Напряжение ток сопротивление. Напряжение, ток и сопротивление: ключевые понятия электротехники — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как связаны между собой напряжение, ток и сопротивление. Какие основные законы описывают их взаимодействие. Как рассчитать параметры электрической цепи. Что нужно знать об этих величинах.

Содержание

Что такое электрический ток, напряжение и сопротивление

Электрический ток, напряжение и сопротивление — это три ключевых понятия, описывающих работу электрических цепей:

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. Измеряется в амперах (А).
Напряжение — это разность электрических потенциалов, вызывающая движение электрических зарядов. Измеряется в вольтах (В).
Электрическое сопротивление — это свойство материала препятствовать прохождению электрического тока. Измеряется в омах (Ом).

Эти три величины тесно связаны между собой и описываются основными законами электротехники.

Закон Ома — фундаментальный закон электротехники

Закон Ома устанавливает связь между силой тока, напряжением и сопротивлением участка цепи:

I = U / R

где:

I — сила тока в амперах (А)
U — напряжение в вольтах (В)
R — сопротивление в омах (Ом)

Этот закон позволяет рассчитать любую из этих величин, если известны две другие. Например:

R = U / I — сопротивление равно напряжению, деленному на силу тока
U = I * R — напряжение равно силе тока, умноженной на сопротивление

Как напряжение влияет на силу тока

Согласно закону Ома, сила тока прямо пропорциональна напряжению при постоянном сопротивлении. То есть:

При увеличении напряжения сила тока возрастает
При уменьшении напряжения сила тока уменьшается

Например, если напряжение увеличится в 2 раза, то и сила тока также увеличится в 2 раза при неизменном сопротивлении.

Зависимость силы тока от сопротивления

Сопротивление обратно пропорционально силе тока при постоянном напряжении:

При увеличении сопротивления сила тока уменьшается

При уменьшении сопротивления сила тока возрастает

Если сопротивление увеличится в 2 раза, то сила тока уменьшится в 2 раза при неизменном напряжении.

От чего зависит электрическое сопротивление проводника

Сопротивление проводника зависит от следующих факторов:

Длина проводника — чем длиннее, тем больше сопротивление
Площадь поперечного сечения — чем толще проводник, тем меньше сопротивление
Материал проводника — разные вещества имеют разное удельное сопротивление
Температура — с ростом температуры сопротивление металлов увеличивается

Сопротивление проводника рассчитывается по формуле:

R = ρ * l / S

где:

ρ — удельное сопротивление материала
l — длина проводника
S — площадь поперечного сечения

Последовательное и параллельное соединение проводников

При последовательном соединении:

Общее сопротивление равно сумме сопротивлений всех элементов

Сила тока одинакова на всех участках цепи
Общее напряжение равно сумме напряжений на каждом элементе

При параллельном соединении:

Обратная величина общего сопротивления равна сумме обратных величин сопротивлений элементов
Напряжение одинаково на всех параллельных ветвях
Общий ток равен сумме токов в каждой ветви

Законы Кирхгофа для расчета сложных электрических цепей

Для расчета разветвленных электрических цепей применяются два закона Кирхгофа:

Первый закон Кирхгофа: Алгебраическая сумма токов в узле равна нулю.
Второй закон Кирхгофа: Алгебраическая сумма напряжений в любом замкнутом контуре равна нулю.

Эти законы позволяют составить систему уравнений для нахождения токов и напряжений в сложных электрических схемах.

Мощность в электрической цепи

Мощность — это работа, совершаемая электрическим током в единицу времени. Она измеряется в ваттах (Вт) и рассчитывается по формулам:

P = U * I
P = I^2 * R
P = U^2 / R

где P — мощность, U — напряжение, I — сила тока, R — сопротивление.

Практическое применение законов электротехники

Понимание взаимосвязи между током, напряжением и сопротивлением важно для:

Расчета параметров электрических цепей
Выбора проводов нужного сечения
Определения номиналов предохранителей
Расчета мощности электроприборов
Обеспечения электробезопасности

Эти знания необходимы инженерам-электрикам, электромонтажникам и всем, кто работает с электрооборудованием.

Техника безопасности при работе с электричеством

При работе с электрическими цепями важно соблюдать правила безопасности:

Не превышать допустимые значения тока и напряжения
Использовать провода и устройства с соответствующими характеристиками
Применять средства защиты от короткого замыкания и перегрузки
Не работать с электрооборудованием мокрыми руками
При ремонте отключать электропитание

Соблюдение этих правил поможет избежать поражения электрическим током и возникновения пожара.

Заключение

Напряжение, ток и сопротивление — это фундаментальные понятия электротехники, связанные между собой законом Ома. Понимание их взаимосвязи позволяет рассчитывать параметры электрических цепей и грамотно работать с электрооборудованием. Важно помнить об этих величинах и соблюдать правила электробезопасности.

Напряжение, ток и сопротивление в электротехнике

Электрическое напряжение равна разности потенциалов между двумя точками. U=f1-f2. С точки зрения логики, напряжение может быть как положительным, так и отрицательным значением. Единицей измерения является вольт (В).

Содержание

Закон Ома и взаимосвязь между R, I и U

Сначала мы рассмотрим определения основных электрических величин, а затем изучим законы, связывающие эти величины друг с другом с помощью формул и графических зависимостей. Таким образом, эта статья будет развиваться от простого к сложному.

Первое, что следует отметить, это то, что существуют цепи постоянного и переменного тока. Разница между ними заключается в характере протекания электрических величин – в цепях переменного тока ток и напряжение изменяются во времени по определенному закону (например, по синусоиде). В цепях постоянного тока, с другой стороны, значение остается постоянным с течением времени.

В обеих схемах основными величинами являются ток, напряжение и сопротивление.

Электрический ток – Упорядоченное движение заряженных частиц (электронов) по проводнику (проводящей среде) от точки с более высоким потенциалом к точке с более низким потенциалом. Обычно говорят, что в цепях постоянного тока ток течет от плюса к минусу. Измеряется в амперах и обозначается символом “i”.

Электрическое сопротивление Характеризует способность ограничивать величину электрического тока. Оно измеряется в омах и обозначается r. Обратной величиной сопротивления является проводимость. В зависимости от величины сопротивления материалы делятся на: проводники, диэлектрики и изоляторы.

Связь между этими величинами описывается законом Ома:

Величина тока в электрической цепи прямо пропорциональна величине напряжения и обратно пропорциональна сопротивлению. I=U/R – эта формула применима к цепи постоянного тока. Зная две величины, мы всегда найдем третью.

Для переменного тока формула будет иметь вид I=U/Z, где Z – полное сопротивление цепи, которое состоит из активной, емкостной и индуктивной составляющих:

R – активное (омическое) сопротивление
XL – индуктивное сопротивление (характерно для катушек, обмоток, статора TH) – препятствует протеканию тока
XC – Емкость (емкость, встречается в кабелях) – препятствует прохождению напряжения
Z – Реактивное сопротивление (импеданс, импеданс) состоит из двух элементов: активного сопротивления (R) и реактивного сопротивления (X). Реактивное сопротивление (X) уже состоит из индуктивного сопротивления (XL) и емкостного сопротивления (XC).

Взаимосвязь между сопротивлениями можно представить графически в виде правильного треугольника (векторное представление).

В цепях переменного тока значения тока и напряжения изменяются во времени по определенному закону. Например, в соответствии с синусоидой:

В этой формуле I – мгновенное значение тока, Im – амплитудное значение.

Значение амплитуды – это максимальное значение, амплитудное значение, которое принимает величина за данный период. В приведенных выше формулах это значение с подстрочным индексом “m” – максимальный тип.

Немедленно – это значение величины в определенный момент времени. Максимальное из мгновенных значений является амплитудным значением.

Эффективная стоимость – это значение переменного тока, при котором за один период в резисторе выделяется столько же тепла, сколько в цепи постоянного тока. Это те значения, которые показывают наши вольтметры и амперметры. Для синусоидальной волны эффективное значение составляет 0,707 от амплитудного значения. 1/корень(2)=0,707.

В зависимости от преобладания данной характеристики сопротивления, векторы тока и напряжения будут смещены друг относительно друга:

Чисто активное сопротивление – ток и напряжение совпадают по фазе.

Индуктивная составляющая преобладает – поэтому, как написано выше, ток протекает труднее и отстает от напряжения.

Преобладает емкостная составляющая – ток исчезает, напряжение подавляется емкостью.

Цепи переменного тока могут быть однофазными и трехфазными. В трехфазных цепях используются обозначения фаз: фаза А (желтая, U), фаза В (зеленая, V) и фаза С (красная, W). Как недавно сообщил один из железнодорожных порталов: фаза А идет до Минска.

Фазы могут быть соединены друг с другом в различных вариантах: звезда, треугольник, зигзаг и другие более редкие.

Электрическое напряжение:

Основные электрические формулы.

Мощность. Сопротивление. Текущий. Напряжение. Закон Ома.

Ниже приведены некоторые формулировки закона Ома для участка цепи:

Электрическое напряжение:

U = R * I – закон Ома для участка цепи
U = P / I
U = (P*R) 1/2

Электрическая энергия:

P= U* I
P= R* I 2
P = U 2 / R

Электрический ток:

I = U / R
I = P / E
I = (P / R) 1/2

Электрическое сопротивление:

R = U / I
R = U 2 / P
R = P / I 2

НЕ ЗАБЫВАЙТЕ: Законы Кирхгофа и правила Кирхгофа для тока и напряжения.

Цепь синусоидально переменного тока с частотой ω.

Применимость формул: Мы игнорируем зависимость сопротивления от тока и частоты.

Напомним, что любой сигнал можно с любой точностью разложить в ряд Фурье, т. е. предполагая, что параметры сети не зависят от частоты – эта формулировка применима ко всем гармоникам любого сигнала.

Закон Ома для цепей переменного тока:

U=I*Z

Конечно, в случае цепей переменного тока можно говорить и об активной/реактивной мощности.

X_C=-j<1/<C>>.” />

Теоретические основы электротехники – TE. Пособия для студентов.

. ” /> или

Уравнения расположены в соответствии со вторым законом Кирхгофа для контурных токов.
Токи ветвей выражаются в терминах циркулирующих токов в соответствии с первым законом Кирхгофа.
Количество выбираемых контуров и количество решаемых уравнений равно количеству уравнений по второму закону Кирхгофа: .
Сумма сопротивлений всех резистивных элементов каждой цепи со знаком плюс – коэффициент при токе цепи имеет следующие показатели: или

Активная мощность:
Реактивная мощность:

=0;” />

где – резонансная частота напряжения, определяемая из условия

Затем

.
Для противотока:

.

Для мгновенных значений:

Где

При расчетах всегда приводите все значения в одних единицах, например, если вы рассчитываете мощность в ваттах, то соответственно напряжение в вольтах, сопротивление в омах. и т.д.

Сложная мощность обозначается буквой S со знаком многоточия (тильда) над ней.

А теперь электротехнические формулы, которые часто используются для расчетов (дома, на работе), В порядке от простого к очень простому, Для студенческого сообщества я размещу отдельно сложные и очень сложные, а по TEC напишу целую лекцию.

ФОРМЫ ДС

Закон Ома для участка цепи и всей цепи постоянного тока:

Пример расчета сопротивления проводника (Подробнее об удельном сопротивлении проводников см. на стр. 18 и 19.. Концепции и определения):

Мощность в цепи постоянного тока, здесь нет ничего сложного, как и все в постоянном токе, я просто отмечу, что значения тока и напряжения постоянны и равны мгновенным значениям в каждый момент времени, единица мощности (Р) составляет -1 кВт = 1000 ватт:

- В качестве напоминания, длядля любознательных,вы можете например, электрическая энергия может быть, например, преобразована из электрической энергии в механическую энергию и наоборот: 1 кВт/ч = 367000 кгс*м; 1 кВт = 102 кгс*м/с, т.е. на 1 кВт/ч. То есть, вы можете поднять массу 367 кг на высоту 1 км или 102 кг за 1 секунду на расстояние в один метр.
ФОРМУЛЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
В отличие от постоянного тока, особенностью переменного тока является то, что электрический ток изменяет свою величину и направление с течением времени. Элементы этой электрической цепи влияют на амплитуду тока и его фазу. Символ переменного тока в электрооборудовании ̴ ( eng. попеременно текущий и обозначается латинскими буквами AC):
Электромагнитные процессы, происходящие в электрических устройствах, обычно довольно сложны, поэтому приведенные ниже формулы будут скорее учебными, чем практическими, т.е. для студентов и любознательных.
Преобразование (конвертация) мощности (P в W), тока (I в A), сопротивления (R в Ом) и напряжения (U в V) может быть выполнено, как показано ниже, на простом примере (см. рисунок ниже):
Обратите внимание, что если в цепи 220 В есть электродвигатели, трансформаторы и т.д. Обратите внимание, что если в цепи 220 В есть электродвигатели, трансформаторы и т.д. (индуктивные или емкостные нагрузки – реактивные компоненты), то необходимо учитывать следующее cos φ , например:
В цепи 380 В необходимо добавить U √3 (корень из трех равен – 1,73), напр:
для тока: I = P/(√3*U*cos φ), или I = P/(1,73*U*cos φ), для мощности: P = √3*U*I*cos φ.
Продолжение формулы пальцев ног:
См. также продолжение формулы ниже:
перейти на: формула палец ноги 1 краткое содержание страницы – электрический ток (I, ампер), электродвижущая сила (ЭДС, E=A/q=J/Q=V, вольт), электрическое напряжение (U, вольт), электрическая энергия и мощность (Eq, J, джоуль) и ватты (P, W, ватт)….
перейти на: Формула пальцев 2 краткое описание страницы — Пассивные элементы цепи (резистор, индуктор и конденсатор), их основные характеристики и параметры….
Автор этой страницы надеется, что вы найдете полезную информацию, как простую, так и более глубокую, в других разделах сайта. Не забудьте проверить рекламу google, реклама бесплатна для вас и для меня, чтобы развивать сайт, удачи.
Напряжение в параллельной цепи будет везде одинаковым и может быть рассчитано по закону Ома: V = IR (где I – ток, а R – сопротивление).
Полное сопротивление в цепи переменного тока Обычно цепь переменного тока содержит активное сопротивление, емкость и индуктивность. Общее сопротивление (Z) – это векторная сумма всех сопротивлений: активного, емкостного и индуктивного. … – индуктивное сопротивление.
Согласно закону Ома, ток (I) пропорционален напряжению (U) и обратно пропорционален сопротивлению (R), а мощность (P) рассчитывается как произведение напряжения и тока. Из этого рассчитывается ток в сечении проводника: I = P/U.
Значение полезной мощности может быть рассчитано по трем формулам: P = I 2R, P = U2 / r, P = IU, где I – сила тока на данном участке цепи; U – напряжение на клеммной части (зажимах) источника тока, а R – сопротивление нагрузки или внешней цепи.
Формулы для постоянного тока
Постоянный электрический ток не меняет своей величины или направления. Он используется для расчета замкнутого контура, однородной цепи, мощности и других параметров. Поэтому важно знать его формулы и основные законы, связанные с ним.
Основной список формул
Закон Ома для участка однородной цепи
Для того чтобы существовал электрический ток, необходимо поле. Чтобы создать его, нужны потенциалы или разность потенциалов, выраженная в виде напряжения. Ток будет направлен к более низким потенциалам, а электроны начнут свое движение в обратном направлении. В 1826 году Г. Ом провел испытания и пришел к выводу, что чем выше напряжение, тем больше тока проходит через поле.
Внимание! Соседние проводники проводят электричество по-разному. Это означает, что каждый элемент имеет разную проводимость, или электрическое сопротивление.
Следовательно, согласно теореме Ома, ток через участок однородной цепи будет прямо пропорционален напряжению на нем и обратно пропорционален сопротивлению проводника.
закон Ома
Используя формулу I = U / R, где I считается силой тока, U – напряжение, а R – электрическое сопротивление, последнее значение можно найти, если p * l / S, где p – сопротивление проводника, l – длина проводника, а S – площадь поперечного сечения проводника.
Закон Ома для замкнутой цепи с источником тока
Закон Ома также дает формулу для замкнутой цепи. Согласно ему, ток на этом участке от источника тока с внутренним и внешним сопротивлением нагрузки равен делению электродвижущей силы источника на сумму внутреннего и внешнего сопротивлений. Это выглядит следующим образом: I = e / R + r, где I – сила тока, e – ЭДС, R – сопротивление и r – внутреннее сопротивление источника напряжения.
Примечание. В физическом смысле, согласно этому закону, чем выше ЭДС, тем выше источник энергии, тем выше скорость заряда. Чем выше удельное сопротивление, тем меньше величина тока.
Закон Ома для замкнутой цепи
Работа с постоянным током
Энергия, проходя через проводник, упорядоченно перемещается к носителю. Во время движения он совершает работу. Следовательно, работа постоянного тока – это действие поля по перемещению электрических зарядов по проводнику. Она равна произведению I и работы, совершенной напряжением и временем.
Закон Джоуля-Ленца
Когда электрический ток проходит через проводник с сопротивлением, всегда выделяется тепло. Количество тепла, которое выделяется за определенное время, определяется законом Джоуля-Ленца. Согласно формуле, тепловая мощность равна плотности электрической энергии, умноженной на напряжение – w = j * E = oE(2).
Примечание. На практике этот закон влияет на снижение потерь электроэнергии, выбор проводника для электрической цепи, выбор электронагревателя и использование предохранителя для защиты электрической сети.
Закон Джоуля-Ленца
Полная мощность, развиваемая источником тока
Мощность – это работа, выполняемая за одну секунду времени. Электрическая мощность – это физическая величина, характеризующая скорость передачи электрической энергии с преобразованием.
Работа, совершаемая источником электрической энергии в цепи, является полной мощностью. Его можно определить по формуле P = El, где E – ЭДС, а I – значение токовой характеристики.
Обратите внимание! Если нагрузка линейна, то полная мощность равна квадратному корню из квадратов активной и реактивной работы источника. Если нагрузка нелинейная, то она равна квадратному корню из квадратов активной и неактивной работы источника.
Общая мощность
В практических измерениях эта работа выражается в киловаттах в час. Он используется для измерения потребления электроэнергии в бытовых и промышленных условиях и для определения электроэнергии, вырабатываемой электроприборами.
Полезная мощность
Максимальная или полезная мощность – это мощность, которая рассеивается во внешнем разрыве цепи, т.е. когда резистор нагружен. Его можно применить к любой задаче. Аналогичная концепция может быть использована для расчета работы электродвигателя или трансформатора, который может потреблять активные и реактивные компоненты.
Полезная мощность
Полезная мощность может быть рассчитана по трем формулам: P = I 2R, P = U2 / r, P = IU, где I – сила тока на данном участке цепи; U – напряжение на клеммной части (зажимах) источника тока, а R – сопротивление нагрузки или внешней цепи.
Эффективность источника тока
КПД источника тока – это отношение полезной мощности, отдаваемой источником, к полной мощности. Если внутреннее сопротивление источника равно внешнему сопротивлению, то половина результатов всей работы будет теряться в источнике, а другая половина будет выделяться на нагрузку. В этой ситуации КПД составит 50%.
В наиболее понятной форме, когда электрические заряды движутся в замкнутой цепи, источник тока совершает некоторую полезную и общую работу. Выполняя первое из этих действий, он перемещает заряды во внешний контур. Совершая вторую работу, он перемещает заряженные частицы по контуру.
Эффективность источника питания
Обратите внимание! Полезная работа достигается, когда сопротивление внешней цепи будет иметь определенное значение, зависящее от источника и нагрузки. Отношение полезной работы к общей работе выражается формулой: η = A полезно / Apoln = P полезно / Apoln = U/ε = R / (R + r).
Первый закон Кирхгофа
Первый закон Кирхгофа гласит, что сумма токов в любой части цепи равна нулю. Направленный заряд к узлу положителен, а от узла – отрицателен. Алгебраическая сумма токов зарядов, направленных к узлу, равна сумме токов зарядов, направленных от него. Если перевести это правило, то получится следующее определение: сколько тока втекает в узел, столько же вытекает из него. Это правило вытекает из закона сохранения заряженных частиц.
Решая линейные уравнения на основе правила Кирхгофа, можно найти все токи и напряжения для постоянного, переменного и квазистационарного электрических токов.
Обратите внимание! В электротехнике правило Кирхгофа имеет особое значение, поскольку оно повсеместно используется для решения многих задач теории электрических цепей. Его можно использовать для расчета сложных электрических цепей. Используя его, можно получить систему линейных уравнений для токов или напряжений во всех соединенных ветвях цепи.
Первое правило Кирхгофа
Второй закон Кирхгофа
Второе правило Кирхгофа следует из первого и третьего уравнений Максвелла. Согласно ему, алгебраическая сумма напряжений на резистивных элементах замкнутой цепи равна сумме ЭДС, содержащихся в ней. Если на участке нет ЭДС, то сумма падений напряжения равна нулю. Проще говоря, когда цепь полностью шунтирована, потенциал цепи изменяется. Он возвращается к своему первоначальному значению.
Обычным случаем для одного участка цепи является закон Ома. При составлении уравнений напряжения для цепи требуется положительное шунтирование. Для этого следует знать, что при выборе байпаса падение напряжения в ответвлении будет положительным, если направление байпаса в ответвлении совпадает с ранее выбранным. Если они не совпадают, падение напряжения на ответвлении будет отрицательным.
Важно! Второе правило Кирхгофа может быть применено к линейной или нелинейной линеаризованной цепи для любого изменения токов и напряжений.
Второй закон Кирхгофа
В результате, чтобы понять основы физики явлений, электричества, электродинамики и успешно применять знания в жизни, необходимо знать выведенные теоремы, законы, формулы и принципы в области электричества, изложенные выше. Например, представив, как выглядит та или иная формула, можно решить любую задачу из учебника физики или из жизни.

Читайте далее:

Лекции по ТЭ – #27 Явление резонанса в электрических цепях.
1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
Полное сопротивление цепи переменного тока – Основы электроники.
Значение слова ЭЛЕКТРОТЕХНИКАЦИЯ. Что такое ЭЛЕКТРОТЕХНИКА?.
Разветвленные цепи. Правило обхода цепи – Электричество и магнетизм – Киберфорум.
Законы Кирхгофа таковы. Что такое законы Кирхгофа?.
Что такое реактивная мощность и как с ней бороться; Сайт для электриков – статьи, советы, примеры, диаграммы.

Зависимость силы тока от напряжения. Сопротивление

Урок 26. Физика 8 класс (ФГОС)

На этом уроке мы узнаем, какая зависимость существует между силой тока и напряжением на участке цепи. Познакомимся с новой физической величиной — электрическим сопротивлением. Выясним, что принимают за единицу сопротивления проводника. А также попытаемся объяснить, почему вообще проводник обладает сопротивлением.

Конспект урока «Зависимость силы тока от напряжения. Сопротивление»

На прошлых уроках мы с вами познакомились с понятиями «сила электрического тока» и «напряжение». Давайте вспомним, что силой тока называется физическая величина, численно равная электрическому заряду, протекающему через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Напряжение — это физическая величина, характеризующая работоспособность электрического поля.

Таким образом, сила тока и напряжение характеризуют электрический ток и его действия. Значит, сила тока должна каким-то образом зависеть от напряжения. Давайте установим эту зависимость. Для чего воспользуемся установкой, представленной на рисунке.

В качестве потребителя тока в цепи используется резистор — это металлический проводник в виде спирали. Параллельно резистору подключён вольтметр, измеряющий напряжение на этом участке цепи. Остальная часть цепи состоит из источника тока, ключа и амперметра. В качестве источника тока будем использовать устройство, которое позволяет регулировать напряжение на концах проводника.

Будем изменять напряжение на резисторе и следить за соответствующими изменениями силы тока в цепи, а все измерения заносить в таблицу:

Уже из этих данных следует, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на проводнике: I ~ U.

Подключим теперь к источнику тока другую спираль, например, спираль осветительной лампы и повторим опыт.

Как видим, при тех же значениях напряжения, что и в первом случае, мы получили другие значения силы тока. Однако и в этом проводнике

сила тока прямо пропорциональна напряжению.

Наблюдаемую нами зависимость силы тока в проводнике от напряжения между концами этого проводника можно изобразить графически. На таком графике в условно выбранном масштабе по оси абсцисс откладывается напряжение, а по оси ординат — сила тока.

Такой график в физике называют вольт-амперной характеристикой проводника.

Теперь, по результатам проведённых опытов, вычислим отношение напряжения к силе тока для каждого из измерений:

Как видим, оно постоянно для каждого из проводников, но имеет разное значение для разных проводников.

Следовательно, существует физическая величина, характеризующая свойства проводника, по которому течёт электрический ток. Эту величину называют

электрическим сопротивлением проводника или просто сопротивлением. Обозначают сопротивление латинской буквой R.

За единицу сопротивления принимают ом. Она получила своё название в честь немецкого учёного Г. Ома, открывшего основной закон электрической цепи.

1 Ом — это сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В проходит ток силой 1 А.

Это небольшое сопротивление. У спиралей обычных электроламп оно составляет сотни ом, поэтому сопротивление часто выражают в кратных единицах:

Попытаемся теперь объяснить, почему проводник обладает электрическим сопротивлением. Вспомните, что электрический ток в металлах представляет собой направленное движение свободных электронов. Движущиеся под действием электрического поля электроны взаимодействуют с атомами и ионами кристаллической решётки металла. Следовательно,

атомы и ионы препятствуют движению электронов, то есть оказывают сопротивление их движению. Это ведёт к уменьшению скорости направленного движения электронов, а значит, и силы тока в проводнике.

Электрическое сопротивление можно сравнить с трением, которое всегда препятствует движению. Как мы знаем, любое тело быстрее скатится с гладкой поверхности, чем с шершавой.

Подобно этому, электроны в плохом проводнике двигаются медленнее, чем в хорошем. В диэлектриках, электрическое сопротивление бесконечно большое, поэтому они и не проводят ток.

Таким образом, новая величина — сопротивление — отражает противодействие среды движению в ней свободных носителей заряда. В соединительных проводах это противодействие, как правило, незначительно, что позволяет

сопротивлением соединительных проводов при решении большинства задач пренебречь.

Определённым сопротивлением обладают и измерительные приборы. При включении последовательно в цепь амперметра его сопротивление добавляется к полному сопротивлению цепи. Это вызывает нежелательное уменьшение силы тока. Чтобы этого не случилось, сопротивление амперметра должно быть мало́. Идеальным был бы амперметр без сопротивления. Именно таким мы и будем считать сопротивление амперметра в задачах.

Наоборот, добавление вольтметра параллельно некоторому прибору создаёт току ещё один «обходной» путь, что также резко изменяет параметры цепи. Чтобы избежать этих нежелательных последствий, надо применять вольтметры с максимально больши́м сопротивлением.

И ещё об очень важном. При слишком малом сопротивлении цепи сила тока в ней может принять недопустимо большое значение. При замыкании цепи, представленной на рисунке, ток в ней пройдёт, фактически не испытывая сопротивления. Это — короткое замыкание.

В таком режиме могут быть испорчены и прибор, и источник тока, а перегрев проводов может привести к пожару.

Пример решения задачи.

Задача. Когда напряжение увеличили на 3 В, сила тока в цепи возросла вдвое, и ток за 1 с совершил работу 3 Дж. Найдите значения силы тока после увеличения напряжения.

Предыдущий урок 25 Электрическое напряжение. Измерение напряжения

Следующий урок 27 Закон Ома для участка цепи

Получите полный комплект видеоуроков, тестов и презентаций Физика 8 класс (ФГОС)

Чтобы добавить комментарий зарегистрируйтесь или войдите на сайт

Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома

Узнайте все о том, как измерять и манипулировать схемой в вашей электронной конструкции с помощью напряжения, тока, сопротивления и закона Ома.

Чтобы понять истинную сущность электричества, нужно понять, как манипулировать и измерять напряжение, ток и сопротивление. Мы взобрались на самые высокие вершины, чтобы найти правильную аналогию для объяснения природы того, как электричество работает в цепи: наши тела в движении.

Напряжение — все дело в потенциале

Представьте, что вы просыпаетесь утром. Вы лежите в постели, хотите еще несколько часов сна, но пришло время вашей ужасной утренней пробежки. Вы знаете, что это полезно для вас, и вы будете чувствовать себя прекрасно, как только начнете двигаться, но каждое утро вы должны делать выбор. Вы можете либо остаться в постели и поспать немного дольше, либо встать и начать двигаться.

Это сущность напряжения; все дело в разнице потенциалов. У всех нас есть потенциал, и когда дело доходит до бега, потенциал, о котором идет речь, делает выбор: бежать или спать. Если вы не решите бежать сегодня утром, ваш потенциал будет дремать, но если вы это сделаете, то этот потенциал вырвется наружу, заставив вас пробежать много миль и зарядив энергией весь оставшийся день.

Напряжение в электричестве

Как и способность двигаться или нет, напряжение представляет собой запасенную электрическую энергию с потенциалом движения. Именно эта сила напряжения побуждает электроны течь по цепи и заставляет их работать час за часом.

Напряжение повсюду, оно только и ждет, чтобы мы воспользовались его потенциалом. Посмотрите на каждую неиспользуемую розетку в вашем доме. В этих розетках гудит напряжение, готовое работать на вас. Но, как и при выборе бежать, у вас есть выбор, подключаться ли к этому источнику напряжения в вашей розетке. Если оставить его в покое, то напряжение останется там, где оно есть, так и не реализовав весь свой потенциал.

В электрической цепи напряжение измеряется путем нахождения так называемой разности потенциалов между двумя точками с помощью мультиметра. Возьмите 9-вольтовую батарею, например, если вы измерите положительный и отрицательный полюсы, вы получите разность потенциалов 9 вольт (или близкую к этому). Положительный конец измеряет 9 В, а отрицательный конец измеряет 0 В. Минус два числа, и вы получите разность потенциалов.

Вы можете использовать мультиметр для быстрого измерения напряжения или разность потенциалов в аккумуляторе. (Источник изображения)

Напряжение бывает двух видов:

Напряжение постоянного тока (постоянный ток), обеспечивающее постоянный поток отрицательного электричества.
Напряжение переменного тока (переменного тока), которое постоянно переключается с отрицательного на положительное.

Вот символы, которые вы должны искать на схеме для напряжения постоянного тока, напряжения переменного тока и батареи:

Вот некоторые из символов напряжения, на которые следует обратить внимание в вашей следующей схеме — батареи, постоянный и переменный ток.

Отец напряжения — Алессандро Вольта

Человек дня, которому приписывают открытие напряжения – Алессандро Вольта (Источник изображения)

Человек, первым открывший напряжение, был итальянский физик Алессандро Вольта. Он также обнаружил массу других интересных вещей, в том числе:

Открытие того, что при смешивании метана с воздухом можно создать электрическую искру, что положило начало ныне известному двигателю внутреннего сгорания.
Открытие того, что электрический потенциал, хранящийся в конденсаторе, пропорционален его электрическому заряду.
Вольте также приписывают создание первой электрической батареи, называемой вольтовой батареей, которая позволила ученым того времени создать постоянный поток электронов.

Пример вольтовой батареи, впервые созданной Вольтой, которая позволяет ученым создавать постоянный поток электронов. (Источник изображения)

Актуальность – Плывите по течению

Возвращаясь к нашей аналогии с бегом, представьте, что вы приняли решение совершить утреннюю пробежку. На вас надеты кроссовки и шорты для бега, и вы выходите из своей двери, чтобы отправиться в путь. В этот момент у вас есть какое-то движение, когда вы начинаете свой бег, поток.

Может быть, через час вы начнете бегать, готовые пробежать много миль. Когда вы бежите, ваши умные часы точно измеряют, как далеко вы пробежали и как быстро вы двигались. Этот процесс запуска и измерения процесса и есть суть тока.

Ток в электричестве

Подобно тому, как вы делаете шаги для завершения утренней пробежки, ток представляет собой постоянное движение или поток электричества в цепи. Электрический ток, протекающий через вашу цепь, всегда измеряется в амперах или амперах. Но что держит этот поток в движении?

Это напряжение, о котором мы говорили ранее. Точно так же, как вам нужно сказать себе продолжать бежать, как только вы устанете, напряжение является движущей силой тока, которая заставляет его двигаться. Есть две точки зрения на то, как ток течет в цепи; Обычный поток или электронный поток. Давайте посмотрим на оба.

Обычный поток

Обычный поток был первым в период научных открытий, когда люди не понимали, что такое электроны и как они текут в цепи. В рамках этой модели предполагалось, что электричество течет от плюса к минусу.

Обычный поток с электричеством, протекающим от положительной к отрицательной стороне батареи.

Вы все еще увидите, что этот менталитет используется в схемах сегодня, и хотя он не совсем точен, его немного легче понять, чем электронный поток. В конце концов, если мы вернемся к нашей аналогии с бегом, вы начинаете с положительного источника энергии и бежите, пока она не закончится. Это позитивно-негативные отношения, как и многие вещи в жизни.

Электронный поток

Electron Flow был продолжением обычного потока. Эта модель точно изображает электроны как движущиеся в противоположном направлении, от отрицательного к положительному. Поскольку электроны отрицательны по своей природе, они всегда будут вытекать из отрицательного и бесконечно пытаться найти свой путь к положительной, низковольтной стороне источника питания.

И тем больше ток электронов, причем электроны текут так, как они это делают на самом деле, от минуса к плюсу.

Имеет ли значение, каким образом вы отображаете ток, протекающий в цепи? Не совсем. Вы, вероятно, увидите, что это представлено в обоих направлениях, когда вы смотрите на различные схемы. Взгляните на диоды или транзисторы на следующей схеме, которую вы исследуете; все они будут указывать в направлении обычного потока.

Человек, стоящий за током – Андре-Мари Ампер

Андре-Мари Ампер совершил гораздо больше, чем просто открытие Amperes. (Источник изображения)

Ампер был французским физиком и математиком. Он также был одним из основателей науки классического электромагнетизма. Вы можете поблагодарить Ampere за несколько замечательных вещей, в том числе:

Его главное открытие, демонстрирующее, что провод, по которому течет электрический ток, может либо притягивать, либо отталкивать другой провод, по которому также протекает ток, без использования физических магнитов.
Он также был первым, кто выдвинул идею существования частицы, которую мы все широко знаем как электрон.
Он также организовал химические элементы по их свойствам в периодической таблице за полвека до того, как появилась современная современная периодическая таблица.

Сопротивление — это материальный мир

Наша окончательная концепция: Сопротивление. Представьте, что вы стоите спиной на беговой дорожке. По какой поверхности вы бегаете? Если вам повезет, то вы можете путешествовать по мягкой траве или грунтовой дорожке. Или, может быть, вы предпочитаете твердость улицы или тротуара.

Независимо от того, по какому пути вы бежите, ваши ноги встречают некоторое сопротивление, когда вы продолжаете двигаться вперед. Естественно, не все пути сопротивления одинаковы. Бег по грязи оказывает большее сопротивление вашей способности бежать по сравнению с бегом по грунтовой дорожке или улице. Вот что такое сопротивление — тяга и тяга материального мира.

Сопротивление в электричестве

Через какой бы материал ни проходило электричество, оно будет сталкиваться с некоторым трением, препятствующим его движению. Проще говоря, сопротивление замедляет ток. Хотя в электрической цепи есть определенные компоненты, такие как резистор, единственной задачей которого является сопротивление электричеству, любой физический материал будет оказывать некоторое сопротивление.

Сопротивление измеряется в Ом·Ом и имеет прямое отношение к току и напряжению. Например, чем больше у вас сопротивление, тем меньший ток может течь по цепи. Это как с бегом, чем гуще грязь, тем медленнее ты будешь бежать. Обратное также работает: если вы увеличиваете напряжение, чтобы ток двигался быстрее, ваше сопротивление будет меньше влиять на вашу цепь.

Мастер сопротивления — Георг Саймон Ом

Георг Ом – человек, который объединил напряжение, ток и сопротивление в ныне известный закон Ома. (Источник изображения)

Г-н Ом был немецким физиком и математиком, и именно в дни работы школьным учителем он начал свои исследования с использованием новой электрической батареи, изобретенной Вольтой. С помощью своего собственного оборудования Ом обнаружил, что существует прямая зависимость между напряжением, приложенным к проводнику (например, к медному проводу), и результирующим электрическим током. Это стало известно как ныне известный закон Ома, на который мы все полагаемся сегодня.

Интересно отметить, что, когда Ом представил свои открытия в своей первой книге «Математическое исследование гальванической цепи», колледжу, в котором он работал в то время, это было безразлично. Так что же сделал Ом? Он ушел в отставку и получил новую работу в Нюрнбергской политехнической школе. Именно здесь его работа, к счастью, получила заслуженное внимание.

Собираем все вместе с законом Ома

Итак, пришло время собрать все наши концепции воедино. Вот с чем нам предстоит работать:

Напряжение (В) — Сохраненное электричество, которое может двигаться. Когда этот потенциал активирован, напряжение действует как своего рода давление, толкая ток по цепи.
Ток (I) – Поток электричества в цепи. Это можно измерить непосредственно в амперах, и есть две точки зрения на то, как течет ток — обычный поток и электронный поток.
Сопротивление (R) – Сопротивление, с которым сталкивается электричество, просто протекая через какой-либо физический материал. Это измеряется в Омах.

Собирая все это вместе, мы приходим к закону Ома:

В=ИК

В этом уравнении V = напряжение, I = ток и R = сопротивление. Гибкость закона Ома впечатляет, и его можно использовать для нахождения любого из этих трех значений, когда известны только два из них. Давайте рассмотрим пример, чтобы увидеть, как это работает.

Использование треугольника Ома

Ознакомьтесь с треугольником Ома ниже. Он обеспечивает простое визуальное представление того, как вы можете манипулировать законом Ома, чтобы получить нужные вам ответы. Чтобы использовать его, все, что вам нужно сделать, это закрыть букву значения, которое вам нужно выяснить, а оставшиеся буквы покажут вам, как туда добраться.

«Треугольник Ома» — удобный инструмент, позволяющий точно определить, какой именно вариант закона Ома необходимо использовать.

Взгляните на схему ниже. У нас есть батарея 9В, подключенная к светодиоду и резистору. Единственная проблема заключается в том, что нам нужно выяснить, каково значение резистора.

Наша тренировочная схема для ознакомления с законом Ома. Мы можем использовать известные амперы и вольты, чтобы получить значение нашего резистора.

Для этого давайте посмотрим на наш треугольник Ома. Скрывая R, мы видим, что V больше I, или V делится на I. Таким образом, разделив эти два числа, мы получим значение нашего резистора. Подставим эти числа в это уравнение: R = V/I.

Начнем с самого очевидного, напряжение нашей батареи 9 вольт.
Глядя на техническое описание нашего светодиода, мы видим рекомендуемый максимальный ток 16 мА (миллиампер), который преобразуется в 0,016 ампер.
Подставив эти два числа в наше уравнение, мы получим R = 9 В/0,016 А, что равно 473,68. Это означает, что нам нужен резистор на 473 Ом, чтобы наш светодиод включился!

Сопротивление бесполезно

Понять, как работают вместе напряжение, ток и сопротивление, было не так уж сложно, не так ли? Мы надеемся, что в следующий раз, когда вы отправитесь на утреннюю пробежку, у вас появится новый взгляд на электричество. Почувствуйте, как ваши ноги летят по тротуару или грязи, и помните, что это сопротивление. И когда вы проверяете, как далеко вы пробежали, вы наблюдаете ток в движении! И та сила, которая подняла тебя с постели и заставила бежать? Напряжение.

Готовы сделать свой первый круг сегодня? Попробуйте Autodesk Fusion 360 бесплатно!

2.1: Закон Ома – как связаны между собой напряжение, ток и сопротивление

Последнее обновление
Сохранить как PDF

Идентификатор страницы: 684

Тони Р. Купхальдт
Schweitzer Engineering Laboratories через All About Circuits

Напряжение, ток и сопротивление

Электрическая цепь образуется, когда создается проводящий путь, позволяющий свободным электронам непрерывно двигаться. Это непрерывное движение свободных электронов по проводникам цепи называется током , и его часто называют «потоком», точно так же, как течение жидкости через полую трубу.

Сила, побуждающая электроны «течь» по цепи, называется напряжением . Напряжение — это особая мера потенциальной энергии, которая всегда является относительной между двумя точками. Когда мы говорим об определенной величине напряжения, присутствующего в цепи, мы имеем в виду измерение того, сколько потенциальной энергии существует для перемещения электронов из одной конкретной точки этой цепи в другую конкретную точку. Без ссылки на две конкретные точки термин «напряжение» не имеет значения.

Свободные электроны имеют тенденцию двигаться по проводникам с некоторой степенью трения или противодействия движению. Это противодействие движению правильнее назвать сопротивлением . Величина тока в цепи зависит от величины напряжения, доступного для возбуждения электронов, а также величины сопротивления в цепи, препятствующего потоку электронов. Как и напряжение, сопротивление является величиной относительной между двумя точками. По этой причине величины напряжения и сопротивления часто указываются как находящиеся «между» или «поперек» двух точек цепи.

Единицы измерения: вольт, ампер и ом

Чтобы иметь возможность делать осмысленные утверждения об этих величинах в цепях, мы должны уметь описывать их величины таким же образом, как мы могли бы количественно определять массу, температуру, объем, длина или любая другая физическая величина. Для массы мы могли бы использовать единицы «килограмм» или «грамм». Для температуры мы могли бы использовать градусы Фаренгейта или градусы Цельсия. Вот стандартные единицы измерения электрического тока, напряжения и сопротивления:

«Символ», указанный для каждой величины, представляет собой стандартную букву алфавита, используемую для представления этой величины в алгебраическом уравнении. Подобные стандартные буквы распространены в физических и инженерных дисциплинах и признаны во всем мире. «Сокращение единиц измерения» для каждой величины представляет собой алфавитный символ, используемый в качестве сокращенного обозначения для конкретной единицы измерения. И да, этот странно выглядящий символ «подкова» — заглавная греческая буква Ω, просто символ 9.0204 иностранный алфавит (приношу свои извинения греческим читателям).

Каждая единица измерения названа в честь известного экспериментатора в области электричества: ампер в честь француза Андре М. Ампера, вольт в честь итальянца Алессандро Вольта и ом в честь немца Георга Симона Ома.

Математический символ для каждой величины также имеет значение. «R» для сопротивления и «V» для напряжения говорят сами за себя, тогда как «I» для тока кажется немного странным. Считается, что «I» означает «интенсивность» (потока электронов), а другой символ напряжения, «E», означает «электродвижущая сила». Судя по тому исследованию, которое мне удалось провести, есть некоторые разногласия по поводу значения «я». Символы «E» и «V» по большей части взаимозаменяемы, хотя в некоторых текстах «E» резервируется для обозначения напряжения на источнике (например, аккумуляторе или генераторе), а «V» — для обозначения напряжения на чем-либо еще.

Все эти символы обозначаются заглавными буквами, за исключением случаев, когда величина (особенно напряжение или ток) описывается в терминах короткого периода времени (так называемое «мгновенное» значение). Например, напряжение батареи, стабильное в течение длительного периода времени, будет обозначаться заглавной буквой «Е», а пик напряжения удара молнии в тот момент, когда она попадает в линию электропередач, скорее всего, будет быть обозначено строчной буквой «e» (или строчной «v»), чтобы обозначить это значение как значение в один момент времени. Это же соглашение о строчных буквах верно и для текущего: строчная буква «i» представляет ток в некоторый момент времени. Однако большинство измерений постоянного тока (DC), будучи стабильными во времени, будут обозначены заглавными буквами.

Кулон и электрический заряд

Одной из основных единиц электрических измерений, часто изучаемой в начале курсов по электронике, но редко используемой впоследствии, является единица измерения кулона , которая является мерой электрического заряда, пропорциональной количеству электронов. в неуравновешенном состоянии. Один кулон заряда равен 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Символом количества электрического заряда является заглавная буква «Q», а единица измерения кулонов обозначается заглавной буквой «C». Так получилось, что единица потока электронов, ампер, равна 1 кулону электронов, проходящих через данную точку цепи за 1 секунду времени. В этих терминах текущий скорость движения электрического заряда по проводнику.

Как указывалось ранее, напряжение является мерой потенциальной энергии на единицу заряда , доступной для перемещения электронов из одной точки в другую. Прежде чем мы сможем точно определить, что такое «вольт», мы должны понять, как измерить эту величину, которую мы называем «потенциальной энергией». Общей метрической единицей энергии любого вида является джоуля , что равно количеству работы, выполненной силой в 1 ньютон при движении на 1 метр (в том же направлении). В британских подразделениях это чуть меньше 3/4 фунта силы, прилагаемой на расстоянии 1 фута. Проще говоря, требуется около 1 джоуля энергии, чтобы поднять груз массой 3/4 фунта на 1 фут от земли или перетащить что-то на расстояние 1 фут, используя параллельную тяговую силу 3/4 фунта. В этих научных терминах 1 вольт равен 1 джоулю потенциальной электрической энергии на 1 кулон заряда (деленный на). Таким образом, 9вольтовая батарея высвобождает 9 джоулей энергии на каждый кулон электронов, перемещаемых по цепи.

Эти единицы и символы для электрических величин станут очень важными для понимания, когда мы начнем исследовать отношения между ними в цепях.

Уравнение закона Ома

Основное открытие Ома заключалось в том, что количество электрического тока, протекающего через металлический проводник в цепи, прямо пропорционально приложенному к нему напряжению при любой заданной температуре. Ом выразил свое открытие в виде простого уравнения, описывающего взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением:

В этом алгебраическом выражении напряжение (E) равно току (I), умноженному на сопротивление (R). Используя методы алгебры, мы можем преобразовать это уравнение в два варианта, решив для I и для R соответственно:

Анализ простых цепей с помощью закона Ома

Давайте посмотрим, как эти уравнения могут работать, чтобы помочь нам анализировать простые цепи:

В приведенной выше схеме имеется только один источник напряжения (батарея слева) и только один источник сопротивления току (лампа справа). Это позволяет очень легко применять закон Ома. Если нам известны значения любых двух из трех величин (напряжение, ток и сопротивление) в этой цепи, мы можем использовать закон Ома для определения третьей.

В этом первом примере мы рассчитаем величину тока (I) в цепи при заданных значениях напряжения (E) и сопротивления (R):

Какова величина тока (I) в этой цепи ?

В этом втором примере мы рассчитаем величину сопротивления (R) в цепи при заданных значениях напряжения (E) и тока (I):

Какое предлагаемое сопротивление (R) у лампы?

В последнем примере мы рассчитаем величину напряжения, выдаваемого батареей, при заданных значениях тока (I) и сопротивления (R):

Какое напряжение обеспечивает батарея?

Закон Ома — очень простой и полезный инструмент для анализа электрических цепей. Он так часто используется при изучении электричества и электроники, что серьезный студент должен запомнить его. Для тех, кто еще не освоился с алгеброй, есть хитрость, позволяющая запомнить, как решать любую одну величину, зная две другие. Сначала расположите буквы E, I и R в виде треугольника:

Если вы знаете E и I и хотите определить R, просто уберите R с картинки и посмотрите, что осталось:

Если вы знаете E и R и хотите определить I, уберите I и посмотрите, что осталось слева:

Наконец, если вы знаете I и R и хотите определить E, исключите E и посмотрите, что осталось:

В конце концов, чтобы серьезно изучать электричество и электронику, вам придется хорошо знать алгебру. но этот совет может облегчить запоминание ваших первых расчетов. Если вы хорошо разбираетесь в алгебре, все, что вам нужно сделать, это запомнить E=IR и вывести из нее две другие формулы, когда они вам понадобятся!

Обзор

Напряжение измеряется в вольтах , обозначаемых буквами «Е» или «В».
Ток измеряется в амперах , обозначается буквой «I» или «Ω».
Сопротивление измеряется в Ом , обозначается буквой «R» или «А».
Закон Ома: E = IR ; я = Э/Р; Р = Э/И

Эта страница под заголовком 2.1: Закон Ома — Как соотносятся напряжение, ток и сопротивление распространяется в соответствии с лицензией GNU Free Documentation License 1.3 и была создана, изменена и/или курирована Тони Р. Купхалдтом (Все о цепях) через источник контент, отредактированный в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

Наверх

Была ли эта статья полезной?

Тип изделия
Раздел или страница
Автор
Тони Р.