно.
Сопротивление:
\(R=\frac{R_1\times R_2\times R_3}{R_1+R_2+R_3}\)
Где \(R\) — общее сопротивление в цепи, \(R_1, R_2, R_3\) — сопротивление первого, второго и третьего участков соответственно.
Действие электродвижущих сил
Электродвижущая сила (ЭДС) является скалярной величиной, характеризующей работу не электрических сил, заставляющих производить разность потенциалов на выходе.
Дополнительная информация. Скалярная величина – это когда она может быть выражена только определённым значением. В отличие от векторной величины, которая определяется не только значением, но и направлением.
Используется ЭДС в генераторах, преобразующих какую либо работу А (джоуль) в электрическую. Для этого могут быть использованы такие виды энергии по их происхождению:
- Механическая индукционная. Вывод ЭДС возникает при пересечении проводником линий магнитного поля;
- Механическая пьезоэлектрическая. Возникновение ЭДС происходит при деформации некоторых веществ;
- Световая энергия. Здесь ЭДС появляется в полупроводниках при действии на них световых лучей;
- Термическая энергия. ЭДС образуется, когда контакты из разнородных проводников находятся под разными температурами;
- Химическая энергия. Возникновение ЭДС происходит вследствие химических реакций.
В зависимости от характера энергии и устройства генератора ЭДС может возникать как переменная, так и постоянная. Переменная может быть как синусоидальная (магнитные индукционные генераторы), так и импульсная (пьезозажигалки). Постоянную ЭДС преобразуют в основном из химической (элементы питания, аккумуляторы), световой (фотоэлементы) энергий и температуры (элементы Пельтье).
Генераторы тока
ЭДС образует на разноименных проводниках разность потенциалов. Если не соединять проводником клеммы, на которых имеется разность потенциалов, то тока в цепи не будет. Следовательно, никакой энергии не будет израсходовано. На клеммах будет оставаться разность потенциалов. Работу для поддержания этой разности совершать не надо.
Если к клеммам с разностью потенциалов подключить проводник с нагрузкой, то через него будет протекать электрический ток, выполняя работу в нагрузке. При этом разность потенциалов на клеммах будет стремиться к 0, что приведёт к падению тока до 0. Для поддержания разности потенциалов стабильной величиной необходимо, чтобы ЭДС получала энергию. Эта энергия затрачивает работу, равную той, которая совершается в нагрузке.
Советуем изучить Особенности приборов для замера емкости аккумулятора
Закон Ома в дифференциальной форме
Сопротивление зависит как от материала, по которому течёт ток, так и от геометрических размеров проводника.
Полезно переписать закон Ома в так называемой дифференциальной форме, в которой зависимость от геометрических размеров исчезает, и тогда закон Ома описывает исключительно электропроводящие свойства материала. Для изотропных материалов имеем:
где:
- — вектор плотности тока,
- — удельная проводимость,
- — вектор напряжённости электрического поля.
Все величины, входящие в это уравнение, являются функциями координат и, в общем случае, времени. Если материал анизотропен, то направления векторов плотности тока и напряжённости могут не совпадать. В этом случае удельная проводимость является тензором ранга (1, 1).
Раздел физики, изучающий течение электрического тока в различных средах, называется электродинамикой сплошных сред.
Трактовка и пределы применимости закона Ома
Закон Ома, в отличие от, например, закона Кулона, является не фундаментальным физическим законом, а лишь эмпирическим соотношением, хорошо описывающим наиболее часто встречаемые на практике типы проводников в приближении небольших частот, плотностей тока и напряжённостей электрического поля, но перестающим соблюдаться в ряде ситуаций.
В классическом приближении закон Ома можно вывести при помощи теории Друде:
J=n⋅e02⋅τm⋅E=σ⋅E.{displaystyle mathbf {J} ={frac {ncdot e_{0}^{2}cdot tau }{m}}cdot mathbf {E} =sigma cdot mathbf {E} .}
Здесь:
- σ{displaystyle sigma } — электрическая удельная проводимость;
- n{displaystyle n} — концентрация электронов;
- e0{displaystyle e_{0}} — элементарный заряд;
- τ{displaystyle tau } — время релаксации по импульсам (время, за которое электрон «забывает» о том, в какую сторону двигался);
- m{displaystyle m} — эффективная масса электрона.
Проводники и элементы, для которых соблюдается закон Ома, называются омическими.
Закон Ома может не соблюдаться:
- При высоких частотах, когда скорость изменения электрического поля настолько велика, что нельзя пренебрегать инерционностью носителей заряда.
- При низких температурах для веществ, обладающих сверхпроводимостью.
- При заметном нагреве проводника проходящим током, в результате чего зависимость напряжения от тока (вольт-амперная характеристика) приобретает нелинейный характер. Классическим примером такого элемента является лампа накаливания.
- При приложении к проводнику или диэлектрику (например, воздуху или изоляционной оболочке) высокого напряжения, вследствие чего возникает пробой.
- В вакуумных и газонаполненных электронных лампах (в том числе люминесцентных).
- В гетерогенных полупроводниках и полупроводниковых приборах, имеющих p-n-переходы, например, в диодах и транзисторах.
- В контактах металл-диэлектрик (вследствие образования пространственного заряда в диэлектрике) .
Источники
- https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%9E%D0%BC%D0%B0
- https://tel-spb.ru/ohm/
- https://toe.1c-umi.ru/lekcii/lekciya_6_-_zakon_oma/
- https://www.axwap.com/kipia/docs/elektrika/zakon-oma.htm
- https://fizi4ka.ru/egje-2018-po-fizike/zakony-postojannogo-toka.html
Принятые единицы измерения
При использовании закона Ома для практических расчетов все математические вычисления выполняются в установленных единицах измерений для всех 3-х величин:
- Сила тока – в амперах (А).
- Напряжение – в вольтах (В/V).
- Сопротивление – в омах (Ом).
Исходные данные и другие параметры, представленные в единицах, должны переводиться в общепринятые значения.
Действие основных единиц и физическое соблюдение закона Ома невозможно в следующих ситуациях:
- Наличие высоких частот, при которых электрическое поле изменяется с большой скоростью.
- Низкотемпературный режим и сверхпроводимость.
- Сильно разогретые спирали ламп накаливания, когда отсутствует линейность напряжения.
- Пробой проводника или диэлектрика, вызванный высоким напряжением.
- Электронные и вакуумные лампы, заполненные газами.
- Полупроводники с р-п-переходами, в том числе, диоды и транзисторы.
Сила тока
Сила тока возникает при наличии частиц со свободными зарядами. Они перемещаются через поперечное сечение проводника из одной точки в другую. Источник питания создает электрическое поле, под действием которого электроны начинают двигаться упорядоченно.
Таким образом, сила тока является количеством электричества, проходящего через определенное сечение за единицу времени. Увеличить этот показатель можно путем увеличения мощности источника тока или изъятия из цепи резистивных элементов.
Международная единица СИ для тока – ампер. Это довольно большая величина, поскольку для человека смертельно опасными считаются всего 0,1 А. В электротехнике малые величины могут выражаться в микро- и миллиамперах.
Кроме того, сила тока может записываться с помощью основной формулы, когда известны значения напряжения и сопротивления. В числом виде она будет гласить следующее:
I = U/R
Сопротивление
Рассматривая закон ома для участка цепи, нельзя забывать о таком понятии, как сопротивление. Данная величина считается основной характеристикой проводника, поскольку именно сопротивление влияет на качество проводимости. Разные материалы проводят ток лучше или хуже. Это объясняется неоднородностью их структуры, различиями в кристаллических решетках. Поэтому в одних случаях электроны движутся с большей скоростью, а в других – с меньшей.
Собственным электрическим сопротивлением обладают все проводники, находящиеся в твердом, жидком, газообразном и плазменном состоянии. У каждого из них своя характеристика, называемая удельным сопротивлением. Данная величина отражает способность каждого материала к сопротивлению. За эталон принимается проводник длиной 1 м с поперечным сечением 1 м².
По закону Ома на участке цепи эта величина определяется: R = U/I.
Напряжение
Напряжение относится к важным характеристикам электрического тока, протекающего в проводнике. С физической точки зрения, это работа электрического поля, которое перемещает заряд на какое-то расстояние. В электротехнике напряжением считается разность потенциалов между двумя точками участка цепи. На практике эта величина служит для определения возможности подключения к сети потребителей электроэнергии, продолжительность их работы в этом состоянии.
В электрической цепи напряжение возникает следующим образом:
- Вначале цепь подключается к источнику тока путем соединения с двумя полюсами. Это может быть генератор или батарея.
- На одном полюсе или клемме – избыточное количество электроном, а на другом – их недостает. Первый условно считается положительным, второй – отрицательным.
- Электрическое поле источника энергии воздействуют на электроны положительного полюса и самого проводника, заставляя их двигаться в сторону отрицательного полюса и притягиваться к нему. Такое притяжение происходит из-за положительного заряда на этом полюсе, поскольку электроны здесь отсутствуют.
- Между обеими клеммами возникает разность потенциалов с определенным значением, что приводит к упорядоченному движению электронов в проводниках и подключенных нагрузках. Постепенно избыток электронов положительного полюса уменьшается, соответственно, снижается и потенциал. Характерным примером служит аккумуляторная батарея. При подключении нагрузки, ее потенциал будет падать, вплоть до полной разрядки. Для восстановления первоначальных свойств, потребуется подзарядка от постороннего источника тока.
При неизменной мощности источника энергии, значение напряжения может быть разным под действием следующих факторов:
- Материал соединительных проводников. У каждого свой вольтамперный график.
- Количество потребителей, подключенных к сети.
- Температура окружающей среды.
- Качество монтажа самой сети.
Постоянный электрический ток. Напряжение
В проводнике, по которому протекает ток, заряды движутся под действием сил электростатического поля. Работу электростатических сил характеризуют разностью потенциалов или напряжением.
Электрическое напряжение – скалярная физическая величина, равная отношению работы по перемещению электрического заряда между двумя точками цепи к величине этого заряда.
Обозначение – ( U ), единица измерения в СИ – вольт (В).
Формула для вычисления:
Напряжение равно разности потенциалов только в том случае, если рассматриваемый участок цепи не содержит источник тока (ЭДС = 0).
Измеряют напряжение вольтметром.
При измерении напряжения вольтметр включают в цепь параллельно с тем прибором, напряжение на котором измеряют, и с соблюдением полярности. Клемму вольтметра со знаком «+» нужно обязательно соединять с проводом, идущим от положительного полюса источника тока. Для того чтобы включение вольтметра не влияло на измерение напряжения, его сопротивление должно быть большим.
Для измерения напряжения больше, чем допустимое для данного вольтметра, используют добавочное сопротивление – резистор, включаемый последовательно с вольтметром.
Величина добавочного сопротивления рассчитывается по формуле:
где ( U ) – напряжение, которое нужно измерить, ( U_В ) – напряжение, на которое рассчитан вольтметр, ( n=frac{U}{U_В} ), ( R_В ) – сопротивление вольтметра.
При этом цена деления прибора увеличивается в ( n ) раз, а точность измерений во столько же раз уменьшается.
