Montagpena.ru

Строительство и Монтаж
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Электрическое сопротивление проводников. Закон Ома для участка цепи. Расчет сопротивления проводников

Электрическое сопротивление проводников. Закон Ома для участка цепи. Расчет сопротивления проводников.

Электрический ток в цепи – это упорядоченное движение заряженных частиц в электрическом поле.

Следовательно, заряженные частицы приходят в движение (то есть появляется ток), только при условии, что существует электрическое поле, которое характеризуют еще одной физической величиной – напряжением. U

Установим зависимость, которая, существует между двумя этими величинами: силой тока и напряжением. Проверим этот факт, проведя следующий опыт.

Соберем электрическую цепь, состоящую из источника тока, амперметра, лампочки, вольтметра и ключа. После того как все элементы цепи соединены, замкнем цепь.

Показания приборов занесем в таблицу.

Показания вольтметра 1,5В, сила тока 0,1А.

Разомкнем цепь. И увеличим общее напряжение в цепи, присоединив еще одну батарею.

Показания увеличились вдвое. Данные так же заносим в таблицу. Напряжение 3В, сила тока 0,2А.

И еще раз увеличим напряжение, вцепи, добавив еще одну батарею.

Замкнув ключ, получаем напряжение 4,5В, сила тока так же увеличилась и равна 0,3А.

Эти данные так же занесем в таблицу.

Очевидно, что во сколько раз увеличиваем напряжение, во столько же раз увеличивается и сила тока. Такая зависимость называется прямая зависимость или прямая пропорциональность.

Говорят, что сила тока прямо пропорциональна напряжению.

Мы установили вид зависимости между величинами сила тока и напряжение.

Изобразим эту зависимость графически. Воспользуемся данными, которые мы занесли в таблицу. Графиком такой зависимости является прямая.

Проведем следующий опыт, в последней цепи вместо лампочки поставим резистор.

Последние показания были следующие: напряжение 4,5В, сила тока 0,3А.

Замкнув цепь, мы видим, что напряжение осталось прежнее, а вот сила тока стала больше 1,5А.

Как это можно объяснить? Оказывается, что различные тела пропускают ток по-разному. Можно сравнить течение тока с течением воды в трубе. В трубе, где много засоров, ржавчины на стенках будет слабый напор, так как вода при движение, будет испытывать сопротивление, в гладкой трубе такого сопротивления нет, и поэтому напор будет больше.

Так и ток – в одном теле он будет протекать лучше, где сопротивление среды слабое, в другом теле сила тока станет меньше, так как сопротивление среды большое.

Физическая величина, которая будет характеризовать способность проводника пропускать электрический ток называется сопротивлением.

Обозначают эту величину буквой R.

Измеряется она в Омах.

За единицу сопротивления принимают один Ом – это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на концах 1 вольт сила тока равна 1 амперу.

Очевидно, что зависимость между силой тока и сопротивлением будет обратная.

То есть, чем большим сопротивлением обладает проводник, тем меньше будет сила тока. И наоборот, чем меньше сопротивление проводника – тем сила тока будет больше.

Говорят, что сила тока обратна пропорциональна сопротивлению.

Итак, мы получили зависимость силы тока от двух параметров – напряжения и сопротивления

Зависимость силы тока от напряжения на концах проводника и сопротивления самого проводника получила название закона Ома, по имени немецкого ученого, открывшего первым этот закон.

Закон Ома для участка цепи: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Зная силу тока и напряжение на концах проводника, мы сможем найти его сопротивление.

Если известно сопротивление проводника и сила тока, то мы найдем напряжение на концах проводника.

Каждое тело обладает сопротивлением. Это свойство обнаруживается, когда по телу идет ток. Опыт показывает, что сопротивления разных тел очень сильно отличаются друг от друга : у одних оно составляет доли Ома, у других- миллионы Ом.

Читайте так же:
Шлифовальная приставка к токарному станку

На практике чаще всего в качестве проводника используют металлическую проволоку, из которой изготавливают соединительные провода, резисторы, спирали, нити накаливания разных приборов.

От чего же зависит сопротивление металлического проводника?

Для ответа на этот вопрос проделаем несколько опытов.

Опыт 1. Попробуем выяснить: зависит ли сопротивление проволочного проводника от его длины? Соберем электрическую цепь. Вместо резистора включим проволоку длиной 1 м и определим сопротивление. Напряжение равно 2В, сила тока 1А, значит сопротивление равно 2 Ом.

Затем отрежем половину проволоки (0,5 м) и вновь измерим сопротивление. Напряжение остается такое же 2В, а вот сила тока стала больше 2А. Следовательно, сопротивление проводника стало меньше, оно равно 1Ом. Еще раз уменьшим проволоку в 2 раза и сделаем новое измерение. Результаты опыта внесем в таблицу:

Длина l (м) 1 0, 0,25

Сопротивление R(Ом) 2 1 0,5

Во сколько раз уменьшается длина проводника, во столько же раз уменьшается сопротивление. Такая зависимость называется прямая пропорциональность.

Сделаем вывод: сопротивление проволочного металлического проводника прямо пропорционально его длине.

Опыт 2. В опыте 1 у нас менялась только длина проволоки, а сечение и материал оставались прежними. Теперь возьмем три проволоки из одного и того же материала, длиной по 1 м, но разного сечения: 1 кв.мм, 2 кв.мм и 4 кв. мм. Будем подключать по очереди: сначала подключим проволоку сечением 1кв.мм и определим сопротивление – 4Ом, потом подключим проволоку сечением 2 кв.мм, определим сопротивление – 2 Ом. Подключим проволоку сечением 4кв.мм, сопротивление равно 1 Ом.

Площадь сечения (мм2) 1 2 4

Сопротивление (Ом) 4 2 1

Сделаем вывод: сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения. Чем больше площадь поперечного сечения проводника, тем меньше его сопротивление. Если площадь сечения уменьшить в 2 раза, то сопротивление увеличится в 2 раза.

В ходе третьего опыта выясним, как зависит сопротивление от материала проводника.

Используем все ту же электрическую цепь. Разместим горизонтально с клеммами слева и справа четыре проволоки: медную, алюминиевую, стальную и нихромовую. Длина каждой проволоки — 1 м и сечение — 1 кв.мм. Подключая по очереди каждую проволоку, замеряем каждый раз сопротивление. Результаты опыта внесем в таблицу:

• медная проволока – сопротивление 0,017 Ом;

• алюминиевая проволока – сопротивление 0,02 Ом;

• стальная проволока – сопротивление 0,1 Ом;

• проволока из нихрома – сопротивление 1 Ом.

Вещество Сопротивление (Ом)

Сделаем вывод: наименьшим сопротивлением обладает медная проволока, а самым большим – проволока из нихрома.

Значит сопротивление проводника зависит от материала.

Физическая величина, равная сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1кв.мм, называется удельным сопротивлением вещества. Эту величину можно измерить опытным путем и составить специальные таблицы. Удельное сопротивление вещества обозначается буквой «ро» и на практике измеряется в Ом умноженное на миллиметр в квадрате, деленое на метр.

Например, удельное сопротивление меди равно 0,017 Ом* кв.мм/м.

В системе СИ удельное сопротивление измеряется в Ом умноженное на метр. Например, удельное сопротивление меди в системе СИ будет равно 0, 000000017 Ом*м.

Опыты показали, что сопротивление металлического проволочного проводника прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади поперечного сечения и зависит от вещества, из которого изготовлен проводник.

Если обозначить буквой l «эль»– длину проводника, буквой S «эс» – площадь поперечного сечения проводника, а буквой «ро»- удельное сопротивление проводника, то можно написать формулу, по которой можно вычислить величину сопротивлении проводника, если известно вещество проводника, его длина и площадь поперечного сечения проводника:

Читайте так же:
Технология плазменной резки металла

Ни одна цепь не может обойтись без соединительных проводов. В большинстве случаев необходимо, чтобы провода имели малое сопротивление. Поэтому, соединительные провода целесообразно изготавливать из меди. Часто используются алюминиевые провода, например, электропроводка в квартирах. Это обусловлено тем, что материал хорошо проводит ток, не дорогой и удобен в различных соединениях. Алюминий значительно дешевле меди, поэтому для проводки в жилых помещениях используют алюминиевые провода. Но у них есть большой недостаток: они ломкие. Поэтому, в конструкциях, где провода будут часто сгибаться, используют медные провода.

Другой элемент электрической цепи носит название резистор. Изготавливают резисторы из проволоки, которую наматывают на каркас из негорючего материала. Резисторы чаще всего используют, чтобы ограничить силу тока в цепи.

Часто при составлении электрической цепи требуется устройство с переменным сопротивлением. Чтобы менять сопротивление, удобнее всего менять его длину. Именно так меняют сопротивление в ползунковых реостатах.

Оптические приборы.

Все оптические приборы можно разделить на две группы:

1) приборы, при помощи которых получают оптические изображения на экране (проекционные аппараты, фотоаппараты, кинопроекторы, слайпроекторы, мультимедиа);

2) приборы, которые действуют только совместно с человеческим глазом и не образуют изображений на экране (лупа, микроскоп, телескоп, очки). Такие приборы называют «визуальными».

Фотоаппарат – оптический сложный прибор для получения изображения предметов (действующего по схеме – системе «глаз»), хранения, дальнейшего преобразования в слайд, фотоснимок, проекцию)

Проекционные аппараты используют для получения действительного увеличенного изображения рисунков, чертежей, фотографий, видеофильмов

Лупа является простейшим прибором, позволяющим увеличить угол зрения. Это двояковыпуклая линза с небольшим фокусным расстоянием (от 1см до 10см)

Микроскоп – оптический прибор для рассматривания очень мелких предметов (в биологии – клетки) Микроскоп основан на принципе последовательного увеличения угла зрения сначала объективом, а потом – окуляром.

Телескоп предназначается для рассматривания очень удаленных предметов (Луны, планет, звезд). Оптическая часть телескопа состоит из объектива, который собирает свет и создает изображение источника и окуляра, который рассматривает созданное изображение и еще увеличивает угол зрения. Если телескоп использует в качестве объектива линзу, то он называется рефрактором.

Если телескоп в качестве объектива использует вогнутое зеркало, то он называется рефлектором.

У телескопа диаметр объектива во много раз больше диаметра зрачка, поэтому в телескоп можно увидеть слабые светящиеся объекты, т.к. «видимость» зависит от собранной световой энергии, которая пропорциональна площади светящегося объекта.

Закон Ома для участка цепи. Пример расчета.

Всем привет.
В предыдущей статье мы собрали простую замкнутую цепь, состоящий из источника питания, проводников по которым протекает ток и нагрузки. Выяснили, что такое сопротивление проводника и сопротивление нагрузки. Так же рассмотрели взаимосвязь между напряжением тока, силой тока и сопротивлением на разных участках цепи (проводника и нагрузки). Все эти отношения установлены в основном законе электротехники – в законе Ома.
В этой статье, мы рассмотрим Закон Ома для участка цепи .

Закон Ома для участка цепи

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.

Давайте рассмотрим этот закон на примере. Соберем следующую схему:

Так как сопротивление проводников близко к нулю, будем считать, что они равны нулю. В нашу электрическую цепь, кроме нагрузки, мы еще добавили два прибора.
Амперметр – прибор для измерения силы тока, или другими словами измеряет сколько потребляет нагрузка, так легче запомнить. Соединяется последовательно с нагрузкой.
Вольтметр – прибор для измерения напряжения тока, при подключении к нагрузке, показывает сколько падает напряжение на нагрузку. Соединятся параллельно с нагрузкой.

Читайте так же:
Чему равен модуль упругости стали

Давайте нагрузку поставим сопротивлением равной 100 Ом, с источника питания пустим напряжение 5 В (вольт). Снимем показания с приборов. Нас интересует показатель амперметра. Амперметр показывает — 0,05 А (ампер) для удобства можно перевести в миллиамперы – 50 мА (миллиампер).

Теперь поменяем напряжение тока, вместо 5 В установим 10 В. Снимем показатель амперметра. Амперметр показывает — 0,1 А переводим в миллиамперы – 100 мА. Сразу отметим для себя — с увеличением напряжения увеличилась сила тока.
В законе ома: «сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению … » .

Теперь вернемся к первому опыту, то есть установим напряжение обратно на значение 5 В. Попробуем изменить сопротивление нагрузки. Поменяем нагрузку со значение сопротивления 200 Ом. Снимем показатели с амперметра и сравним с показателями первого опыта. Амперметр показывает — 0,025 А переводим в миллиамперы – 25 мА. Таким образом увеличение сопротивления нагрузки, уменьшило силу тока.
В законе ома: «сила тока в участке цепи … обратно пропорциональна электрическому сопротивлению» .

Закон Ома для участка цепи записывается следующей формулой: I = U/R
Как нам уже известно:
I = сила тока
U = напряжение тока
R = сопротивление (сопротивление нагрузки)

Так же эту формулу можно преобразовывать для определения напряжения тока или сопротивления нагрузки. Что бы легче запомнить формулы, надо запомнить треугольник Ома, который изображен выше. Закрывая искомую величину пальцем, можно увидеть формулу для нее.

Формула для определения напряжения:

Формула для определения сопротивления:

Рассмотрим простой пример расчета используя закон Ома для участка цепи. Если в примере выше, мы бы не использовали амперметр, зная напряжение тока 5 В (U) и сопротивление нагрузки 100 Ом (R). Использую следующую формулу I = U/R, мы бы получили результат: 5/100 = 0,05. Ответ 0,05 А = 50 мА.

Мы разобрали закон Ома для участка цепи , ознакомились с формулами для определения силы тока, напряжение тока и сопротивления. Так же хочу добавить, при расчетах, необходимо переводить единицы измерения в систему СИ. В примерах выше для демонстраций замкнутой цепи, я использовал программу — Electronics Workbench . Программа предназначена для моделирования и анализа электронных схем.

§ 44. Закон Ома для участка цепи

В предыдущих параграфах были рассмотрены три величины, с которыми мы имеем дело в любой электрической цепи, — это сила тока, напряжение и сопротивление. Эти величины связаны между собой. Зависимость силы тока от напряжения мы уже установили. В § 42 на основании опытов было показано, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника. Обратите внимание, что при проведении опыта сопротивление проводника не менялось.

При проведении физических опытов, в которых определяют зависимость одной величины от другой, все остальные величины должны быть постоянными. Если они будут изменяться, то установить зависимость будет сложнее.

Зависимость силы тока от сопротивления

Магазин сопротивлений

Поэтому, определяя зависимость силы тока от сопротивления, напряжение на концах проводника надо поддерживать постоянным.

Чтобы ответить на вопрос, как зависит сила тока в цепи от сопротивления, обратимся к опыту.

На рисунке 71 изображена электрическая цепь. В эту цепь по очереди включают проводники, обладающие различными сопротивлениями. Напряжение на концах проводника во время опыта поддерживается постоянным. За этим следят по показаниям вольтметра. Силу тока в цепи измеряют амперметром.

В таблице 7 приведены результаты опытов с тремя различными проводниками.

Читайте так же:
Чем почистить ржавчину с металла

В таблице 7 приведены результаты опытов с тремя различными проводниками.

ОМ ГЕОРГ

В первом опыте сопротивление проводника 1 Ом и сила тока в цепи 2 А. Сопротивление второго проводника 2 Ом, т. е. в два раза больше, а сила тока в два раза меньше. И наконец, в третьем случае сопротивление цепи увеличилось в четыре раза и во столько же раз уменьшилась сила тока. Напомним, что напряжение на концах проводников во всех трёх опытах было одинаковое, равное 2 В.

Обобщая результаты опытов, приходим к выводу, что сила тока в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Зависимость силы тока от напряжения на концах участка цепи и сопротивления этого участка называется законом Ома по имени немецкого учёного Георга Ома, открывшего этот закон в 1827 г.

Закон Ома читается так: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Закон Ома

График зависимости силы тока в цепи от сопротивления

здесь I — сила тока в участке цепи, U — напряжение на этом участке, R — сопротивление участка.

Закон Ома — один из основных физических законов.

На рисунке 72 зависимость силы тока от сопротивления проводника при одном и том же напряжении на его концах показана графически. На этом графике по горизонтальной оси в условно выбранном масштабе отложены сопротивления проводников в омах, по вертикальной — сила тока в амперах.

Из формулы следует, что

зная силу тока и сопротивление, можно по закону Ома вычислить напряжение на участке цепи, а зная напряжение и силу тока — сопротивление участка

Следовательно, зная силу тока и сопротивление, можно по закону Ома вычислить напряжение на участке цепи, а зная напряжение и силу тока — сопротивление участка.

Сопротивление проводника можно определить по формуле , однако надо понимать, что R — величина постоянная для данного проводника и не зависит ни от напряжения, ни от силы тока. Если напряжение на данном проводнике увеличится, например в три раза, то во столько же раз увеличится и сила тока в нём, а отношение напряжения к силе тока не изменится.

Вопросы

1. Пользуясь рисунком 71, расскажите, как при помощи опыта устанавливают зависимость силы тока в участке цепи от сопротивления этого участка.
2. Какова зависимость силы тока в проводнике от сопротивления этого проводника?
3. Как формулируется закон Ома?
4. Как выразить напряжение на участке цепи, зная силу тока в нём и его сопротивление?
5. Как выразить сопротивление участка цепи, зная напряжение на его концах и силу тока в нём?

Упражнение 29

1. Напряжение на зажимах электрического утюга 220 В, сопротивление нагревательного элемента утюга 50 Ом. Чему равна сила тока в нагревательном элементе?
2. Сила тока в спирали электрической лампы 0,7 А, сопротивление лампы 310 Ом. Определите напряжение, под которым находится лампа.
3. Каким сопротивлением обладает вольтметр, рассчитанный на 150 В, если сила тока в нём не должна превышать 0,01 А?
4. Определите по графику (см. рис. 69) сопротивление проводника.

5. Рассмотрите рисунок 71 и таблицу результатов опыта, выполняемого в соответствии с этим рисунком. Что изменится на рисунке и в схеме электрической цепи, когда будут проводиться опыты № 2 и 3, указанные в таблице 7?
6. По показаниям приборов (см. рис. 70) определите сопротивление проводника АВ.
7. На рисунке 73 изображены графики зависимости силы тока от напряжения для двух проводников А и В. Какой из этих проводников обладает большим сопротивлением? Определите сопротивление каждого из проводников.

Сопротивление проводника на участке цепи

Когда по какому-либо участку цепи протекает ток, то между силой тока и напряжением для этого участка существует определенная функциональная зависимость, которую называют вольта мперной характеристикой.

Читайте так же:
Т образный станок для бритья gillette

Для металлического проводника вольтамперная характеристика выражается формулой (16.76):

Отсюда видно, что между I и должна быть прямо пропорциональная зависимость. Эту зависимость впервые установил опытным путем немецкий ученый Г. Ом.

Наглядным изображением вольтамперной характеристики является график зависимости I от который для проводника, как следует из формулы (16.76), представляет собой прямую линию (рис. 16.6). Эту зависимость можно выразить формулой

где коэффициент пропорциональности

Величину выражающую зависимость силы тока в проводнике от его рода, размеров и внешних условий, называют проводимостью участка цепи. Проводимость измеряется силой тока, возникающей проводнике при напряжении на его концах, равном единице.

На практике соотношение (16.9) чаще записывают в виде

Величину называют электрическим сопротивлением. Аналогично тому, как трение в механике создает противодействие движению тел, сопротивление проводника создает противодействие направленному движению зарядов и определяет превращение электрической энергии во внутреннюю энергию проводника.

Величина, характеризующая противодействие электрическому току в проводнике, которое обусловлено внутренним строением проводника и хаотическим движением его частиц, называется электрическим сопротивлением проводника. Сопротивление участка цепи (без э. д. с.) измеряется напряжением на этом участке, необходимым для получения в нем тока, равного единице:

Выведем единицу сопротивления в СИ:

В СИ за единицу сопротивления принимается (Ом). Омом называется сопротивление такого участка цепи без э. д. с., по которому течет ток в 1 А при напряжении на его концах в 1 В.

Закономерность, найденная Омом для металлических проводников, выражается формулой (16.11) и называется законом Ома для участка цепи без э. д. с.: сила тока на участке цепи без э. д. с. прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению

Перепишем формулу закона Ома следующим образом:

Физический смысл этого выражения заключается в том, что — это полная работа, совершаемая электрическим полем при перемещении единичного заряда на данном участке цепи, т. е. израсходованная электрическая энергия на участке цепи при перемещении по нему единичного заряда. На участке цепи без э. д. с., обладающем сопротивлением вся эта энергия идет на нагревание проводника, т. е. превращается в его внутреннюю энергию. Подчеркнем еще раз, что это превращение энергии обусловлено сопротивлением, которое действует аналогично трению в механических процессах.

Считая, что на участке цепи энергия отданная равна энергии полученной, можно рассматривать (16.116) как выражение закона сохранения энергии для участка цепи. Поэтому можно сказать, что произведение которое называют падением напряжения, выражает увеличение внутренней энергии участка цепи, т. е. численно равно электрической энергии, затраченной на тепловое действие в этом участке цепи при прохождении по нему единичного заряда.

Из сказанного выше следует, что если электрическая энергия на участке цепи будет превращаться кроме внутренней энергии еще в какой-либо другой вид энергии, то падение напряжения составит только часть напряжения, т. е. соотношение (16.116) для такого участка цепи будет неприменимо. В этом случае на участке обязательно действуют сторонние силы, т. е. имеется э. д. с.

В подводящих проводах, по которым идет ток от генератора к потребителю, всегда существует падение напряжения. Именно поэтому напряжение, у потребителя всегда меньше, чем на полюсах генератора. Падение напряжения в подводящих проводах иногда называют еще потерей напряжения.

Заметим еще, что устройства, которые включают в электрическую цепь для ограничения тока, называют резисторами.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector