Взаимозависимость характеристик системы в физике принято именовать законом.
В электротехнике таких было открыто несколько и один из главнейших — закон Ома для замкнутой цепи.
В данной статье он и все связанные с ним понятия рассматриваются тщательно.
Закон Ома для замкнутой цепи
Электрическая цепь — это замкнутый контур из проводников и иных токопроводящих частей, по которому движутся свободные заряды, другими словами протекает ток.
Какова причина их движения? Разъяснить его действием электростатического поля нельзя: работа последнего при перемещении заряженной частички по закольцованному контуру, как понятно, равна нулю, а между тем в электросети в момент протекании тока очевидно совершается некая хорошая от нуля работа — выделяется тепло, пылает свет или появляется магнитное поле.
Поэтому, должны быть какие-то другие силы, обуславливающие данное движение. Их именуют посторонними (СС), а компонент электросхемы, в каком они появляются, — источником тока (ИТ либо двухполюсником). СС, преодолевая силы электростатического поля, «растаскивают» минусовые и плюсовые заряды в различные части ИТ (они именуются полюсами), создавая разность потенциалов, и дальше те движутся по сети под действием электростатического поля.
Аналогично подъемник «заряжает» возможной энергией поднимаемый груз, преодолевая силу гравитации, а циркуляционный насос — кинетической энергией частички воды, создавая разность давлений. Электрическую сеть, включающую ИТ, именуют полной либо замкнутой. В противоположность ей, сеть вне двухполюсника именуют наружной.
В различных ИТ посторонние силы создаются следующими методами:
- фотонным. Разность потенциалов появляется при содействии фотонов (из этих частиц состоит свет) с полупроводниковыми материалами. Действующие по такому принципу ИТ именуют солнечными батареями;
- хим. На этом принципе основано действие гальванических частей — батареек и аккумов. Например, хим разделение зарядов появляется при погружении в серную кислоту медного и цинкового электродов. Кислота изымает из каждого металла положительно заряженные ионы, но цинк дает их легче и поэтому воспринимает относительно меди отрицательный заряд. Медный же электрод становится положительным полюсом, и если сейчас соединить его с цинковым электродом проволокой, по ней потечет ток;
- электромагнитным. СС вызываются воздействием на проводник переменного магнитного поля. Изменение его характеристик, другими словами его «переменность», получается из-за движения относительно него проводника: тот совершает обороты в поле или, напротив, магнит крутят вокруг проводника. На этом принципе базирована работа электрогенераторов (в обиходе именуются динамо-машинами).
Появление электротока в проводнике под действием переменного электромагнитного поля, именуется электромагнитной индукцией. Двигая заряды q по сети, СС совершают некоторую работу А. Она, разумеется, пропорциональна величине перемещаемого q, а означает, при хоть какой величине А и Q их соотношение остается константой и может выступать чертой двухполюсника. Ее именуют электродвижущей силой (ЭДС).
Электродвижущая сила источника тока
Математическое выражение ЭДС, обозначенной буковкой Ԑ, записывается так: Ԑ = А/q. Определяют ЭДС в тех же единицах, что и напряжение — в вольтах (В). Из последнего выражения работа СС записывается как А = Ԑ * q. С другой стороны, работа СС, согласно закону сохранения энергии, должна приравниваться действию электрического тока. Последняя состоит в выделении тепла (рассматривается сеть неизменного тока с активным сопротивлением).
Выделяемое тепло, в согласовании с законом Дж.-Ленца, рассчитывается как произведение квадрата силы тока и электросопротивления. Последняя черта присуща как наружной цепи — она обозначается через R, так и ИТ (сопротивление обмоток генератора либо электролита, обозначаемое через r).
Математическая запись вышесказанного:
- теплота, выделяющаяся во наружной сети: Q1 = I 2 * R * t;
- теплота, выделяющаяся в ИТ: Q2 = I 2 * r * t;
- работа СС: А = Ԑ * q = I 2 * R * t + I 2 * r * t.
Силой тока I, как понятно, именуют количество заряда, пересекающее поперечное сечение проводника за единицу времени: I = q / t. Означает, q = I * t, соответственно, Ԑ * q = E * I * t. Тогда получим: А = Е * q = Ԑ * I * t = I 2 * R * t + I 2 * r * t. Сократив обе части равенства на I * t, получим: Ԑ = I * R + I * r. Откуда I = Ԑ / (R + r).
Последнее выражение представляет собой математическую запись закона Ома для замкнутой (полной) электросхемы. Сила тока в сети находится в прямой зависимости от ЭДС его источника и в оборотной – от полного сопротивления. Как ясно из определения, сумму сопротивлений наружной цепи и ИТ (R + r) именуют ее полным сопротивлением.
Таким макаром, закон Ома для участка сети, выражаемый формулой I = U / R, является личным случаем закона для полной цепи, в каком двухполюсник во внимание не берут. Из него следует, что U = I * R. Ворачиваясь к записи Ԑ = I *R + I * r, можно Поменять I * R на U, тогда и получится: Ԑ = U + I * r.
Формула закона Ома для замкнутой цепи
Так как через R обозначалось сопротивление всех внешних проводников, U в данном выражении определяет напряжение на ее концах, другими словами на клеммах ИТ. После переноса слагаемого из одной части равенства в другую, получим: U = Ԑ – I * r.
Напряжение на клеммах двухполюсника находится в зависимости от протекающего в сети тока. Когда электросеть разомкнута и сила тока равна нулю, U = Ԑ. При маленьком замыкании (КЗ), когда ток приобретает очень вероятное значение, U = 0.
Коэффициент полезного деяния
Хоть какое устройство либо механизм сообщенную ему снаружи энергию отчасти расходует на различные утраты, а ее оставшееся количество конвертирует в работу. Она называется полезной (Апол). Отношение полезной работы к общим энергозатратам, гласит об эффективности устройства. Такую характеристику именуют коэффициентом полезного деяния (КПД): КПД = Апол / А.
Коэффициент полезного деяния источника тока
В электротехнике «полезной» именуют работу тока во наружной цепи. В самом ординарном случае (неизменный ток, активное сопротивление) она равна количеству тепловыделения, другими словами: Апол = Qвнеш = I 2 * R * t. Выше было показано, что совокупная работа СС А = I 2 * R * t + I 2 * r * t, поэтому: КПД = Апол / А = I 2 * R * t / (I 2 * R * t + I 2 * r * t) = R / (R + r).
Приведенная формула позволяет найти КПД ИТ. В согласовании с законом сохранения энергии, он не может быть больше единицы. Принято КПД указывать в процентах. Так, при его значении, например равному 0,95, молвят, что КПД составляет 95%.
Источник ЭДС
Выше было показано, что в реальном ИТ, напряжение на клеммах U находится в зависимости от силы тока в электросети. Источник ЭДС — это безупречный, теоретический ресурс напряжения (ИН) с отсутствующим внутренним сопротивлением (r = 0), другими словами напряжение U на его контактах и ЭДС равны. Сила тока тут на это равенство не оказывает влияние.
Безупречный источник напряжения
При КЗ ток становится на теоретическом уровне нескончаемо огромным. По правде, если в выражении закона Ома для полной цепи: I = Ԑ / (R + r) Если полное сопротивление приравнять к нулю, сила тока I добивается бесконечности.
Потому источник ЭДС представляет собой теоретический нескончаемый источник мощности. В действительности схожее нереально, так как при КЗ ток в электросети ограничивается сопротивлением двухполюсника (обмоток генератора либо электролита гальванического элемента).
Реальный ИН представляет собой источник конечной мощности. На схемах его обозначают как безупречный ИН с присоединенным к нему последовательно элементом, подходящим сопротивлению ИТ.
Соединение источников тока
Если 1-го ИТ для работы устройства недостаточно, их устанавливают несколько. Нрав работы таковой группы находится в зависимости от метода соединения отдельных источников.
Есть три варианта:
- последовательное;
- параллельное;
- смешанное.
При последовательном подключении ИТ выстраивают в ряд, соединяя «плюсом» к «минусу». При всем этом заряды проходят по порядку через все источники, воспринимая энергию от каждого из них.
Поэтому, совокупные:
- ЭДС группы равна алгебраической сумме этих черт всех ИТ;
- сопротивления группы двухполюсников равно сумме соответственных характеристик каждого из них.
Если соединены n схожих ИТ с ЭДС, равным Ԑ, и сопротивлением r, то эти характеристики для группы окажутся, соответственно: Ԑ гр = n * E; Rгр = n * r. Тогда закон Ома для замкнутой цепи записывается в таковой форме: I = (n * Ԑ) / (R + n * r).
Последовательное и параллельное соединение источников
Если направление от «минуса» к «плюсу» в источнике совпадает с движением часовой стрелки, то его ЭДС считается положительной. Электродвижущая сила, направленная в обратную сторону, отрицательна.
Если внутреннее сопротивление источников в сопоставлении с R цепи пренебрежимо не достаточно, а нужно прирастить U на внешней сети, ИТ соединяют последовательно.
«Плюсы» ИТ, установленных параллельно, подсоединяются к одному концу системы проводников, а все «минусы» — к другому, при всем этом:
- каждый заряд набирает энергию исключительно в одном ИТ, поэтому ЭДС группы равна одноименному параметру 1-го двухполюсника: Ԑ гр = Ԑ;
- через раздельно взятый ИТ протекает только толика потока, поэтому совокупное внутреннее сопротивление группы ниже внутреннего 1-го элемента в n раз: rгр = r / n. Тут n — число ИТ в группе.
Тут также рассматривается случай с одинаковыми ИТ. Закон Ома для полной цепи воспримет следующую форму: I = Ԑ / (R + (r / n)). Как видно, замена 1-го ИТ группой параллельно присоединенных, приводит к повышению I во наружной сети.
Соответственно, таковой метод подключения используют по мере надобности повысить силу тока в электросети без роста напряжения, и сопротивление внешней сети соизмеримо с аналогичным параметром 1-го двухполюсника.
Видео по теме
Разъяснение закона Ома для замкнутой цепи в видео:
Как видно, закон Ома для замкнутой электросхемы соотносит главные «электрические» характеристики: силу тока, ЭДС источника напряжения и сопротивление. Поэтому его необходимо знать и осознавать хоть какому, кто стремится освоить электротехнику.
Закон ома для замкнутой цепи и для участка цепи
Практическое использование закона Ома.
Формула закона ома для замкнутой цепи. Германский физик Георг Ом был выдающимся ученым. Его имя связано с величайшим открытием, без него нереально представить современную электротехнику и людей, работающих в этой сфере. В технике, непременно, работают и многие другие физические законы, но благодаря закону Ома мы получили возможность вычислить ток, который протекает по проводнику, какую мощность он может создавать. Не этом использование его не ограничивается, применяется он довольно обширно, включая нашу квартиру.
Закон Ома для замкнутой цепи определяет силу тока в сети, от которой питаются все бытовые приборы. Смотрится он таким макаром: I=U/R. Физик Ом является создателем и других базовых законов. Какой-то из них – для полной цепи, где учитывается сопротивление сети и источника питания. В приведенном виде законы эти справедливы для неизменного тока, который с течением времени не меняет направления. Условно его охарактеризовывают минусом и плюсом, а примером можно считать обыденную батарейку.
Закон Ома для замкнутой цепи говорит, что цепь, включающая источник, содержащий внутреннее электросопротивление и нагрузку цепи, имеет силу тока, выражающуюся отношением ЭДС к сопротивлению, которое включает нагрузку и источник.
Идиентично верен этот закон и для переменного тока, но смотрится он в несколько в ином виде. В схожих сетях есть конденсаторы и индукционные катушки, которые уже рассматривались в прошлых публикациях.
В форме закона для переменного тока находится полное сопротивление, включающее емкостное и индуктивное. В этом виде закон применяется для определения сопротивления ЭДС.
Как измерить силу неизменного и переменного тока мы рассматривали ранее.
В почти всех случаях с ним имеют дело только школьники, которые после окончания школы удачно о нем не вспоминают. В схожем виде он не применяется электриком, работающим с проводкой в доме. В главном, нужен он в виде закона Ома для замкнутой цепи, который дает возможность высчитать ЭДС по нагрузке, найти недостатки источника. ЭДС, не подходящая для низкого сопротивления, так как внутреннее превосходит нагрузку, подходит для работы в цепи, имеющей сопротивление, превосходящее во много раз сопротивление источника.
Зависимо от мощности, которую нужно получить при маленьком значении источника питания, получаем наименьшее значение внутреннего сопротивления. По этой причине хорошими источниками неизменного тока являются сейчас хим батареи, невзирая на то, что более прибыльными возможно окажутся солнечные батареи в качестве полупроводниковых источников. Более подходящей является ситуация, в какой на внутреннем сопротивлении наблюдается падение напряжения наименьшее в 10 раз, чем на полезной нагрузке. По другому говоря, беря во внимание мощность нагрузки, нужно подобрать источник, импеданс которого наименьший в 10 раз.
Ом родился в Германии в Эрлангене в 1789, отец его занимался воспитанием без помощи других, так как мама погибла при родах. Это был очень образованный для собственного времени человек и учил отпрыска четким наукам и философии, потом выслал его в гимназию при институте, в каком Георг продолжил учить физику и арифметику. Не доучившись,
Ом занялся преподавательской деятельностью при монастыре. В 1809 он перебрался в Нейенбург и на сто процентов занялся освоением арифметики. В 1811 возвратился к обучению в институте и благополучно окончил его, защитив дипломную работу и став медиком философии. Там же проработал на кафедре арифметики. Уже работая в Кельне учителем арифметики, он опубликовал известные труды по электричеству. Огромное количество проблем не дозволили ученому далее занимать должность. Он уволен в связи с публикацией работ по физике, которые не отвечали принятым учениям. Ом впритирку занимается в этот период незапятанной наукой и делает главные свои открытия.
В 1842 Ом принят в Английское научное общество, в Мюнхене становится доктором физики. Он носил это звание до самой погибели в 1854. Ом похоронен в Мюнхене, где ему поставлен монумент. Омом сейчас именуют величину электрического сопротивления. Самые выдающиеся труды ученого относятся к прохождению тока по проводнику. Более пользующаяся популярностью именуется законом Ома.
Открытия ученого дозволили оценить количественно электрический ток, что перевернуло научный мир: все опыты и теоретические опыты подтвердили правоту Ома и верность его закона, который соответствует законам природы. Все последующие его труды по электричеству относились к нагреву проводов и униполярной проводимости. В 1843 в собственной статье Ом выложил очередной закон, который также получил его имя. Он говорил, что ухо распознает только обыкновенные колебания, и хоть какой тон раскладывается на составные тона, воспринимается ухом в качестве суммы тонов. Современники его не приняли, но через пару лет после погибели ученого, была подтверждена справедливость закона.
