Обычно для расчётов электрического тока пользуются законом Ома для участка цепи: I=U/R, где I – ток в цепи, U – напряжение, R – суммарное сопротивление. Ток в этой цепи может протекать через различные участки из разных проводов. Поэтому для расчётов силы тока в определённом участке проводника лучше применить закон Ома в дифференциальной форме. Так как плотность тока Ī – векторная величина, то формула закона имеет вид: Ī = γĒ, где γ – удельная проводимость, обратная удельному сопротивлению γ=1/R, а Ē – напряжённость электрического поля. Может выражаться закон Ома также в интегральных формах.
- Действие электродвижущих сил
- Движение тока по неоднородным проводникам
- Трактовка и пределы применимости закона Ома
- Видео
- Закон Ома и его применение
- Первоначальная и современная формулировка
- Практическое применение
- Сопротивление источника тока
- Эмпирический характер закона Ома
- Использование для переменного тока
- Применение на практике
- Видео по теме
- Лекция 11
- 1.Понятие о токе
- 2.Плотность тока и сила тока
- 3.Единицы силы и плотности тока
- 4.Действия электрического тока
- 5.Уравнение непрерывности
- 6.Поле в проводнике при постоянном токе
- 7.Закон Ома в дифференциальной форме
- 8.Закон Ома в интегральной форме.
- 9.Сопротивление и проводимость.
- Видео
Видео:Электродинамика | закон Ома в интегральной форме | для взрослыхСкачать
Действие электродвижущих сил
Электродвижущая сила (ЭДС) является скалярной величиной, характеризующей работу не электрических сил, заставляющих производить разность потенциалов на выходе.
Дополнительная информация. Скалярная величина – это когда она может быть выражена только определённым значением. В отличие от векторной величины, которая определяется не только значением, но и направлением.
Используется ЭДС в генераторах, преобразующих какую либо работу А (джоуль) в электрическую. Для этого могут быть использованы такие виды энергии по их происхождению:
- Механическая индукционная. Вывод ЭДС возникает при пересечении проводником линий магнитного поля;
- Механическая пьезоэлектрическая. Возникновение ЭДС происходит при деформации некоторых веществ;
- Световая энергия. Здесь ЭДС появляется в полупроводниках при действии на них световых лучей;
- Термическая энергия. ЭДС образуется, когда контакты из разнородных проводников находятся под разными температурами;
- Химическая энергия. Возникновение ЭДС происходит вследствие химических реакций.
В зависимости от характера энергии и устройства генератора ЭДС может возникать как переменная, так и постоянная. Переменная может быть как синусоидальная (магнитные индукционные генераторы), так и импульсная (пьезозажигалки). Постоянную ЭДС преобразуют в основном из химической (элементы питания, аккумуляторы), световой (фотоэлементы) энергий и температуры (элементы Пельтье).
ЭДС образует на разноименных проводниках разность потенциалов. Если не соединять проводником клеммы, на которых имеется разность потенциалов, то тока в цепи не будет. Следовательно, никакой энергии не будет израсходовано. На клеммах будет оставаться разность потенциалов. Работу для поддержания этой разности совершать не надо.
Если к клеммам с разностью потенциалов подключить проводник с нагрузкой, то через него будет протекать электрический ток, выполняя работу в нагрузке. При этом разность потенциалов на клеммах будет стремиться к 0, что приведёт к падению тока до 0. Для поддержания разности потенциалов стабильной величиной необходимо, чтобы ЭДС получала энергию. Эта энергия затрачивает работу, равную той, которая совершается в нагрузке.
Видео:6. Постоянный ток. Закон Ома в локальной и дифференциальной формеСкачать
Движение тока по неоднородным проводникам
Разность потенциалов, вызванная ЭДС, будет производить напряжение на клеммах генератора. ЭДС – это скалярная величина. При подключении к клеммам проводника через него потечёт ток, плотность которого выражается, например, Ī. Это уже векторная величина. Если ток создан только разностью потенциалов на клеммах, то векторы потенциала и плотности тока будут совпадать. Такой проводник называют однородным. Закон Ома для однородного участка цепи:
Неоднородный проводник, кроме сил, которые образованы разностями потенциалов, имеет сторонние силы. Для определения плотности тока Ī пользуются законом Ома в дифференциальной форме для неоднородных проводников:
Векторы и каждый участок проводника складываются, E – напряжённость, созданная разностью потенциалов на клеммах проводника (скалярная величина). Ē₁, Ē₂, Ēn – векторные величины напряжённости первой, второй и энной сторонних сил.
Так как γ – удельная проводимость проводника, обратная сопротивлению, ϕ₁ – потенциал на 1-ой точке, ϕ₂ – потенциал на 2-ой точке, то закон Ома для неоднородного участка цепи от 1-ой до 2-ой точки будет записываться так:
Для ознакомления металлы и их удельное сопротивление:
- Серебро – 1,6×10ˉ⁸Ом×м;
- Медь – 1,72×10ˉ⁸ Ом×м;
- Алюминий – 2,6×10ˉ⁸ Ом×м;
- Латунь – 3…7,0×10ˉ⁸ Ом×м;
- Бронза – 8,0×10ˉ⁸ Ом×м;
- Железо – 9,8×10ˉ⁸ Ом×м;
- Свинец – 2.0×10ˉ⁶Ом×м;
- Графит – 3…5,0×10ˉ⁵Ом×м.
Видео:Электродинамика | закон Ома в интегральной формеСкачать
Трактовка и пределы применимости закона Ома
Если необходимо определить одну из величин: ток, напряжение или сопротивление для однородной цепи, то пользуются формулой, формулировка которой изображена на рисунке.
Для удобства решения тождества величины изображены в треугольнике. Теперь, пользуясь первой формулой, зная сопротивление цепи и ток, можно высчитать напряжение, которое действует на замкнутый контур. Зная напряжение и сопротивление цепи, можно определить ток по 2-ой формуле. По 3-ей формуле высчитывают сопротивление нагрузки, зная напряжение и ток.
Существуют исключения, когда закон Ома не соблюдается. Примеры:
- В переменных ЭДС, если нагрузка имеет индукционный или ёмкостный характер. При повышении частоты из-за инерционности носителей заряда вступают в силу законы электродинамики. Конденсаторы и катушки индуктивности в качестве сопротивления для переменного тока, колебательный контур.
- Для веществ, обладающих сверхпроводимостью при низких температурах. Датчики измерительных приборов высокой точности, сверхпроводящие соленоиды, сверхпроводящие кабели с током 5 000 А.
- При высоких температурах, когда проводник начинает проявлять нелинейную характеристику сопротивления. Вольфрамовая нить лампы накаливания, спирали нагревательных элементов.
- При высоких напряжениях, когда происходит пробой диэлектрика. Свечи зажигания карбюраторных двигателей, наконечники для защиты от тлеющего разряда высоковольтных ЛЭП.
- В наполненных газом люминесцентных и вакуумных лампах. Люминесцентные лампы, вакуумные индикаторы, индикаторы тлеющего разряда.
- В полупроводниковых приборах с p-n переходами и в нелинейных полупроводниках. Это светодиоды, стабилитроны, транзисторы, электронные приборы.
Интересно. Используется закон Ома в дифференциальной форме, когда имеется несколько ЭДС, или цепь проводников находится под воздействием сторонних сил. К примеру, при зарядке аккумуляторов солнечными батареями или другими ЭДС, также в генераторах с обмотками возбуждения, если их дифференцировать.
Материалы проводников, к которым применяется закон Ома, названы оммическими или линейными проводниками. Те, у которых сопротивление имеет функциональную зависимость от интенсивности тока, – нелинейными. Так могут вести себя металлы при крайне низких или высоких температурах.
Видео:КАК ПОНЯТЬ ЗАКОН ОМА | ОБЪЯСНЯЮ НА ПАЛЬЦАХСкачать
Видео
Видео:Билеты №12-14 "Электрический ток"Скачать
Закон Ома и его применение
Несмотря на свою простоту, закон Ома является фундаментальным. Он позволяет рассчитывать параметры электрической цепи, обеспечивающих её работоспособность. Хотя этот закон и был выведен в начале 19 века, он активно применяется и сейчас. При его использовании важно понимать, какие физические процессы он отражает, как правильно их применять.
Видео:Законы Ома и Джоуля-Ленца в дифференциальной форме. Электрические цепи. Правила Кирхгофа. ЭлектродСкачать
Первоначальная и современная формулировка
Этот, на первый взгляд, простой закон был сформулирован немецким физиком Георгом Омом в 1826 году. Соответствующую научную статью он опубликовал в следующем году.
Интересно отметить, что появление этой работы не вызвало ажиотажа. Научная общественность оценила открытие Ома лишь после публикации работ физика Пулье аналогичного содержания в 1830 году. В 1833 Ом получил степень доктора в Нюрнбергском университете. В 1872 году единица измерения сопротивления стала называться Омом. В самой простой форме закон для участка цепи звучит так:
Закон носит эмпирический характер, так как он выражает обобщенный анализ большого количества опытных данных.
Сейчас формула закона Ома для полной электрической цепи имеет следующий вид:
- ℰ — ЭДС источника напряжения, В;
- I — сила тока в цепи, А.
- R — общее сопротивление всех внешних элементов цепи, Ом;
- r — внутреннее сопротивление источника напряжения, Ом.
Закон Ома для полной цепи учитывает полное сопротивление, которое представляет собой сумму сопротивления цепи R и внутреннего сопротивления источника тока r.
Георг Ом первоначально сформулировал его по-другому. Закон Ома для замкнутой цепи выглядел так:
X = a / ( b + l ), где
- a — величина, характеризующая источник тока. Сейчас говорят, что это электродвижущая сила источника тока;
- b представляет собой свойство электрической установки, которое теперь рассматривается в качестве внутреннего сопротивления источника тока;
- l — величина, зависящая от длины используемых проводов (в современных терминах она соответствует сопротивлению электрической цепи).
Как видно, закон Ома, применяемый для полной электрической цепи, в обоих вариантах имеет одинаковую формулировку.
Также применяется закон Ома в дифференциальной форме. В данном случае рассматриваются очень малые величины. Но это позволяет применять интегральное и дифференциальное исчисление для сложных случаев.
Видео:Урок 295. Вывод закона Ома из электронной теорииСкачать
Практическое применение
В большинстве случаев внутреннее сопротивление источника тока считают относительно малым по сравнению с тем, которое есть в электрической цепи. В этом случае применяется закон Ома для замкнутой цепи в сокращенной формулировке: I = U / R.
Чтобы лучше понять, какие физические процессы происходят в электрической цепи, нужно учитывать следующее:
- В источнике тока наблюдаются процессы, которые приводят к тому, что на клеммах образуется разность потенциалов. При подключении к ним электрической цепи по ней идёт ток. Принято считать, что он проходит от положительного потенциала к отрицательному.
- Ток представляет собой упорядоченное движение электронов. В веществе находится огромное количество этих частиц, которые перемещаются с большой скоростью от отрицательного потенциала к положительному.
- Скорость движения электронов зависит от материала проводника, через который они проходят, от его сечения и длины. Если последняя в 2 раза будет увеличена, то это удвоит сопротивление.
В электрической цепи используются резисторы в тех случаях, когда для работы прибора требуется строго определённое сопротивление. Если клеммы источника тока, говоря простыми словами, соединить напрямую, то сопротивление будет малым, а ток относительно большим. С одной стороны, большой ток в некоторых случаях способен расплавить провод, с другой он приводит к ускоренной разрядке батареи.
В веществе движение электронов не является свободным. Перемещаясь, частицы должны преодолевать сопротивление, расходуя на это свою энергию. Величина сопротивления зависит от конкретного материала. В проводниках электроны двигаются относительно легко. Через изоляторы ток пройти не может, за исключением тех случаев, когда подаётся настолько высокое напряжение, что такая ситуация создает пробой.
В полупроводниках происходят более сложные процессы, поскольку они отличаются жесткой кристаллической структурой. При наличии примесей определённого типа может возникать электронная или дырочная проводимость. Ток может представлять собой движение, как электронов, так и дырок.
Более точную характеристику сопротивления можно получить из следующей формулы:
С помощью удельного сопротивления можно охарактеризовать электрические свойства определённого вещества. Эта величина представляет собой сопротивление, которое имеет отрезок провода из данного материала длиной 1 м и площадью сечения 1 кв. мм.
Видео:Выпуск 126. Закон Ома в дифференциальной форме. Постоянный ток , проводимость . Задача номер 97 .Скачать
Сопротивление источника тока
Закон Ома для полной электрической цепи и формулы для расчета ее параметров характеризируют не только ток, проходящий через цепь, но и тот, который существует внутри источника тока. Закон Ома для участка цепи не учитывает наличие этой величины.
Батарея аккумулятора обеспечивает перемещение электронов от положительной клеммы к отрицательной. Через электрическую цепь они постоянно движутся в противоположном направлении. Уменьшение их количества на отрицательной клемме и избыток на положительной постоянно компенсируются процессами, происходящими внутри устройства.
Такое движение электронов также является электрическим током. При этом частицам приходится преодолевать внутреннее сопротивление источника тока. При увеличении температуры сопротивление может меняться, характер изменения зависит от конкретного материала.
Видео:Закон Джоуля-ЛенцаСкачать
Эмпирический характер закона Ома
При изучении природы электричества путем научных исследований происходит формулировка тех или иных законов. Они отличаются межу собой не только своим содержанием, но и тем, как были выведены. Некоторые законы представляют собой следствие из более общих утверждений, другие являются удачной попыткой объяснить многократно наблюдаемые факты.
Закон Ома для однородного участка фактически является попыткой создать правило, которое соответствует большому количеству наблюдений и экспериментов. Его формулировка на протяжении веков подтверждалась на практике, приобретая силу фундаментального закона физики. Закон Ома, представленный в интегральной форме, даёт возможность производить расчёты для различных электрических цепей.
Видео:Закон Ома. Дифференциальный его вид и интегральныйСкачать
Использование для переменного тока
Как известно, в цепи переменного тока действует как активное, так и реактивное сопротивление. Первое из них совпадает с тем, как понимали эту величину во времена Георга Ома. Однако индуктивное и емкостное сопротивления также тормозят движение электронов. В этом случае применяется закон Ома для переменного тока.
Чтобы использовать данный закон в таких цепях, вместо омического сопротивления следует рассматривать полное, которое учитывает суммарное воздействие активной и реактивной составляющих сопротивления.
В представленной схеме полное сопротивление обозначается как Z. Омическое, индуктивное и емкостное — соответственно R, XL и XC. Закон Ома для цепи переменного тока учитывает все эти разновидности. Формула расчёта подразумевает, что сложение сопротивлений происходит по правилу векторов.
Для определения всех сопротивлений используют прямоугольный треугольник, один катет которого выражает активное сопротивление, а второй – реактивное. Последнее равно разнице индуктивного и емкостного сопротивлений. Определение полного осуществляется по теореме Пифагора, согласно которой длина гипотенузы равна корню квадратному от суммы квадратов катетов.
Видео:Закон Ома. Законы Кирхгофа. Закон Джоуля-ЛенцаСкачать
Применение на практике
Когда нужно работать с электрической цепью, важно знать напряжение, силу тока, сопротивление во всей цепи или на отдельных участках. Если известны две из этих величин, то с помощью закона Георга Ома можно узнать третью без проведения непосредственных измерений.
Иногда требуется использовать закон Ома для неоднородного участка цепи. В этом случае его разбивают на отдельные зоны и сначала проводят вычисления для них.
Поскольку от электрических параметров зависят тепловые или химические воздействия, применяя закон Ома можно рассчитать возможный эффект. В частности, знание таких особенностей позволяет избежать разрушительного эффекта слишком высокой силы тока.
Закон Ома может быть выражен в интегральной и дифференциальной формах. В первом случае речь идёт о традиционной формулировке, а его выражение в дифференциальной форме учитывает удельную проводимость – величину, обратную удельному сопротивлению.
В заключение следует сказать, что измерение сопротивления осуществляется с помощью специального прибора — омметра. Но в работающей цепи это сделать невозможно. Определить величину сопротивления без отключения цепи можно расчетным путем используя закон Ома и предварительно измерив напряжение и силу тока на нужном участке цепи.
Видео:Закон Ома для участка цепи. Электрическое сопротивление проводника. 8 класс.Скачать
Видео по теме
Видео:Закон ОмаСкачать
Лекция 11
Видео:Урок 165 (осн). Закон Джоуля-ЛенцаСкачать
1.Понятие о токе
 |
Если речь идет о движении микрочастиц, то говорят о токе проводимости. А, если о движении макрочастиц, то говорят о токе конвекции.
Исторически сложилось, что за направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.
Видео:Урок 248. Задачи на вычисление сопротивления проводникаСкачать
2.Плотность тока и сила тока
Для характеристики постоянного тока вводят две физические величины: векторную – плотность тока и скалярную – сила тока.
|
Пусть все частицы одинаковые и имеют заряд q и скорость υ, которая называется средней или упорядоченной или дрейфовой скоростью.
|
Силу тока можно определять как заряд, прошедший через поперечное сечение проводника за время Δt. Данное выражение используется для определения единицы заряда.
Видео:Лекция 205. Закон Джоуля-ЛенцаСкачать
3.Единицы силы и плотности тока
| |
 Измерительные приборы, определяющие ток. |  Приборы нагревательных элементов. Происходят химические превращения при протекании тока. Видео:Урок 256. Закон Ома для полной (замкнутой) цепи.Скачать  5.Уравнение непрерывностиЗакон сохранения заряда утверждает, что в замкнутой системе заряд сохраняется. Если система не замкнута, то заряд может изменяться.
Данное уравнение называется уравнением непрерывности в интегральной форме. Производная по времени связана с временной зависимостью заряда. Данное уравнение считается постулатом. По смыслу – это закон изменения заряда. Используя понятие объемной плотности заряда и формулу Остроградского-Гаусса – уравнение непрерывности в дифференциальной форме. Если ток постоянный, то Видео:Что такое закон Ома?Скачать  6.Поле в проводнике при постоянном токе
Если есть ток, значит, есть движение зарядов, следовательно, есть сила, которая заставляет двигаться заряды, есть ток, есть напряженность, которая направлена вдоль тока. В общем случае напряженность направлена под углом к поверхности. Если есть напряженность, то градиент потенциала вдоль проводника не равен нулю, следовательно, потенциал вдоль проводника изменяется. Говорят о падении потенциала. Видео:Работа и мощность тока. Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля-Ленца. 10 класс.Скачать  7.Закон Ома в дифференциальной формеПлотность тока и напряженность вдоль проводника взаимосвязаны между собой. Разумно предположить, что это самая простая связь, т.е. линейная. где σ – удельная электропроводность. Данный закон является постулатом. Для металлов закон выполняется почти всегда, для полуметаллов начинаются отклонения при очень больших плотностях тока. Для других линейную связь можно заменить тензорной и закон Ома замыкает уравнения Максвелла. Из этого соотношения следует, что линии плотности тока и линии напряженности при постоянном токе совпадают, а, следовательно, распределение полей можно изучать по распределению тока (метод электролитической ванны). 8.Закон Ома в интегральной форме.Наряду с удельной электропроводностью, вводят понятие удельного сопротивления.
Сила тока I вдоль проводника не изменяется. Интеграл в левой части назовем сопротивлением проводника между точками 1 и 2.
– напряжение между точками электрической цепи. – закон Ома в интегральной форме. 9.Сопротивление и проводимость.Сопротивление зависит от геометрии и от вещества, из которого сделан проводник. Для цилиндрического проводника одинакового поперечного сечения оно вычисляется особенно просто.
Измерив сопротивление, можно вычислить ёмкость и наоборот. Данное устройство иногда называется конденсатором с утечкой. По физическому смыслу, удельное сопротивление – это сопротивление куба вещества с ребром 1 м, если подводящие провода подключены к центрам противоположных граней. |
, следовательно, линии плотности тока являются замкнутыми.
