3. Закон Ома | Техническая библиотека lib.qrz.ru
ЭКСПЕРИМЕНТ 3 Закон Ома
Цели
После проведения данного эксперимента Вы сможете рассчитывать и измерять ток, напряжение и сопротивление в электрической схеме для проверки закона Ома.
Необходимые принадлежности
* Цифровой мультиметр
* Макетная панель
* Источник постоянного напряжения
* Резисторы — 1/4 Вт, 5%:
один резистор 470 Ом, один резистор 680 Ом, один резистор 2, 2 кОм, один резистор 4, 7 кОм.
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ
По-видимому, наиболее важным основным принципом в электротехнике является закон Ома. Этот закон отражает связь, которая существует между током, напряжением и сопротивлением в электрической или электронной цепи. Источник напряжения подключается к сопротивлению, что вызывает протекание через него тока. Величина тока определяется величиной приложенного напряжения и величиной сопротивления. Закон Ома утверждает, что на участке цепи ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.
I=V/R
В данном выражении: I — ток в амперах, V — напряжение в вольтах, R — сопротивление в омах. Значение тока можно быстро вычислить использовании калькулятора. Например, какой величины ток протекает через резистор 2, 2 кОм, подключенный к источнику напряжения 6В? Ответ таков:
I = 6 В/2, 2 кОм = 6/2200 = 0, 00273 А
Это значение может быть выражено также в миллиамперах, то есть, 2, 73 мА.
Как Вы знаете, основная формула закона Ома может быть преобразована алгебраически, так что Вы сможете определять или напряжение, или сопротивление. Этими другими формулами являются:
V=IxR
R =V/I
В. Вашей работе с электроникой Вам регулярно придется использовать закон Ома; Даже в самых сложных схемах Вы будете применять это соотношение. Важно, чтобы Вы могли проделывать такие расчеты при любых условиях.
Вычисления в соответствии с законом Ома
Для выполнения расчетов в соответствии с законом Ома Вы должны знать две величины из трех. Величины тока, напряжения и сопротивления
могут быть получены различными способами. Величины сопротивлении резисторов могут определяться по их цветовому коду или фактическим измерением сопротивления резистора. Ток обычно определяется путем измерения. Величину напряжения часто бывает легко определить, поскольку напряжение подается от источника питания, выходное напряжение которого фиксированно и известно. Например, если используется батарейка для карманного фонаря, то Вы знаете, что ее напряжение составляет 1, 5 В. Все батареи элементов имеют стандартные значения выходных напряжений, как и многие источники питания. Если напряжение неизвестно, оно может быть, тем не менее, измерено.
Краткое содержание
В данном эксперименте Вы будете собирать некоторые простые электрические схемы и выполнять электрические измерения, в результате чего Вы сможете проводить расчеты в соответствии с законом Ома. Для конкретной схемы Вы научитесь делать расчет необходимых величин. Затем Вы будете конструировать различные схемы и контролировать их величины путем измерении.
ПРОЦЕДУРА
1. Обратитесь к схеме на рисунке 3-1. При известных значениях напряжения и сопротивления рассчитайте величину протекающего в схеме тока. Запишите Ваше полученное значение в предусмотренное поле.
I = ______мА (вычисленное значение)
Рис. 3-1.
2. Соберите схему, показанную на рисунке 3-1. Используйте источник питания постоянного тока, настроенный таким образом, чтобы его выходное напряжение составляло 9 В. Для измерения тока в данной схеме Вы будете использовать мультиметр. Установите предел измерения мультиметра на соответствующее значение, которое основано на Ваших расчетах в шаге 1. Вставьте красный испытательный вывод в гнездо А мультиметра.
3. После того, как Вы собрали схему, коснитесь черным пробником к отрицательному контакту батареи или источника питания, а красным пробником прикоснитесь к неприсоединенному выводу резистора. Прочитайте показание величины тока на мультиметре. Запишите полученное значение.
I = ________мА (измеренное значение)
4. Сравните Ваше расчетное и измеренное значения. Объясните причину различий, если таковые имеются.
5. Удвойте напряжение питания, указанное на рисунке 3-1. Какое теперь новое напряжение питания схемы?
Напряжение питания = ______ вольт
6. Используя величину нового напряжения питания и прежнее сопротивление резистора, рассчитайте величину нового тока.
/ = ______мА (вычисленное значение)
7. Измерьте новый ток, подсоединяя испытательные выводы мультиметра к схеме, как описано ранее.
I =______мА (измеренное значение)
8. Сравните величины токов в шагах 1 и 6 и в шагах 3 и 7. Как изменилась величина тока, когда изменилось напряжение питания? Согласуется ли такое изменение с законом Ома? Объясните.
9. Демонтируйте схему, показанную на рисунке 3-1, и соберите схему, показанную на рисунке 3-2.
Рис. 3-2.
10. Измерьте величину тока, протекающего в схеме, используя процедуру, описанную ранее. Запишите полученное значение.
I= ________мА (измеренное значение)
1. Используя значение измеренного Вами тока, рассчитайте величину сопротивления резистора, применяя для этого закон Ома. Запишите величину сопротивления.
R = ______Ом (вычисленное значение)
12. Теперь по цветовому коду резистора определите его сопротивление и запишите найденное значение. R = _________Ом (определенное по цветовому коду)
13. Сравните значение сопротивления, вычисленное с использованием величины измеренного тока, с величиной сопротивления, определенной по цветовому коду. Объясните любой отличие.
14. Измените величину сопротивления резистора на 2, 2 кОм в схеме на рисунке 3-2.
15. Рассчитайте величину ожидаемого тока. Запишите значение.
I =_______мА (вычисленное значение)
16. Измерьте величину тока, используя процедуру, которая использовалась Вами в предыдущих шагах.
I =_______мА (измеренное значение)
17. Сравните ток, который Вы измерили в шаге 16, с током, измеренным Вами в шаге 10. Как изменился ток после изменения величины сопротивления резистора? Соответствуют л и полученные Вами результаты закону Ома? Объясните.
18. Используйте источник питания постоянного тока с варьируемым напряжением, который Вы применяли в схеме на рисунке 3-2, и резистор 2, 2 кОм. Изменяйте напряжение от 0 до 12 В шагами (дискретами) по 2 В. Измеряйте ток при каждом установленном напряжении.
19. Повторите шаг 18, используя резистор 4700м. Используя данные в шагах 18 и 19, построите графики тока в зависимости от напряжения на миллиметровой бумаге.
ОБЗОРНЫЕ ВОПРОСЫ
1. К резистору 39 кОм был подключен источник питания с неизвестным напряжением. Вы измерили ток и получили величину 0, 31 мА. Приложенное напряжение должно быть порядка:
а) 12 В,
б) 28 В,
в) 57 В,
г) 126 В.
2. Уменьшение напряжения, приложенного к резистору, приводит к:
а) увеличению тока,
б) уменьшению тока,
в) сохранению той же величины тока,
г) падению величины тока до нуля.
3. Уменьшение сопротивления резистора, соединенного с источником питания, приводит к:
а) увеличению тока,
б) уменьшению тока,
в) сохранению той же величины тока,
г) падению величины тока до нуля.
4. Смотрите Ваш график, полученный в шаге 19. Скорость изменения тока по отношению к изменению напряжения:
а) больше при меньшей величине резистора,
б) больше при большей величине резистора,
в) меньше при меньшей величине резистора,
г) та же при любой величине резистора.
5. Для измерения тока при помощи мультиметра как он должен быть подключен к схеме?
а) встречно,
б) параллельно,
в) последовательно,
г) с изменением полярности испытательных выводов.
lib.qrz.ru
3. И снова Закон Ома! | 3. Электробезопасность | Часть1
3. И снова Закон Ома!
И снова Закон Ома!
Довольно часто нам приходится слышать такие фразы, как “Ударило током” или “Убило током”, и ни какого упоминания о напряжении. Исходя из этого, у вас может сложиться впечатление, что для человека опасен ток, а не напряжение. Какой-то элемент истины здесь имеет место быть. Однако, если напряжение не представляет никакой опасности, то зачем пишутся предупреждающие таблички примерно такого содержания:
По большому счету принцип “опасности тока” верен. Электрический ток вызывает ожоги тканей тела, блокирует мышцы и останавливает сердце, но он не может возникнуть сам по себе. Чтобы создать поток электронов через тело человека, к нему нужно приложить напряжение. При выполнении расчетов мы так же должны учесть сопротивление, которое тело человека оказывает электрическому току.
Если с помощью Закона Ома мы выразим силу тока через известные значения напряжения и сопротивления, то получим следующее уравнение:
Сила тока, проходящего через тело человека прямопропорциональна величине напряжения, приложенного к двум его точкам, и обратнопропрорциональна сопротивлению между этими точками. Очевидно, чем больше величина напряжения, создающего поток электронов, тем легче эти электроны будут проходить через конкретную величину сопротивления. Следовательно, высокое напряжение опасно для жизни, потому что оно создает большой ток, который может травмировать или убить человека. И наоборот, чем большее сопротивление оказывает тело электрическому току, тем медленнее будут течь через него электроны при заданной величине напряжения. Проще говоря, опасность того или иного напряжения зависит от величины сопротивления, оказываемого телом человека потоку электронов.
Сопротивление тела не является фиксированной величиной. Оно изменяется от человека к человеку, и время от времени. На измерении электрического сопротивления между пальцами рук и ног основывается метод определения процентного содержания жира в организме. Разные проценты содержания жира обеспечивают разные сопротивления, и это только одна из величин, влияющая на электрическое сопротивление тела человека. Чтобы метод работал точно, человек за несколько часов до теста должен регулировать потребление жидкости, а это говорит о том, что гидратация является еще одним фактором, влияющим на сопротивление человеческого тела.
Сопротивление так же зависит от того, между какими частями тела мы его будем измерять: между руками, между ногами, между рукой и ногой и т.д. Необходимо учесть и тот фактор, что прекрасными проводниками электричества являются пот, богатый солями и минералами, а также кровь, с ее высоким содержанием проводящих химических элементов. Таким образом, контакт между проводом и потными руками или руками с кровоточащей раной будет обладать гораздо меньшим сопротивлением, чем контакт между проводом и руками с сухой, чистой кожей.
Измеряя сопротивление своего тела чувствительным измерительным прибором, путем сжимания его щупов пальцами рук, я получил значение 1 миллион Ом (1 МОм). При этом прибор показывает меньшее сопротивление, когда я плотно сжимаю щупы, и большее сопротивление – когда я ослабляю пальцы. Руки мои при этом чисты и сухи. Если бы я работал во влажной и грязной производственной среде, то сопротивление между моими руками было бы намного меньше, представляя большую угрозу поражения электрическим током.
Итак, какая же величина тока опасна для человека?. Ответ на этот вопрос зависит от нескольких факторов. Значительное влияние на то, как электрический ток воздействует на человека, оказывает химический состав его тела. Некоторые люди очень чувствительны к току, и поэтому испытывают непроизвольное сокращение мышц даже от разряда статического электричества, который другие люди могут и не почувствовать. Несмотря на эти различия, посредством тестов были выведены примерные значения тока (очень небольшие), которые могут оказать вредное воздействие на организм человека. Все значения в таблице даны в миллиамперах (миллиампер равен 1/1000 ампера):
“Гц” является сокращенным обозначением единицы измерения Герц, которая служит мерой скорости чередования направлений переменного тока. Эта мера иначе известна как частота. Так, заголовок “60 Гц АС” одного из столбцов таблицы означает что все значения этого столбца относятся к переменному току, который чередуется с частотой 60 циклов в секунду (1 цикл равен периоду времени, в течении которого поток электронов сначала движется в одном направлении, а потом в другом). Последняя колонка, с надписью “10 кГц АС”, относится к переменному току, который совершает десять тысяч циклов в секунду.
Следует иметь ввиду, что все вышеприведенные цифры являются приблизительными, поскольку реакция на ток людей с разным химическим составом тела будет различной. Существует предположение, что достаточно пропустить переменный ток величиной в 17 миллиампер через грудь человека, чтобы при определенных условиях вызвать у него аритмию сердца. Большинство данных таблицы, касающихся аритмии сердца, взяты из опытов над животными. И это естественно, ведь никто не будет проводить такие эксперименты на людях, в связи с чем имеющиеся данные весьма приблизительны. Если вас интересует вопрос, почему женщины более восприимчивы к электрическому току чем мужчины, то здесь мы вам не поможем – для нас это тоже загадка.
Теперь давайте предположим, что я взялся сухими и чистыми руками за контакты источника напряжения переменного тока частотой 60 Гц. Какое напряжение должно быть у этого источника, чтобы создать ток величиной 20 миллиампер (при таком токе я не смогу самостоятельно отпустить контакты источника)? Ответ на этот вопрос можно найти в Законе Ома (U = IR):
U = IR
U = (20 мA)(1 МОм)
U = 20,000 вольт, или 20 кВ
Имейте в виду, что это сценарий “лучшего случая” с точки зрения электробезопасности (чистая, сухая кожа), а полученная величина напряжения, с огромной долей вероятности, вызовет оцепенение человека. Гораздо меньшее напряжение потребуется для вызова болевых ощущений. Следует учесть так же и тот момент, что физиологические эффекты воздействия различных токов на разных людей могут значительно отличаться, поэтому наши расчеты являются только приблизительной оценкой действительности.
Если я смочу пальцы своих рук водой, имитируя пот, то сопротивление моего тела между руками составит всего 17000 Ом (17 кОм). Обратите внимание, что в нашем случае с тонкими металлическими щупами измерительного прибора контактирует по одному пальцу каждой руки. Повторно вычислив напряжение, необходимое для получения тока величиной 20 мА, мы получим следующее значение:
U = IR
U = (20 мA)(17 kОм)
U = 340 вольт
В этом случае достаточно напряжения 340 вольт, чтобы создать ток 20 миллиампер через тело человека. Однако, смертельный удар током можно получить и от меньшего напряжения если увеличить площадь контакта, уменьшив тем самым его сопротивление. Примером такого контакта служит кольцо на пальце (золото обернутое вокруг пальца создает превосходный контакт для поражения электрическим током) или большой металлический предмет, такой как труба или ручка инструмента. Сопротивление организма при этом понизится до 1000 Ом (10 кОм), что создаст реальную угрозу поражения низкими значениями напряжения:
U = IR
U = (20 мA)(1 kОм)
U = 20 вольт
Таким образом, чтобы создать ток величиной 20 мА и вызвать оцепенение человека, достаточно напряжения 20 вольт. Ранее мы упомянули предположение, что сила тока 17 мА, пропущенная через грудь человека, при определенных условиях может вызвать аритмию сердца. Так вот, если сопротивление между руками человека будет равно 1 кОм, то для создания этого опасного условия потребуется всего 17 вольт:
U = IR
U = (17 мA)(1 kОм)
U = 17 вольт
В этих расчетах мы показали вам “наихудший” сценарий для напряжения переменного тока частотой 60 Гц и отличной проводимости человеческого тела. Данный пример дает наглядную картину опасности даже небольших значений напряжения.
Понизить сопротивление человеческого тела до 1000 Ом можно не только путем воздействия рассмотренных выше экстремальных факторов (например плотным контактом золотого кольца с пальцем). Оно может уменьшиться при длительном воздействии напряжения (например, когда человек под действием тока не может разжать руку, и только крепче сжимает проводник). Одновременно с уменьшением сопротивления увеличивается сила тока при фиксированном напряжении.
Ниже приведены примерные значения сопротивлений точек контакта человека с различными предметами в различных условиях:
-
Контакт пальца с проводом: от 40 000 Ом до 1 000 000 Ом (сухой палец), от 4 000 Ом до 15 000 Ом (влажный палец).
-
Контакт руки с проводом: от 15 000 Ом до 50 000 Ом (сухая рука), от 3 000 Ом до 5 000 Ом (влажная рука).
-
Контакт руки с металлическими плоскогубцами: от 5 000 Ом до 10 000 Ом (сухая рука), от 1 000 Ом до 3 000 Ом (влажная рука).
-
Контакт с ладонью: от 3 000 Ом до 8 000 Ом (сухая ладонь), от 1 000 Ом до 2 000 Ом (влажная ладонь).
-
Контакт (обхват) одной руки с 1,5-дюймовой металлической трубой: от 1 000 Ом до 3 000 Ом (сухая рука), от 500 Ом до 1 500 Ом (влажная рука).
-
Контакт (обхват) двух рук с 1,5-дюймовой металлической трубой: от 500 Ом до 1 500 Ом (сухие руки), от 250 Ом до 750 Ом (влажные руки).
-
Контакт руки, погруженной в проводящую жидкость, с этой жидкостью: от 200 Ом до 500 Ом.
-
Контакт ноги, погруженной в проводящую жидкость, с этой жидкостью: от 100 Ом до 300 Ом.
Обратите внимание на значения сопротивлений в двух случаях с 1,5-дюймовой металлической трубой. Если трубу обхватить двумя руками, то сопротивление будет ровно в два раза меньше, чем при обхвате этой же трубы одной рукой.
Две руки, сжимающие металлическую трубу, увеличивают площадь контакта в два раза по сравнению с одной рукой. Это очень важное обстоятельство: электрическое сопротивление между любыми контактирующими объектами уменьшается с увеличением площади контакта при прочих равных условиях. В этом случае электроны текут из трубы в тело (или наоборот) по двум параллельным маршрутам.
Как вы увидите позже, общее сопротивление параллельной цепи всегда меньше (или равно) любого из сопротивлений этой цепи.
В промышленности пороговым значением опасного напряжения считается, как правило, напряжение величиной 30 вольт. Осторожный человек должен рассматривать любое напряжение, превышающее это значение, как опасное. Работая с электричеством он должен содержать свои руки чистыми и сухими, а так же снять все металлические украшения, которые представляют опасность и при более низких значениях напряжения. Такие украшения, выступая в качестве контактов между двумя точками цепи, способны провести достаточный ток, чтобы сжечь кожу.
Опасными могут быть и напряжения менее 30 вольт, если они достаточны чтобы вызвать неприятные ощущения, в результате которых человек может совершить резкое движение и вступить в контакт с другим, более высоким напряжением или иным источником повышенной опасности. Автор статьи вспоминает, как однажды он ремонтировал свой автомобиль в жаркий летний день. По причине теплой погоды он был в шортах, и работая с аккумуляторной батареей прислонился оголенной частью ног к хромированному бамперу машины. Когда он коснулся металлическим ключом положительного контакта 12-вольтовой батареи, то почувствовал покалывание в точке контакта ноги с бампером. Таким образом, надежный контакт с металлом и потная кожа позволили почувствовать удар током от электрического потенциала значением всего-лишь 12 вольт.
К счастью, в этом случае ничего плохого не случилось. Но, если бы двигатель автомобиля был запущен, и воздействие тока почувствовала рука а не нога, то автор, возможно, рефлексивно дернул бы ее в сторону вращающегося вентилятора или уронил бы ключ на клеммы аккумулятора (вызвав тем самым короткое замыкание и сноп искр). Этот пример иллюстрирует еще один важный урок электробезопасности – электрический ток может послужить косвенной причиной травмирования.
Очень важное значение имеет путь, по которому ток течет через тело человека. Благодаря тому, что электрический ток оказывает влияние на все мышцы организма находящиеся на его пути, в том числе и на такие жизненно-важные, как сердце и легкие, наиболее опасным будет такой ток, который проходит через грудь человека. Это сценарий возможен в том случае, если человек соприкоснется с источником напряжения двумя руками.
В целях недопущения такого сценария, при работе со схемой (находящейся под напряжением) желательно использовать только одну руку, засунув вторую при этом в карман (чтобы случайно ничего ей не тронуть). Конечно, безопаснее было бы работать с обесточенной схемой, но на практике это не всегда возможно. Если схема находится под напряжением, то работать с ней предпочтительнее правой рукой. А почему правой, спросите вы. Во-первых, если человек правша (каких большинство), то ему удобнее будет работать именно этой рукой, а во-вторых – сердце расположено в левой части грудной клетки.
Лучшей защитой от удара электрическим током является сопротивление, которое может быть добавлено к телу при помощи изолированных инструментов, перчаток, сапог и других приспособлений. Как вы уже знаете, ток в цепи равен напряжению деленному на общее сопротивление потоку электронов. Наибольший эффект сопротивления будут иметь при расположении их таким образом, чтобы создать только один путь для потока электронов (подробнее на этом мы остановимся в последующих статьях):
Ниже представлена эквивалентная схема человека, экипированного перчатками и сапогами:
В этом случае суммарное (общее) сопротивление сапог, тела и перчаток потоку электронов будет больше, чем сопротивление каждого из компонентов по отдельности.
Безопасность является одной из причин, по которой электрические провода покрываются пластмассовой или резиновой изоляцией, которая значительно увеличивает сопротивление между проводником и прикоснувшемуся к нему человеком. Однако покрывать изоляцией высоковольтные провода линий электропередач слишком дорого, поэтому безопасность в этом случае достигается путем подвешивания их на столбы высоко над землей.
Краткий обзор:
-
Электрический ток оказывает вредное воздействие на организм человека. Чем больше напряжение, тем больший и опасный ток оно производит. Уменьшить силу тока может сопротивление. Высокое сопротивление является хорошей защитой от удара электрическим током.
-
Напряжение величиной выше 30 вольт способно создать опасный ток.
-
Не нужно надевать металлические украшения при работе с электрическими схемами. Кольца, ремешки часов, ожерелья, браслеты и другие подобные вещи обеспечивают отличный электрический контакт с телом человека и способны провести достаточный ток, чтобы вызвать ожог кожи даже при низких напряжениях.
-
Опасность несет и такое низкое напряжение, которое непосредственно не может поразить человека. Его может быть достаточно, чтобы человек отдернул руку и вступил в контакт с другим, находящимся вблизи источником опасности.
-
В целях предотвращения прохождения опасного тока через грудь человека, работать с запитанной схемой необходимо одной рукой (по возможности – правой).
www.radiomexanik.spb.ru
Закон Ома для полной цепи
Закон Ома для полной цепи – эмпирический (полученный из эксперимента) закон, который устанавливает связь между силой тока, электродвижущей силой (ЭДС) и внешним и внутренним сопротивлением в цепи.
При проведении реальных исследований электрических характеристик цепей с постоянным током необходимо учитывать сопротивление самого источника тока. Таким образом в физике осуществляется переход от идеального источника тока к реальному источнику тока, у которого есть свое сопротивление (см. рис. 1).
Рис. 1. Изображение идеального и реального источников тока
Рассмотрение источника тока с собственным сопротивлением обязывает использовать закон Ома для полной цепи.
Сформулируем закона Ома для полной цепи так (см. рис. 2): сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи, где под полным сопротивлением понимается сумма внешних и внутренних сопротивлений.
Рис. 2. Схема закона Ома для полной цепи.
Формула закона Ома для полной цепи
- R – внешнее сопротивление [Ом];
- r – сопротивление источника ЭДС (внутреннее) [Ом];
- I – сила тока [А];
- ε– ЭДС источника тока [В].
Рассмотрим некоторые задачи на данную тему. Задачи на закон Ома для полной цепи, как правило, дают ученикам 10 класса, чтобы они могли лучше усвоить указанную тему.
I. Определите силу тока в цепи с лампочкой, сопротивлением 2,4 Ом и источником тока, ЭДС которого равно 10 В, а внутреннее сопротивление 0,1 Ом.
По определению закона Ома для полной цепи, сила тока равна:
II. Определить внутреннее сопротивление источника тока с ЭДС 52 В. Если известно, что при подключении этого источника тока к цепи с сопротивлением 10 Ом амперметр показывает значение 5 А.
Запишем закон Ома для полной цепи и выразим из него внутреннее сопротивление:
III. Однажды школьник спросил у учителя по физике: «Почему батарейка садится?» Как грамотно ответить на данный вопрос?
Мы уже знаем, что реальный источник обладает собственным сопротивлением, которое обусловлено либо сопротивлением растворов электролитов для гальванических элементов и аккумуляторов, либо сопротивлением проводников для генераторов. Согласно закону Ома для полной цепи:
следовательно, ток в цепи может уменьшаться либо из-за уменьшения ЭДС, либо из-за повышения внутреннего сопротивления. Значение ЭДС у аккумулятора почти постоянный. Следовательно, ток в цепи понижается за счет повышения внутреннего сопротивления. Итак, «батарейка» садится, так как её внутреннее сопротивление увеличивается.
zakon-oma.ru
Закон Ома | Закон Ома для участка цепи, формула
Как говорится в среде радиолюбителей: “Если не знаешь закон Ома, то сиди-ка лучше дома”.
Закон Ома с точки зрения гидравлики
Как вы уже знаете, электрический ток имеет аналогию с гидравликой. Напряжение – это уровень воды в башне. Сопротивление – это труба или шланг. Сила тока – это объем воды за какой-то период времени.
Теперь давайте рассмотрим такой случай. Пусть вместо башни у нас будет сосуд с водой, в котором пробиты три одинаковых отверстия на разной высоте сосуда. Так как сосуд у нас наполнен водой, следовательно, на дне сосуда давление будет больше, чем на его поверхности.
Как вы видите, нижняя струя, которая находится ближе ко дну, стреляет дальше, чем средняя струя. А средняя струя стреляет дальше, чем верхняя. Заметьте, что отверстия у нас везде одинакового диаметра. То есть можно сказать, что сопротивление каждого отверстия воде одинаково. За одинаковое время, объем воды, вытекаемый с самого нижнего отверстия намного больше, чем объем воды, вытекаемый со среднего и самого верхнего отверстия. А что у нас такое объем воды за какое-то время? Да это же сила тока!
Итак, какую закономерность мы тут видим? Учитывая, что сопротивление везде одинаковое, получается что с увеличением напряжения увеличивается и сила тока!
Опыт №1
Думаю, у каждого из вас есть садовый участок. Где-то недалеко от вас всегда есть водонапорная башня
Для чего нужна водонапорная башня? Для контроля уровня расхода воды, а также для создания давления в трубах, иначе как вы будете поливать свои огурцы? Вы никогда не замечали, что башню возводят где-нибудь на возвышенности? Для чего это делается? Как раз для того, чтобы создать давление.
Предположим, что ваш садовый участок находится выше, чем верхушка водобашни. Что произойдет в этом случае? Вода просто-напросто не дойдет до вас! Физика… закон сообщающихся сосудов.
У всех на кухне и в ванной есть краник. После очередного трудового дня вы решили помыть руки. Для этого вы на полную катушку включаете воду, и она начинает течь бурным потоком из краника:
Но вас не устраивает такой поток воды, поэтому, покрутив ручку крана, вы уменьшаете поток воды на минимум:
Что только что сейчас произошло?
Поменяв сопротивление потоку с помощью ручки краника, вы добились того, что этот поток воды стал течь очень слабо.
Давайте же проведем аналогию этой ситуации с электрическим током. Итак, что имеем? Напряжение потока мы не меняли. Где-то там вдалеке стоит водобашня и создает давление в трубах. Мы ведь не имеем права трогать водобашню, а тем более ее сносить). Поэтому уровень воды в башне все время полный, так как насос все время подкачивает воду до максимального уровня. Следовательно, напряжение у нас постоянное и не меняется.
Закрутив обратно ручку краника, мы только что поменяли сопротивление трубы, из которой сделан краник. В данном случае мы увеличили сопротивление потоку воды. А что у нас получилось с потоком водички? Она стала бежать медленнее! То есть, можно сказать, что количество молекул воды за какое-то время при полностью открытом и полузакрытом кранике получилось разное. Ну-ка, вспоминаем, что такое сила тока 😉 Кто забыл, напомню – это количество электронов протекающих через поперечное сечение проводника за какой-то период времени. И что у нас стало с этой силой тока? Она уменьшилась!
Делаем вывод:
При увеличении сопротивления, сила тока, проходящая через это сопротивление, уменьшается.
Опыт N2
Итак. Имеем вот такую схему водоснабжения:
Теперь представьте, что вы поливаете огород и вам надо наполнить бочку с водой из шланга за 10 минут. Ни секундой раньше и не позже! У вас в огороде поток воды бежит примерно вот так:
Допустим, с водобашни у нас идет простой резиновый шланг. Сосед случайно припарковал свой автомобиль прямо на шланге и чуть-чуть придавил его
У вас поток воды стал убывать. Идти ругаться с соседом? Он уже ушел по делам, а бочку за 10 минут наполнить не успеете. Потребуется больше времени. Как же быть? А почему бы нам не открыть краник перед водобашней чуток побольше? А это хорошая идея! Открываем краник на полную катушку и добиваемся, чтобы уровень воды в башне стал еще больше, чем был до этого (хотя в башнях стоят защиты от переполнения какого-либо максимального уровня, но для примера упустим этот момент).
Итак, что у нас получается? Сосед придавил шланг, значит увеличил сопротивление. Поэтому сила тока у нас стала меньше. Чтобы восстановить силу тока, мы для этого увеличивали напряжение, то есть уровень воды в башне.
Вывод: при увеличении напряжения увеличивается и сила тока.
Опыт №3
Но беда не приходит одна. На башне сломалось реле контроля водонасоса! Насос качает воду и не отключается! Башня переполняется и поток воды из шланга с каждой секундой становиться все больше и больше! Что же делать? Мы же переполним нашу бочку за отведенное нам время! Спокойствие, только спокойствие… Выход есть! Для этого бежим и чуток перекрываем краник , добиваясь того, чтобы поток воды из шланга тек также, как и раньше 😉
В этом случае уровень воды (напряжение) на водобашне стал увеличиваться из-за того, что насос не отключался и все время качал воду. Поэтому, поток воды (сила тока) у нас тоже стала расти. Чтобы выровнять силу тока, мы увеличили сопротивление краника ;-), тем самым привели в норму уровень воды в водобашне (напряжение) до приемлемого уровня.
Формула Закона Ома
Ну как, увидели закономерность из всего вышеописанного? А вот немецкий физик Георг Ом с помощью простых опытов нашел все-таки связь между этими тремя величинами и с тех пор этот закон носит его имя:
где
I – это сила тока, выражается в Амперах (А)
U – напряжение, выражается в Вольтах (В)
R – сопротивление, выражается в Омах (Ом)
Заключение
Закон Ома является самым главным законом в электронике. Абсолютно вся теория цепей построена именно на законе Ома. Поэтому, чтобы научиться читать электрические схемы, вам очень важно знать, как связаны напряжение, сила тока и сопротивление на участке цепи. В этой статье мы с вами разобрали закон Ома для участка цепи, но есть еще закон Ома для полной цепи, о котором можно прочитать в этой статье.
Более подробно про закон Ома для участка цепи вы можете также прочитать в этой статье.
www.ruselectronic.com
Закон Ома для замкнутой цепи
Закон Ома для замкнутой цепи показывает – значение тока в реальной цепи зависит не только от сопротивления нагрузки, но и от сопротивления источника.
Формулировка закона Ома для замкнутой цепи звучит следующим образом: величина тока в замкнутой цепи, состоящей из источника тока, обладающего внутренним и внешним нагрузочным сопротивлениями, равна отношению электродвижущей силы источника к сумме внутреннего и внешнего сопротивлений.
Впервые зависимость тока от сопротивлений была экспериментально установлена и описана Георгом Омом в 1826 году.
Формула закона Ома для замкнутой цепи записывается в следующем виде:
где:
- I [А] – сила тока в цепи,
- ε [В] – ЭДС источника напряжения,
- R [Ом] – сопротивление всех внешних элементов цепи,
- r [Ом] – внутреннее сопротивление источника напряжения
Физический смысл закона
Потребители электрического тока вместе с источником тока образуют замкнутую электрическую цепь. Ток, проходящий через потребитель, проходит и через источник тока, а значит, току кроме сопротивления проводника оказывается сопротивление самого источника. Таким образом, общее сопротивление замкнутой цепи будет складываться из сопротивления потребителя и сопротивления источника.
Физический смысл зависимости тока от ЭДС источника и сопротивления цепи заключается в том, что чем больше ЭДС, тем больше энергия носителей зарядов, а значит больше скорость их упорядоченного движения. При увеличении сопротивления цепи энергия и скорость движения носителей зарядов, следовательно, и величина тока уменьшаются.
Зависимость можно показать на опыте. Рассмотрим цепь, состоящую из источника, реостата и амперметра. После включения в цепи идет ток, наблюдаемый по амперметру, двигая ползунок реостата, увидим, что при изменении внешнего сопротивления ток будет меняться.
Примеры задач на применение закона Ома для замкнутой цепи
К источнику ЭДС 10 В и внутренним сопротивлением 1 Ом подключен реостат, сопротивление которого 4 Ом. Найти силу тока в цепи и напряжение на зажимах источника.
| Дано: | Решение: |
|---|---|
|
|
При подключении к батарее гальванических элементов резистора сопротивлением 20 Ом сила тока в цепи была 1 А, а при подключении резистора сопротивлением 10 Ом сила тока стала 1,5 А. Найти ЭДС и внутреннее сопротивление батареи.
| Дано: | Решение: |
|---|---|
|
|
zakon-oma.ru
Закон Ома для переменного тока
После открытия в 1831 году Фарадеем электромагнитной индукции, появились первые генераторы постоянного, а после и переменного тока. Преимущество последних заключается в том, что переменный ток передается потребителю с меньшими потерями.
При увеличении напряжения в цепи, ток будет увеличиваться аналогично случаю с постоянным током. Но в цепи переменного тока сопротивление оказывается катушкой индуктивности и конденсатор. Основываясь на этом, запишем закон Ома для переменного тока: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.
где- I [А] – сила тока,
- U [В] – напряжение,
- Z [Ом] – полное сопротивление цепи.
Полное сопротивление цепи
В общем случае полное сопротивление цепи переменного тока (рис. 1) состоит из активного (R [Ом]), индуктивного, и емкостного сопротивлений. Иными словами, ток в цепи переменного тока зависит не только от активного омического сопротивления, но и от величины емкости (C [Ф]) и индуктивности (L [Гн]). Полное сопротивление цепи переменного тока можно вычислить по формуле:
где- – индуктивное сопротивление, оказываемое переменному току, обусловленное индуктивностью электрической цепи, создается катушкой.
- – емкостное сопротивление, создается конденсатором.
Полное сопротивление цепи переменного тока можно изобразить графически как гипотенузу прямоугольного треугольника, у которого катетами являются активное и индуктивное сопротивления.
Рис.1. Треугольник сопротивлений
Учитывая последние равенства, запишем формулу закона Ома для переменного тока:
– амплитудное значение силы тока.Рис.2. Последовательная электрическая цепь из R, L, C элементов.
Из опыта можно определить, что в такой цепи колебания тока и напряжения не совпадают по фазе, а разность фаз между этими величинами зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора:
Решение задач:
Цепь переменного тока состоит из последовательно соединенных конденсатора (емкостью С), катушки индуктивности (L) и активного сопротивления (R). На зажимы цепи подается действующее напряжение (U), частота которого ν. Чему равно действующее значение силы тока в цепи?
zakon-oma.ru
ЗАКОН ОМА
На рисунке показана схема знакомой вам простейшей электрической цепи. Эта замкнутая цепь состоит из трех элементов: источника напряжения — батареи GB, потребителя тока — нагрузки R, которой может быть, например, нить накала электрической лампы или резистор, и проводников, соединяющих источник напряжения с нагрузкой. Между прочим, если эту цепь дополнить выключателем, то получится полная схема карманного электрического фонаря.
Нагрузка R, обладающая определенным сопротивлением, является участком цепи. Значение тока на этом участке цепи зависит от действующего на нем напряжения и его сопротивления: чем больше напряжение и меньше сопротивление, тем большим ток будет идти по участку цепи. Эта зависимость тока от напряжения и сопротивления выражается следующей формулой:
I = U/R
где I — ток, выраженный в амперах, А; U — напряжение в вольтах, В; R — сопротивление в омах, Ом. Читается это математическое выражение так: ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению на нем и обратно пропорционален его сопротивлению. Это основной закон электротехники, именуемый законом Ома (по фамилии Г. Ома), для участка электрической цепи. Используя закон Ома, можно по двум известным электрическим величинам узнать неизвестную третью. Вот несколько примеров практического применения закона Ома.
Первый пример: На участке цепи, обладающем сопротивлением 5 Ом, действует напряжение 25 В. Надо узнать значение тока на этом участке цепи.
Решение: I = U/R = 25 / 5 = 5 А.
Второй пример: На участке цепи действует напряжение 12 В, создавая в нем ток, равный 20 мА. Каково сопротивление этого участка цепи? Прежде всего ток 20 мА нужно выразить в амперах. Это будет 0,02 А. Тогда R = 12 / 0,02 = 600 Ом.
Третий пример: Через участок цепи сопротивлением 10 кОм течет ток 20 мА. Каково напряжение, действующее на этом участке цепи? Здесь, как и в предыдущем примере, ток должен быть выражен в амперах (20 мА = 0,02 А), сопротивление в омах (10кОм = 10000Ом). Следовательно, U = IR = 0,02 х 10000 = 200 В. На цоколе лампы накаливания плоского карманного фонаря выштамповано: 0,28 А и 3,5 В. О чем говорят эти сведения? О том, что лампочка будет нормально светиться при токе 0,28 А, который обусловливается напряжением 3,5 В, Пользуясь законом Ома, нетрудно подсчитать, что накаленная нить лампочки имеет сопротивление R = 3,5 / 0,28 = 12,5 Ом. Это, подчеркиваю, сопротивление накаленной нити лампочки. А сопротивление остывшей нити значительно меньше. Закон Ома справедлив не только для участка, но и для всей электрической цепи. В этом случае в значение R подставляется суммарное сопротивление всех элементов цепи, в том числе и внутреннее сопротивление источника тока. Однако при простейших расчетах цепей обычно пренебрегают сопротивлением соединительных проводников и внутренним сопротивлением источника тока.
В связи с этим приведу еще один пример: Напряжение электроосветительной сети 220 В. Какой ток потечет в цепи, если сопротивление нагрузки равно 1000Ом? Решение: I = U/R = 220 / 1000 = 0,22 А. Примерно такой ток потребляет электрический паяльник.
Всеми этими формулами, вытекающими из закона Ома, можно пользоваться и для расчета цепей переменного тока, но при условии, если в цепях нет катушек индуктивности и конденсаторов.
Закон Ома и производные от него расчетные формулы, достаточно легко запомнить, если пользоваться вот этой графической схемой, т. н. треугольник закона Ома:
>Пользоваться этим треугольником легко, достаточно четко запомнить, что горизонтальная линия в треугольнике означает знак деления (по аналогии дробной черты), а вертикальная линия в треугольнике означает знак умножения.
Теперь рассмотрим такой вопрос: как влияет на ток резистор, включаемый в цепь последовательно с нагрузкой или параллельно ей? Разберем такой пример. У нас имеется лампочка от круглого электрического, фонаря, рассчитанная на напряжение 2,5 В и ток 0,075 А. Можно ли питать эту лампочку от батареи 3336Л, начальное напряжение которой 4,5 В? Нетрудно подсчитать, что накаленная нить этой лампочки имеет сопротивление немногим больше 30 Ом. Если же питать ее от свежей батареи 3336Л, то через нить накала лампочки, по закону Ома, пойдет ток, почти вдвое превышающий тот ток, на который она рассчитана. Такой перегрузки нить не выдержит, она перекалится и разрушится. Но эту лампочку все же можно питать от батареи 336Л, если последовательно в цепь включить добавочный резистор сопротивлением 25 Ом, как это показано на рис..
В этом случае общее сопротивление внешней цепи будет равно примерно 55 Ом, т.е. 30 Ом — сопротивление нити лампочки Н плюс 25 Ом — сопротивление добавочного резистора R. В цепи, следовательно, потечет ток, равный примерно 0,08 А, т.е. почти такой же, на который рассчитана нить накала лампочки. Эту лампочку можно питать от батареи и с более высоким напряжением и даже от электроосветительной сети, если подобрать резистор соответствующего сопротивления. В этом примере добавочный резистор ограничивает ток в цепи до нужного нам значения. Чем больше будет его сопротивление, тем меньше будет и ток в цепи. В данном случае в цепь было включено последовательно два сопротивления: сопротивление нити лампочки и сопротивление резистора. А при последовательном соединении сопротивлений ток одинаков во всех точках цепи. Можно включать амперметр в любую точку цепи, и всюду он будет показывать одно значение. Это явление можно сравнить с потоком воды в реке. Русло реки на различных участках может быть широким или узким, глубоким или мелким. Однако за определенный промежуток времени через поперечное сечение любого участка русла реки всегда проходит одинаковое количество воды.
Добавочный резистор, включаемый в цепь последовательно с нагрузкой (как, например, на рис. выше), можно рассматривать как резистор, «гасящий» часть напряжения, действующего в цепи. Напряжение, которое гасится добавочным резистором или, как говорят, падает на нем, будет тем большим, чем больше сопротивление этого резистора. Зная ток и сопротивление добавочного резистора, падение напряжения на нем легко подсчитать все по той же знакомой вам формуле U = IR, Здесь U — падение напряжения, В; I — ток в цепи, A; R — сопротивление добавочного резистора, Ом. Применительно к нашему примеру резистор R ( на рис.) погасил избыток напряжения: U = IR = 0,08 х 25 = 2 В. Остальное напряжение батареи, равное приблизительно 2,5 В, упало на нити лампочки. Необходимое сопротивление резистора можно найти по другой знакомой вам формуле R = U/I, где R — искомое сопротивление добавочного резистора, Ом; U-напряжение, которое необходимо погасить, В; I — ток в цепи, А. Для нашего примера сопротивление добавочного резистора равно: R = U/I = 2/0,075, 27 Ом. Изменяя сопротивление, можно уменьшать или увеличивать напряжение, которое падает на добавочном резисторе, и таким образом регулировать ток в цепи. Но добавочный резистор R в такой цепи может быть переменным, т.е. резистором, сопротивление которого можно изменять (см. рис. ниже).
В этом случае с помощью движка резистора можно плавно изменять напряжение, подводимое к нагрузке Н, а значит, плавно регулировать ток, протекающий через эту нагрузку. Включенный таким образом переменный резистор называют реостатом, С помощью реостатов регулируют токи в цепях приемников, телевизоров и усилителей. Во многих кинотеатрах реостаты использовали для плавного гашения света в зрительном зале. Есть, однако, и другой способ подключения нагрузки к источнику тока с избыточным напряжением — тоже с помощью переменного резистора, но включенного потенциометром, т.е. делителем напряжения, как показано на рис..
Здесь R1 — резистор, включенный потенциометром, a R2 — нагрузка, которой может быть та же лампочка накаливания или какой — то другой прибор. На резисторе R1 происходит падение напряжения источника тока, которое частично или полностью может быть подано к нагрузке R2. Когда движок резистора находится в крайнем нижнем положении, к нагрузке напряжение вообще не подается (если это лампочка, она гореть не будет). По мере перемещения движка резистора вверх мы будем подавать все большее напряжение к нагрузке R2 (если это лампочка, ее нить будет накаливаться). Когда же движок резистора R1 окажется в крайнем верхнем положении, к нагрузке R2 будет подано все напряжение источника тока (если R2 — лампочка карманного фонаря, а напряжение источника тока большое, нить лампочки перегорит). Можно опытным путем найти такое положение движка переменного резистора, при котором к нагрузке будет подано необходимое ей напряжение. Переменные резисторы, включаемые потенциометрами, широко используют для регулирования громкости в приемниках и усилителях. Резистор может быть непосредственно подключен параллельно нагрузке. В таком случае ток на этом участке цепи разветвляется и идет двумя параллельными путями: через добавочный резистор и основную нагрузку. Наибольший ток будет в ветви с наименьшим сопротивлением. Сумма же токов обеих ветвей будет равна току, расходуемому на питание внешней цепи. К параллельному соединению прибегают в тех Случаях, когда надо ограничить ток не во всей цепи, как при последовательном включении добавочного резистора, а только на каком — то участке. Добавочные резисторы подключают, например, параллельно миллиамперметрам, чтобы ими можно было измерять большие токи. Такие резисторы называют шунтирующими или шунтами. Слово шунт означает ответвление.
Спасибо lessonradio.narod.ru
www.radioingener.ru
