Закон ома для участка цепи обозначение. Закон Ома для полной электрической цепи
Реферат
Закон Ома. История открытия. Различные виды закона Ома.
1. Общий вид закона Ома.
2. История открытия закона Ома, краткая биография ученого.
3. Виды законов Ома.
Закон Ома устанавливает зависимость между силой тока I в проводнике и разностью потенциалов (напряжением) U между двумя фиксированными точками (сечениями) этого проводника:
(1)
Коэффициент пропорциональности R
, зависящий от геометрических и электрических свойств проводника и от температуры, называется омическим сопротивлением или просто сопротивлением данного участка проводника. Закон Ома был открыт в 1826 нем. физиком Г. Омом.
Георг Симон Ом родился 16 марта 1787 года в Эрлангене, в семье потомственного слесаря. После окончания школы Георг поступил в городскую гимназию. Гимназия Эрлангена курировалась университетом. Занятия в гимназии вели четыре профессора. Георг, закончив гимназию, весной 1805 года приступил к изучению математики, физики и философии на философском факультете Эрлангенского университета.
Проучившись три семестра, он принял приглашение занять место учителя математики в частной школе швейцарского городка Готтштадта.
В 1811 году он возвращается в Эрланген, заканчивает университет и получает степень доктора философии. Сразу же по окончании университета ему была предложена должность приват-доцента кафедры математики этого же университета.
В 1812 году Ом был назначен учителем математики и физики школы в Бамберге. В 1817 году он публикует свою первую печатную работу, посвященную методике преподавания "Наиболее оптимальный вариант преподавания геометрии в подготовительных классах". Ом занялся исследованиями электричества. В основу своего электроизмерительного прибора Ом заложил конструкцию крутильных весов Кулона. Результаты своих исследований Ом оформил в виде статьи под названием "Предварительное сообщение о законе, по которому металлы проводят контактное электричество". Статья была опубликована в 1825 году в "Журнале физики и химии", издаваемом Швейггером. Однако выражение, найденное и опубликованное Омом, оказалось неверным, что стало одной из причин его длительного непризнания. Приняв все меры предосторожности, заранее устранив все предполагаемые источники ошибок, Ом приступил к новым измерениям.
Появляется в свет его знаменитая статья "Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество, вместе с наброском теории вольтаического аппарата и мультипликатора Швейггера", вышедшая в 1826 году в "Журнале физики и химии".
В мае 1827 года "Теоретические исследования электрических цепей" объемом в 245 страниц, в которых содержались теперь уже теоретические рассуждения Ома по электрическим цепям. В этой работе ученый предложил характеризовать электрические свойства проводника его сопротивлением и ввел этот термин в научный обиход. Ом нашел более простую формулу для закона участка электрической цепи, не содержащего ЭДС: "Величина тока в гальванической цепи прямо пропорциональна сумме всех напряжений и обратно пропорциональна сумме приведенных длин. При этом общая приведенная длина определяется как сумма всех отдельных приведенных длин для однородных участков, имеющих различную проводимость и различное поперечное сечение".
В 1829 году появляется его статья "Экспериментальное исследование работы электромагнитного мультипликатора", в которой были заложены основы теории электроизмерительных приборов. Здесь же Ом предложил единицу сопротивления, в качестве которой он выбрал сопротивление медной проволоки длиной 1 фут и поперечным сечением в 1 квадратную линию.
В 1830 году появляется новое исследование Ома "Попытка создания приближенной теории униполярной проводимости".
Только в 1841 году работа Ома была переведена на английский язык, в 1847 году - на итальянский, в 1860 году - на французский.
16 февраля 1833 года, через семь лет после выхода из печати статьи, в которой было опубликовано его открытие, Ому предложили место профессора физики во вновь организованной политехнической школе Нюрнберга. Ученый приступает к исследованиям в области акустики. Результаты своих акустических исследований Ом сформулировал в виде закона, получившего впоследствии название акустического закона Ома.
Раньше всех из зарубежных ученых закон Ома признали русские физики Ленц и Якоби. Они помогли и его международному признанию. При участии русских физиков, 5 мая 1842 года Лондонское Королевское общество наградило Ома золотой медалью и избрало своим членом.
В 1845 году его избирают действительным членом Баварской академии наук. В 1849 году ученого приглашают в Мюнхенский университет на должность экстраординарного профессора. В этом же году он назначается хранителем государственного собрания физико-математических приборов с одновременным чтением лекций по физике и математике. В 1852 году Ом получил должность ординарного профессора. Ом скончался 6 июля 1854 года. В 1881 году на электротехническом съезде в Париже ученые единогласно утвердили название единицы сопротивления - 1 Ом.
В общем случае зависимость между I и U нелинейна, однако на практике всегда можно в определенном интервале напряжений считать её линейной и применять закон Ома; для металлов и их сплавов этот интервал практически неограничен.
Закон Ома в форме (1) справедлив для участков цепи, не содержащих источников ЭДС. При наличии таких источников (аккумуляторов, термопар, генераторов и т. д.) закон Ома имеет вид:
(2) - ЭДС всех источников, включённых в рассматриваемый участок цепи. Для замкнутой цепи закон Ома принимает вид: (3) - полное сопротивление цепи, равное сумме внешнего сопротивления r и внутреннего сопротивления источника ЭДС. Обобщением закона Ома на случай разветвлённой цепи является правило 2-е Кирхгофа.Закон Ома можно записать в дифференциальной форме, связывающей в каждой точке проводника плотность тока j с полной напряжённостью электрического поля. Потенциальное. электрическое поле напряжённости Е , создаваемое в проводниках микроскопическими зарядами (электронами, ионами) самих проводников, не может поддерживать стационарное движение свободных зарядов (ток), т. к. работа этого поля на замкнутом пути равна нулю. Ток поддерживается неэлектростатическими силами различного происхождения (индукционного, химического, теплового и т.д.), которые действуют в источниках ЭДС и которые можно представить в виде некоторого эквивалентного непотенциального поля с напряженностью E СТ, называемого сторонним. Полная напряженность поля, действующего внутри проводника на заряды, в общем случае равна E + E СТ . Соответственно, дифференциальный закон Ома имеет вид:
или 
, (4)
- удельное сопротивление материала проводника, а - его удельная электропроводность.
Закон Ома в комплексной форме справедлив также для синусоидальных квазистационарных токов.
Закон Ома для участка цепи – полученный экспериментальным (эмпирическим) путём закон, который устанавливает связь силы тока на участке цепи с напряжением на концах этого участка и его сопротивлением. Строгая формулировка закона Ома для участка цепи записывается так: сила тока в цепи прямо пропорциональна напряжению на её участке и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.
Формула закона Ома для участка цепи записывается в следующем виде:
I – сила тока в проводнике [А];
U – электрическое напряжение (разность потенциалов) [В];
R – электрическое сопротивление (или просто сопротивление) проводника [Ом].
Исторически сложилось, что сопротивление R в законе Ома для участка цепи считается основной характеристикой проводника, так как зависит исключительно от параметров этого проводника. Необходимо отметить, что закон Ома в упомянутой форме справедлив для металлов и растворов (расплавов) электролитов и только для тех цепей, где нет реального источника тока или источник тока является идеальным. Идеальный источник тока – это такой источник, который не обладает собственным (внутренним) сопротивлением. Подробнее с законом Ома в применении к цепи с источником тока можно познакомится в нашей статье. Условимся считать положительным направлением слева направо (см. рисунок ниже). Тогда напряжение на участке равно разности потенциалов.
φ 1 - потенциал в точке 1 (в начале участка);
φ 2 - потенциал в точке 2 (а конце участка).
Если выполняется условие φ 1 > φ 2 , то напряжение U > 0. Следовательно, линии напряженности в проводнике направлены от точки 1 к точке 2, а значит и ток течет в этом направлении. Именно такое направление тока будем считать положительным I > O.
Рассмотрим простейший пример определения сопротивления на участке цепи с помощью закона Ома. В результате эксперимента с электрической цепью амперметр (прибор, который показывает силу тока) показывает, а вольтметр. Необходимо определить сопротивление участка цепи.
По определению закона Ома для участка цепи
Изучая закон Ома для участка цепи в 8 классе школы, учителя часто задают ученикам следующие вопросы, чтобы закрепить пройденный материал:
Между какими величинами Закон Ома для участка цепи устанавливает зависимость?
Правильный ответ: между силой тока [I], напряжением [U] и сопротивлением [R].
Отчего кроме напряжения зависит сила тока?
Правильный ответ: От сопротивления
Как зависит сила тока от напряжения проводника?
Правильный ответ: Прямо пропорционально
Как зависит сила тока от сопротивления?
Правильный ответ: обратно пропорционально.
Данные вопросы задают для того, чтобы в 8 классе ученики смогли запомнить закон Ома для участки цепи, определение которого гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению на концах проводника, если при этом сопротивление проводника не меняется.
Закон ОмаНемецкий физик Георг Ом (1787 -1854) экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорционально напряжению U на концах проводника:
I = U/R, (1)
где R - .
Уравнение (1) выражает закон Ома для участка цепи (не содержащего источника тока): сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорционально сопротивлению проводника.
Участок цепи, в котором не действуют э.д.с. (сторонние силы) называют однородным участком цепи, поэтому эта формулировка закона Ома справедлива для однородного участка цепи.
Подробнее смотрите здесь:
Теперь рассмотрим неоднородный участок цепи, где действующую э.д.с. на участке 1 - 2 обозначим через Ε12, а приложенную на концах участка - через φ1 - φ2.
Если ток проходит по неподвижным проводникам, образующим участок 1-2, то работа A12 всех сил (сторонних и электростатических), совершаемая над носителями тока, по равна теплоте, выделяющейся на участке. Работа сил, совершаемая при перемещении заряда Q0 на участке 1- 2:
A12 = Q0E12 + Q0(φ1 - φ2) (2)
Q =I 2 Rt = IR(It) = IRQ0 (3)
IR = (φ1 - φ2) + E12 (4)
I = (φ1 - φ2 + E12) / R (5)
Если на данном участке цепи источник тока отсутствует (E12 = 0), то из (5) приходим к закону Ома для однородного участка цепи
I = (φ1 - φ2)/R = U / R
I = E / R,
где E - э.д.с., действующая в цепи, R - суммарное сопротивление всей цепи. В общем случае R = r + R1, где r - внутреннее сопротивление источника тока, R1 - сопротивление внешней цепи. Поэтому закон Ома для замкнутой цепи будет иметь вид:
I = E / (r+R1).
Примеры расчетов по закону Ома:
Закон Ома, в отличие от, например, закона Кулона, это не фундаментальный закон физики. Он имеет практическое значение.
В природе существуют вещества, проводящие электрический ток - проводники и не проводящие - диэлектрики.
В проводниках есть свободные заряды – электроны. Для того, чтобы электроны начали дружно перемещаться в одном направлении, необходимо электрическое поле, которое и «заставит» их перемещаться от одного конца проводника к другому.
Простейшим образом создать поле может обыкновенная батарейка. Если на конце проводника недостаток электронов, то он знаком «+», если , то «-». Электроны, имеющие всегда отрицательный заряд, естественно, устремятся к плюсу. Так в проводнике рождается электрический ток, т. е. направленное перемещение электрических зарядов. Чтобы его увеличить, необходимо усилить электрическое поле в проводнике. Или, как говорят, приложить к концам проводника большее напряжение.
Электрический ток принято обозначать буквой I, а напряжение – буквой U.
Важно понимать, что формула R=U/I позволяет лишь вычислять сопротивление участка цепи, но не отражает зависимость сопротивления от напряжения и силы тока.
Но проводники, по которым перемещаются свободные электроны, могут иметь разное электрическое сопротивление R. Сопротивление показывает меру противодействия материала проводника прохождения по нему электрического тока. Оно зависит только от геометрических размеров, материала проводника и его температуры.
Каждая из этих величин имеет свои единицы измерения: Сила тока I измеряется в Амперах (А); Напряжение U измеряется в Вольтах (В); Сопротивление измеряется в Омах (Ом).
Закон Ома для участка цепи
В 1827 году немецкий ученый Георг Ом установил математическую связь между этими тремя величинами, и сформулировал ее словесно. Так появился закон, названный в честь его создателя законом Ома. Его полная такова: «Сила тока, протекающая по электрической цепи, прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна величине сопротивления цепи».Чтобы не путаться в выводе производных формул, расположите величины, в треугольнике, как на рисунке 2. Закройте пальцем искомую величину. Взаимное расположение оставшихся покажет, какое действие необходимо совершить.Формула Закона Ома имеет вид: I=U/R
Проще говоря, чем больше напряжение, тем сильнее ток, но чем больше сопротивление, тем ток слабее.
Соберем электрическую цепь (рисунок 1, а ), состоящую из аккумулятора 1 напряжением в 2 В, рычажного реостата 2 , двух измерительных приборов – вольтметра 3 и амперметра 4 и соединительных проводов 5 . Установим в цепи при помощи реостата сопротивление, равное 2 Ом. Тогда вольтметр, включенный на зажимы аккумулятора, покажет напряжение в 2 В, а амперметр, включенный последовательно в цепь, покажет ток, равный 1 А. Увеличим напряжение до 4 В путем включения другого аккумулятора (рисунок 1, б ). При том же сопротивлении в цепи – 2 Ом – амперметр покажет уже ток 2 А. Аккумулятор напряжением 6 В изменит показание амперметра до 3 А (рисунок 1, в ). Сведем наши наблюдения в таблицу 1.
Рисунок 1. Изменение тока в электрической цепи путем изменения напряжения при неизменном сопротивлении
Таблица 1
Зависимость тока в цепи от напряжения при неизменном сопротивлении
Отсюда можно сделать вывод, что ток в цепи при постоянном сопротивлении тем больше, чем больше напряжение этой цепи, причем ток будет увеличиваться во столько раз, во сколько раз увеличивается напряжение.
Теперь в такой же цепи поставим аккумулятор с напряжением 2 В и установим при помощи реостата сопротивление в цепи, равное 1 Ом (рисунок 2, а ). Тогда амперметр покажет 2 А. Увеличим реостатом сопротивление до 2 Ом (рисунок 2, б ). Показание амперметра (при том же напряжении цепи) будет уже 1 А.
Рисунок 2. Изменение тока в электрической цепи путем изменения сопротивления при неизменном напряжении
При сопротивлении в цепи 3 Ом (рисунок 2, в ) показание амперметра будет 2/3 А.
Результат опыта сведем в таблицу 2.
Таблица 2
Зависимость тока в цепи от сопротивления при неизменном напряжении
Отсюда следует вывод, что при постоянном напряжении ток в цепи будет тем больше, чем меньше сопротивление этой цепи, причем ток в цепи увеличивается во столько раз, во сколько раз уменьшается сопротивление цепи.
Как показывают опыты, ток на участке цепи прямо пропорционален напряжению на этом участке и обратно пропорционален сопротивлению того же участка. Эта зависимость известна под названием закон Ома.
Если обозначим: I – ток в амперах; U – напряжение в вольтах; r – сопротивление в омах, то закон Ома можно представить формулой:
то есть ток на данном участке цепи равен напряжению на этом участке, деленному на сопротивление того же участка.
Видео 1. Закон Ома для участка цепи
Пример 1. Определить ток, который будет проходить по нити лампы накаливания, если нить имеет неизменное сопротивление 240 Ом, а лампа включена в сеть с напряжением 120 В.
Пользуясь формулой закона Ома, можно определить также напряжение и сопротивление цепи.
U = I × r ,
то есть напряжение цепи равно произведению тока на сопротивление этой цепи и
то есть сопротивление цепи равно напряжению, деленному на ток цепи.
Пример 2. Какое нужно напряжение, чтобы в цепи с сопротивлением 6 Ом протекал ток 20 А?
U = I × r = 20 × 6 = 120 В.
Пример 3. По спирали электрической плитки протекает ток в 5 А. Плитка включена в сеть с напряжением 220 В. Определить сопротивление спирали электрической плитки.
Если в формуле U = I × r ток равен 1 А, а сопротивление 1 Ом, то напряжение будет равно 1 В:
1 В = 1 А × 1 Ом.
Отсюда заключаем: напряжение в 1 В действует в цепи с сопротивлением 1 Ом при токе в 1 А.
Потеря напряжения
На рисунке 3 приведена электрическая цепь, состоящая из аккумулятора, сопротивления r и длинных соединительных проводов, имеющих свое определенное сопротивление.
Как видно из рисунка 3, вольтметр, присоединенный к зажимам аккумулятора, показывает 2 В. Уже в середине линии вольтметр показывает только 1,9 В, а около сопротивления r напряжение равно всего 1,8 В. Такое уменьшение напряжения вдоль цепи между отдельными точками этой цепи называется потерей (падением) напряжения.
Потеря напряжения вдоль электрической цепи происходит потому, что часть приложенного напряжения расходуется на преодоление сопротивления цепи. При этом потеря напряжения на участке цепи будет тем больше, чем больше ток и чем больше сопротивление этого участка цепи. Из закона Ома для участка цепи следует, что потеря напряжения в вольтах на участке цепи равно току в амперах, протекающему по этому участку, умноженному на сопротивление в омах того же участка:
U = I × r .
Пример 4. От генератора, напряжение на зажимах которого 115 В, электроэнергия передается электродвигателю по проводам, сопротивление которых 0,1 Ом. Определить напряжение на зажимах двигателя, если он потребляет ток в 50 А.
Очевидно, что на зажимах двигателя напряжение будет меньше, чем на зажимах генератора, так как в линии будет потеря напряжения. По формуле определяем, что потеря напряжения равна:
U = I × r = 50 × 0,1 = 5 В.
Если в линии потеря напряжения равна 5 В, то напряжение у электродвигателя будет 115 – 5 = 110 В.
Пример 5. Генератор дает напряжение 240 В. Электроэнергия по линии из двух медных проводов длиной по 350 м, сечением 10 мм² передается к электродвигателю, потребляющему ток в 15 А. Требуется узнать напряжение на зажимах двигателя.
Напряжение на зажимах двигателя будет меньше напряжения генератора на величину потери напряжения в линии. Потеря напряжения в линии U = I × r .
Так как сопротивление r проводов неизвестно, определяем его по формуле:
"); длина l равна 700 м, так как току приходится идти от генератора к двигателю и оттуда обратно к генератору.
Подставляя r в формулу, получим:
U = I × r = 15 × 1,22 = 18,3 В
Следовательно, напряжение на зажимах двигателя будет 240 – 18,3 = 221,7 В
Пример 6. Определить поперечное сечение алюминиевых проводов, которое необходимо применить, чтобы подвести электрическую энергию к двигателю, работающему при напряжении в 120 В и токе в 20 А. Энергия к двигателю будет подаваться от генератора напряжением 127 В по линии длиной 150 м.
Находим допустимую потерю напряжения:
127 – 120 = 7 В.
Сопротивление проводов линии должно быть равно:
Из формулы
определим сечение провода:
где ρ – удельное сопротивление алюминия (таблица 1, в статье "Электрическое сопротивление и проводимость ").
По справочнику выбираем имеющееся сечение 25 мм².
Если ту же линию выполнить медным проводом, то сечение его будет равно:
где ρ – удельное сопротивление меди (таблица 1, в статье "Электрическое сопротивление и проводимость ").
Выбираем сечение 16 мм².
Отметим еще, что иногда приходится умышленно добиваться потери напряжения, чтобы уменьшить величину приложенного напряжения.
Пример 7. Для устойчивого горения электрической дуги требуется ток 10 А при напряжении 40 В. Определить величину добавочного сопротивления, которое нужно включить последовательно с дуговой установкой, чтобы питать ее от сети с напряжением 120 В.
Потеря напряжения в добавочном сопротивлении составит:
120 – 40 = 80 В.
Зная потерю напряжения в добавочном сопротивлении и ток, протекающий через него, можно по закону Ома для участка цепи определить величину этого сопротивления:
При рассмотрении электрической цепи мы до сих пор не принимали в расчет того, что путь тока проходит не только по внешней части цепи, но также и по внутренней части цепи, внутри самого элемента, аккумулятора или другого источника напряжения.
Электрический ток, проходя по внутренней части цепи, преодолевает ее внутреннее сопротивление и потому внутри источника напряжения также происходит падение напряжения.
Следовательно, электродвижущая сила (э. д. с.) источника электрической энергии идет на покрытие внутренних и внешних потерь напряжения в цепи.
Если обозначить E – электродвижущую силу в вольтах, I – ток в амперах, r – сопротивление внешней цепи в омах, r 0 – сопротивление внутренней цепи в омах, U 0 – внутреннее падение напряжения и U – внешнее падение напряжения цепи, то получим, что
E = U 0 + U = I × r 0 + I × r = I × (r 0 + r ),
Это и есть формула закона Ома для всей (полной) цепи. Словами она читается так: ток в электрической цепи равен электродвижущей силе, деленной на сопротивление всей цепи (сумму внутреннего и внешнего сопротивлений).
Видео 2. Закон Ома для полной цепи
Пример 8. Электродвижущая сила E элемента равна 1,5 В, его внутреннее сопротивление r 0 = 0,3 Ом. Элемент замкнут на сопротивление r = 2,7 Ом. Определить ток в цепи.
Пример 9. Определить э. д. с. элемента E , замкнутого на сопротивление r = 2 Ом, если ток в цепи I = 0,6 А. Внутреннее сопротивление элемента r 0 = 0,5 Ом.
Вольтметр, включенный на зажимы элемента, покажет напряжение на них, равное напряжению сети или падению напряжения во внешней цепи.
U = I × r = 0,6 × 2 = 1,2 В.
Следовательно, часть э. д. с. элемента идет на покрытие внутренних потерь, а остальная часть – 1,2 В отдается в сеть.
Внутреннее падение напряжения
U 0 = I × r 0 = 0,6 × 0,5 = 0,3 В.
Так как E = U 0 + U , то
E = 0,3 + 1,2 =1,5 В
Тот же ответ можно получить, если воспользоваться формулой закона Ома для полной цепи:
E = I × (r 0 + r ) = 0,6 × (0,5 +2) = 1,5 В.
Вольтметр, включенный на зажимы любого источника э. д. с. во время его работы, показывает напряжение на них или напряжение сети. При размыкании электрической цепи ток по ней проходить не будет. Ток не будет проходить также и внутри источника э. д. с., а следовательно, не будет и внутреннего падения напряжения. Поэтому вольтметр при разомкнутой цепи покажет э. д. с. источника электрической энергии.
Таким образом, вольтметр, включенный на зажимы источника э. д. с. показывает:
а) при замкнутой электрической цепи – напряжение сети;
б) при разомкнутой электрической цепи – э. д. с. источника электрической энергии.
Пример 10. Электродвижущая сила элемента 1,8 В. Он замкнут на сопротивление r =2,7 Ом. Ток в цепи равен 0,5 А. Определить внутреннее сопротивление r 0 элемента и внутреннее падение напряжения U 0 .
Так как r = 2,7 Ом, то
r 0 = 3,6 – 2,7 = 0,9 Ом;
U 0 = I × r 0 = 0,5 × 0,9 = 0,45 В.
Из решенных примеров видно, что показание вольтметра, включенного на зажимы источника э. д. с., не остается постоянным при различных условиях работы электрической цепи. При увеличении тока в цепи увеличивается также внутреннее падение напряжения. Поэтому при неизменной э. д. с. на долю внешней сети будет приходиться все меньшее и меньшее напряжение.
В таблице 3 показано, как меняется напряжение электрической цепи (U ) в зависимости от изменения внешнего сопротивления (r ) при неизменных э. д. с. (E ) и внутреннем сопротивлении (r 0) источника энергии.
Таблица 3
Зависимость напряжения цепи от сопротивления r при неизменных э. д. с. и внутреннем сопротивлении r 0
| E | r 0 | r | U 0 = I × r 0 | U = I × r | |
| 2 2 2 | 0,5 0,5 0,5 | 2 1 0,5 | 0,8 1,33 2 | 0,4 0,67 1 | 1,6 1,33 1 |