Что происходит с электронами при прохождении через резистор. Как изменяется энергия зарядов в электрической цепи. Какие физические процессы протекают в резисторе при протекании тока. Почему резисторы нагреваются.
Основные принципы протекания тока через резистор
При прохождении электрического тока через резистор происходит ряд важных физических процессов:
- Электроны движутся от отрицательного полюса источника питания к положительному
- Скорость дрейфа электронов остается примерно постоянной
- Электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки материала резистора
- При столкновениях часть кинетической энергии электронов переходит в тепловую энергию резистора
- Электроны теряют потенциальную энергию при прохождении через резистор
Таким образом, хотя количество и скорость электронов практически не меняются, происходит преобразование их энергии.
Изменение энергии электронов в резисторе
Какие изменения энергии происходят с электронами при прохождении через резистор? Можно выделить следующие ключевые моменты:
- Потенциальная энергия электронов уменьшается
- Кинетическая энергия остается примерно постоянной
- Часть энергии электронов переходит в тепловую энергию резистора
При этом важно понимать, что суммарная энергия сохраняется — она лишь переходит из одной формы в другую согласно закону сохранения энергии.
Почему резисторы нагреваются при протекании тока
Нагрев резисторов при прохождении электрического тока объясняется следующими причинами:
- Столкновения электронов с атомами кристаллической решетки
- Преобразование части кинетической энергии электронов в тепловую энергию при столкновениях
- Увеличение амплитуды колебаний атомов решетки из-за передачи им энергии
- Рассеивание выделяющегося тепла в окружающую среду
Чем больше сила тока и сопротивление резистора, тем интенсивнее его нагрев. Это явление описывается законом Джоуля-Ленца.
Закон Ома для участка цепи с резистором
Как связаны напряжение, сила тока и сопротивление в резисторе? Эту зависимость описывает закон Ома для 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 трех величин, если известны две другие. Он лежит в основе расчетов электрических цепей.
Практическое применение резисторов
Где используются резисторы на практике? Основные области применения включают:
- Ограничение силы тока в цепи
- Деление напряжения
- Создание эталонных сопротивлений
- Преобразование тока в напряжение и наоборот
- Температурная компенсация в электронных схемах
- Согласование импедансов в высокочастотных цепях
Резисторы являются одним из базовых компонентов практически любой электронной схемы.
Виды резисторов и их особенности
Какие бывают типы резисторов? Основные разновидности включают:
- Постоянные резисторы — имеют фиксированное сопротивление
- Переменные резисторы — позволяют плавно менять сопротивление
- Подстроечные резисторы — для точной настройки схем
- Терморезисторы — меняют сопротивление при изменении температуры
- Фоторезисторы — реагируют на изменение освещенности
- Варисторы — нелинейные резисторы для защиты от перенапряжений
Выбор типа резистора зависит от конкретной задачи и параметров электрической цепи.
Энергетические процессы в резисторе
Какие энергетические преобразования происходят в резисторе при протекании тока? Можно выделить следующие ключевые моменты:
- Электрическая энергия преобразуется в тепловую
- Мощность тепловыделения равна P = I^2 * R
- Часть энергии рассеивается в окружающую среду
- При больших токах возможен перегрев и выход из строя
Понимание этих процессов важно для правильного выбора и эксплуатации резисторов в электронных устройствах.
Влияние температуры на работу резистора
Как температура влияет на характеристики резистора? Основные эффекты включают:
- Изменение сопротивления из-за температурного коэффициента
- Увеличение шумов при нагреве
- Возможность теплового пробоя при перегреве
- Ускорение процессов старения при высоких температурах
Учет температурных эффектов критически важен при проектировании электронных устройств, особенно работающих в сложных условиях.
Придумываем технологию Powercheck / Хабр
Меня всегда интересовало как устроен и работает индикатор заряда на батарейках Duracell:
А также почему под ним указано, что тестировать нужно при 21°С. Но перед тем как посмотреть на решение, которое используется в батарейках, давайте попробуем прийти к нему самостоятельно.
Как известно, одним из способов проверки заряда батареи служит измерение напряжения на её выводах, и чем оно выше, тем лучше батарея заряжена. Наиболее простым и распространенным способом измерения напряжения является косвенный метод, при котором измеряется ток, протекающий через резистор с известным номиналом.
В этом случае протекающий по резистору R ток будет:
- создавать постоянное электромагнитное поле;
- нагревать резистор.
Первый эффект нам не очень интересен, т.к. нам нужно получить как можно более простое устройство, пусть и с некоторой погрешностью измерений. Но зато он широко используется в аналоговых электромеханических вольтметрах.
Второй эффект более интересен т.к. с его помощью в сочетании с термокраской можно получить нужный нам простой индикатор. Рассмотрим это решение. На изоляционную пленку батареи с внешней стороны наносится полоска яркого цвета, которая будет служить индикатором, и покрывается термокраской, которая будет становится прозрачной по мере нагревания. С внутренней же стороны изоляционной пленки наносится слой токопроводящего материала с определенным сопротивлением. И вроде бы индикатор готов?
Давайте рассмотрим ограничения этого решения и постараемся их решить. Во-первых, резистор на обратной стороне изоляции будет нагреваться равномерно, и соответственно степень заряда можно будет определять только по тому, насколько ярко просматривается индикаторная полоска через термокраску. Можно считать, что когда полоска не просматривается, батарея полностью разряжена, а когда полностью видна то заряд 100%. В этом случае придется наносить образцы цвета для нескольких уровней заряда, с которыми нужно будет сравнивать текущее показание индикатора.
Это может вызывать трудности в считывании промежуточных значений.
А можно ли сделать так, чтобы индикаторная полоска проявлялась не вся сразу, а начиная с какого-либо конца? Тогда определять уровень заряда станет проще, т.к. уровень заряда может, например, соответствовать проценту проявившегося индикатора.
Из закона Джоуля-Ленца для постоянного тока и сопротивления, количество выделившегося тепла в проводнике зависит от значений тока, сопротивления и времени. Т.к. в цепи только одно сопротивление, то по нему протекает один ток. Время включения индикатора определяется пользователем. Из величин, которые можно изменить остается только сопротивление. Что если сделать сопротивление резистора неравномерным? Например, вот так:
Ширина резистора на рисунке определяет, ширину резистора на изоляции. Чем шире участок резистора, тем больше его поперечное сечение, а значит тем меньшее сопротивление он имеет. Схему можно перерисовать в следующем виде:
Где один неравномерный резистор представлен четырьмя последовательно включенными резисторами, такими что R1 > R2 > R3 > R4.
Кроме того, увеличение ширины резистора увеличивает площадь с которой рассеивается тепло т.е. участки с меньшим сопротивлением будут медленнее нагреваться и быстрее остывать.
Таким образом, используя неравномерное сопротивление можно получить индикатор, в котором индикаторная полоса будет проявляться с заданной стороны (со стороны имеющей большее сопротивление) и до заданного уровня (определяется установившимся термобалансом). Примером может служить предыдущая версия индикатора:
Во-вторых, корпус батареи выполнен из металла т.е. имеет определенною теплоемкость и хорошо проводит тепло. Получается, что корпус будет служить неплохим радиатором для нашего индикатора. Значит необходимо поместить теплоизоляцию между индикатором и корпусом, т.к. нагрев всего корпуса батареи до необходимой температуры не самый лучший вариант. Как термоизолирующую прокладку можно использовать бумагу, картон или же воздух. Например, сделать подложку только по периметру индикатора.
В-третьих, в целях экономии заряда, индикатор не может быть постоянно включен.
Значит нужна кнопка его включения. У нас есть металлический корпус батареи и токопроводящий слой резистора, изолированный прокладкой от корпуса. Конструкция очень напоминает мембранную кнопку, остается лишь сделать в изоляции отверстие и кнопка будет готова:
Итого, придуманный нами индикатор состоит из индикаторной полоски, на внешней стороне изоляции батареи, покрытой термокраской. С внутренний стороны нанесен резистор с неравномерным сопротивлением и отделен от корпуса батареи термопрокладкой, с помощью которой сделано подобие мембранной кнопки для включения индикатора. Вот мы и пришли к решению, которое используется в батарейках Duracell, и теперь можно смотреть, как оно в них реализовано:
Теперь понятно требование использования этого индикатора при 21°С. И в завершении, показания индикатора батареи типа AAA в зависимости от протекающего тока:
Ответы на вопросы «Постоянный электрический ток. § 12. Расчет силы тока и напряжения в электрических цепях»
1.
Найдите разность потенциалов на резисторах, сопротивление которых 2 0м и 4 0м, в схеме, изображенной на рисунке 39.[2 В, 8 В]Дано:
Решение:
Найдем полное сопротивление цепи RП (см. рисунок):
1. Найдите разность потенциалов на резисторах, сопротивление которых 2 0м и 4 0м, в схеме, изображенной на рисунке 39.
[2 В, 8 В]Дано:
Решение:
Найдем полное сопротивление цепи RП (см. рисунок):
в 2 раза больше, чем
следовательно по
пойдет вдвое
меньший ток.
Ответ:
2. В вашем распоряжении три резистора: 3 0м, 5 0м и 6 0м. Какие возможные сопротивления можно получить, комбинируя или используя отдельно эти резисторы? Нарисуйте со
Ответствующие схемы соединений. [0,7 Ом; 1,9 Ом; 2,0 Ом; 2,4 Ом; 2,7 Ом; 3 Ом; 3,2 Ом; 3,4 Ом; 5 Ом; 5,7 Ом; 6 Ом; 7 Ом; 7,9 Ом; 8 Ом; 9 Ом; 11 Ом; 14 Ом]Дано:
Найти: все комбинации
Комбинации из 3-х резисторов:
Комбинации из 2-х резисторов:
Комбинации из 1-ого резистора:
3.
Три резистора 40 Ом, 60 Ом и 120 Ом соединены параллельно в группу, которая включена последовательно резисторам сопротивлениями 15 0м и 25 0м. ЭДС источника
240 В. Найдите: 1)силу тока, протекающего через сопротивление 25 0м; 2) разность потенциалов на параллельной группе; 3) напряжение на сопротивлении 15 0м; 4) силу тока через сопротивление 60 Ом; 5) силу тока через сопротивление 40 Ом. [1) 4 А; 2) 80 В; 3) 60 В; 4) 1,34 А; 5) 2 А]Дано
Решение:
R1, R2, R3 соединены параллельно, следовательно
Ответ:
4. Найдите заряд на конденсаторе, включенном в электрическую схему, изображенную на рисунке 40. Все величины, указанные на схеме известны. Внутренним сопротивлением источника тока пренебречь.[q = 3CU/4]
Дано:
Решение:
Найдем эквивалентное сопротивление цепи (см. рисунок) без учета конденсатора:
Обозначим напряжение в точке А как
а в точке
Тогда в
точке С напряжение будет таким же, как и в точке А, а в точке D,
IR/2 — сила тока, который идет через верхний резистор.
)
Заряд на конденсаторе найдем по формуле
Ответ:
5. Рассчитайте разность потенциалов U
ab в электрической схеме, показанной на рисунке 41. Внутренним сопротивлением источника тока пренебречь.[0,05 U]Дано:
Решение:
Решается аналогично предыдущей задаче.
Ответ:
Источник:
Решебник
по
физике
за 11 класс (Касьянов В.А., 2002 год),
задача №12
к главе «Постоянный электрический ток. § 12. Расчет силы тока и напряжения в электрических цепях».
Все задачи
← 5. Источник тока с ЭДС ε и внутренним сопротивлением r замкнут на реостат с переменным сопротивлением R. Постройте графики зависимости I(R) от U(R).
Ответы на вопросы «Постоянный электрический ток. § 13. Измерение силы тока и напряжения» →
Видео с вопросами: Определение заряда, протекающего через точку в цепи
Стенограмма видео
На схеме показана цепь, состоящая из батареи и резистора.
Ток в цепи 50 миллиампер. За 1,5 часа сколько зарядов пройдет мимо точки 𝑃 в цепи?
Итак, у нас есть схема, состоящая из батареи и резистора. Вот аккумулятор. Вот резистор. Нам дан ток в цепи. И нам дали количество времени, в течение которого мы наблюдаем за цепью. Нам нужно узнать количество заряда, протекающего мимо точки 𝑃 в цепи. Итак, первое, что мы можем сделать, это посмотреть на нашу диаграмму, которую нам дали, и заметить, что на самом деле это довольно простая схема.
Например, он не имеет соединений, в которых ток может разделяться. Это всего лишь одна единственная петля. Это означает, что ток в любой точке цепи такой же, как и ток в любой другой точке цепи. Другими словами, ток в точке 𝑃 такой же, как и в любом другом месте цепи. И это значительно упрощает нам задачу, потому что теперь мы просто пытаемся рассчитать количество заряда, протекающего через любую точку цепи, а не только через точку 𝑃.
Итак, нам дали две величины. У нас есть ток в цепи, который мы назовем 𝐼, и время, в течение которого протекает ток.
Мы назовем это 𝑡. Нас просят узнать заряд, который мы назовем 𝑄. Поэтому нам нужно найти отношение, которое связывает воедино текущий 𝐼, время 𝑡 и текущий заряд 𝑄. Чтобы найти эту связь, мы можем вспомнить, что ток — это скорость потока заряда. Другими словами, ток — это количество заряда, протекающего в единицу времени. Мы можем написать это в символах, как 𝐼 равно 𝑄 над 𝑡 или ток равен протекающему заряду, деленному на время, необходимое для протекания этого заряда.
Итак, это отношения, которые мы ищем. Но давайте быстро обсудим единицы измерения каждой из этих величин. Стандартной единицей силы тока является ампер. Для заряда это кулон. И по времени это второе. Это означает, что если у нас есть ток в амперах и время в секундах, то мы узнаем наш заряд в кулонах. Мы всегда должны пытаться дать окончательный ответ в стандартных единицах, если только в вопросе не указано иное. В данном случае нам просто сказали найти заряд. Нам ничего не сказали о подразделениях.
Итак, нам нужно найти заряд в условных единицах.
То есть нам нужно дать наш окончательный ответ в кулонах. Но для этого нам нужен ток в амперах и время в секундах. В настоящее время, ха-ха, в настоящее время у нас этого нет. У нас ток в миллиамперах. И у нас есть время в часах. Итак, нам нужно немного конвертировать. Начнем с текущего. Ну, один миллиампер определяется как одна тысячная часть ампера. Милли что-нибудь — это тысячная часть этой вещи. И поэтому 50 миллиампер — это 50 тысячных ампера.
Мы также можем написать это так. И это упрощает до 0,05 ампер. Итак, возвращаясь к нашему току в левой части экрана, мы можем заменить 50 миллиампер на 0,05 ампер. На этом этапе мы можем перейти к нашему времени. Мы можем перевести часы в секунды. Мы знаем, что в каждом часе 60 минут, а в каждой минуте 60 секунд. Используя эту информацию, мы можем определить, сколько секунд в одном часе. Ну, в одном часе 60 минут, а в каждой минуте 60 секунд. Таким образом, в одном часе 60 раз по 60 секунд. Другими словами, в одном часе 3600 секунд.
Однако время, которое мы наблюдаем за цепью, составляет не один час. Это 1,5 часа. Таким образом, количество секунд в 1,5 часах равно 1,5 умножить на 3600. В итоге получается 5400 секунд. Итак, вернувшись к левой части экрана еще раз, мы можем заменить время на 5400 секунд. На данный момент у нас есть и ток, и время в их стандартных единицах. Итак, мы готовы вычислить заряд, протекающий мимо точки 𝑃 или любой точки цепи в кулонах.
Итак, давайте возьмем наше уравнение и перестроим его так, чтобы мы нашли заряд 𝑄. Для этого мы можем умножить обе части уравнения на время 𝑡. Время сокращается в правой части, оставляя нам 𝑡𝐼 равным 𝑄. Итак, осталось только подставить значения. У нас есть 5400, время в секундах, умноженное на 0,05, то есть ток в амперах, равно 𝑄. И, следовательно, наш окончательный ответ состоит в том, что заряд, протекающий мимо 𝑃 за 1,5 часа при токе в цепи 50 миллиампер, составляет 270 кулонов.
электромагнетизм — когда ток течет через резистор, что он теряет?
$\begingroup$
Все мы знаем, что в последовательной цепи ток одинаков для всех элементов.
Но когда ток течет через резистор, что он теряет?
Ток такой же, потому что не теряет количество зарядов. Моя первая мысль состоит в том, что поток вызван разностью потенциалов. и разница влияет на кинетическую энергию зарядов или на то, как далеко могут течь заряды. Поэтому я и подумал, может быть, эти заряды теряют «скорость».
Однако, поскольку $$ I=\int_AJ\cdot dA $$ $$ J=nq\textbf{v} $$
Если площадь остается неизменной, n и q фиксированы, чтобы ток I оставался постоянным, скорость также не изменится.
Тогда что теряют заряды? Что на самом деле означает потеря энергии?
- электромагнетизм
- энергия
- электрические цепи
- электрический ток
$\endgroup$
Электроны теряют электрическую потенциальную энергию.
Электроны «проталкиваются» по цепи из-за электрического поля, создаваемого источником питания (например, батареей).
Когда электроны движутся по цепи, они теряют потенциальную энергию (во многом подобно тому, как перемещение объекта вниз по поверхности земли приводит к потере потенциальной гравитационной энергии).
Затем электроны получают эту энергию обратно, когда они находятся «внутри» источника питания, поскольку источник питания перемещает электроны против электрического поля, что увеличивает их электрическую потенциальную энергию.
$\endgroup$
2
$\begingroup$
Подвижный заряд, покидающий резистор, имеет меньшую потенциальную энергию, чем при входе.
Напомним, что резистор с ненулевым сквозным током имеет, по закону Ома, ненулевое напряжение на проводнике, т. е. на выводах резистора имеется разность потенциалов.
Говоря об электронах, электроны выходят из клеммы резистора, которая является более положительной. Но из-за отрицательного электрического заряда, переносимого электронами, потенциальная энергия электрона на более положительном полюсе равна меньше , чем потенциальная энергия на другом терминале.
