Чему равна сила тока формула: Чему равна сила тока в электрической цепи. Напряжение тока. Сила тока. При каких условиях возникает электрический ток и что такое сила тока простыми словами

Содержание

Электрический ток — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Электрический ток. Сила тока. Сопротивление

К оглавлению…

В проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов, хотя в большинстве случае движутся электроны – отрицательно заряженные частицы.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени t, к этому интервалу времени:

Если ток не постоянный, то для нахождения количества прошедшего через проводник заряда рассчитывают площадь фигуры под графиком зависимости силы тока от времени.

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется

постоянным. Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно. В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах [А]. 1 А = 1 Кл/с.

Средняя сила тока находится как отношение всего заряда ко всему времени (т.е. по тому же принципу, что и средняя скорость или любая другая средняя величина в физике):

Если же ток равномерно меняется с течением времени от значения I1 до значения I2, то можно значение среднего тока можно найти как среднеарифметическое крайних значений:

Плотность тока – сила тока, приходящаяся на единицу поперечного сечения проводника, рассчитывается по формуле:

При прохождении тока по проводнику ток испытывает сопротивление со стороны проводника. Причина сопротивления – взаимодействие зарядов с атомами вещества проводника и между собой.

Единица измерения сопротивления 1 Ом. Сопротивление проводника R определяется по формуле:

где: l – длина проводника, S – площадь его поперечного сечения, ρ – удельное сопротивление материала проводника (будьте внимательны и не перепутайте последнюю величину с плотностью вещества), которое характеризует способность материала проводника противодействовать прохождению тока. То есть это такая же характеристика вещества, как и многие другие: удельная теплоемкость, плотность, температура плавления и т.д. Единица измерения удельного сопротивления 1 Ом·м. Удельное сопротивление вещества – табличная величина.

Сопротивление проводника зависит и от его температуры:

где: R

0 – сопротивление проводника при 0°С, t – температура, выраженная в градусах Цельсия, α – температурный коэффициент сопротивления. Он равен относительному изменению сопротивления, при увеличении температуры на 1°С. Для металлов он всегда больше нуля, для электролитов наоборот, всегда меньше нуля.

Диод в цепи постоянного тока

Диод – это нелинейный элемент цепи, сопротивление которого зависит от направления протекания тока. Обозначается диод следующим образом:

Стрелка в схематическом обозначении диода показывает, в каком направлении он пропускает ток. В этом случае его сопротивление равно нулю, и диод можно заменить просто на проводник с нулевым сопротивлением. Если ток течет через диод в противоположном направлении, то диод обладает бесконечно большим сопротивлением, то есть не пропускает ток совсем, и является разрывом в цепи. Тогда участок цепи с диодом можно просто вычеркнуть, так как ток по нему не идет.

 

Закон Ома. Последовательное и параллельное соединение проводников

К оглавлению…

Немецкий физик Г.Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (то есть проводнику, в котором не действуют сторонние силы) сопротивлением R, пропорциональна напряжению U на концах проводника:

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором

. Это соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при достаточно больших токах наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Проводники в электрических цепях можно соединять двумя способами:

последовательно и параллельно. У каждого способа есть свои закономерности.

1. Закономерности последовательного соединения:

Формула для общего сопротивления последовательно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь последовательно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R0 находится по формуле:

2. Закономерности параллельного соединения:

Формула для общего сопротивления параллельно соединенных резисторов справедлива для любого числа проводников. Если же в цепь параллельно включено n одинаковых сопротивлений R, то общее сопротивление R0 находится по формуле:

Электроизмерительные приборы

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением RB. Для того чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением

RA. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи.

 

ЭДС. Закон Ома для полной цепи

К оглавлению…

Для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической замкнутой цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются

сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу. Физическая величина, равная отношению работы Aст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС)

:

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи: сила тока в замкнутой цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на общее (внутреннее + внешнее) сопротивление цепи:

Сопротивление r – внутреннее (собственное) сопротивление источника тока (зависит от внутреннего строения источника). Сопротивление R – сопротивление нагрузки (внешнее сопротивление цепи).

Падение напряжения во внешней цепи при этом равно (его еще называют напряжением на клеммах источника):

Важно понять и запомнить: ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока не меняются, при подключении разных нагрузок.

Если сопротивление нагрузки равно нулю (источник замыкается сам на себя) или много меньше сопротивления источника, то тогда в цепи потечет ток короткого замыкания:

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик, и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

Несколько источников ЭДС в цепи

Если в цепи присутствует несколько ЭДС подключенных последовательно, то:

1. При правильном (положительный полюс одного источника присоединяется к отрицательному другого) подключении источников общее ЭДС всех источников и их внутреннее сопротивление может быть найдено по формулам:

Например, такое подключение источников осуществляется в пультах дистанционного управления, фотоаппаратах и других бытовых приборах, работающих от нескольких батареек.

2. При неправильном (источники соединяются одинаковыми полюсами) подключении источников их общее ЭДС и сопротивление рассчитывается по формулам:

В обоих случаях общее сопротивление источников увеличивается.

При параллельном подключении имеет смысл соединять источники только c одинаковой ЭДС, иначе источники будут разряжаться друг на друга. Таким образом суммарное ЭДС будет таким же, как и ЭДС каждого источника, то есть при параллельном соединении мы не получим батарею с большим ЭДС. При этом уменьшается внутреннее сопротивление батареи источников, что позволяет получать большую силу тока и мощность в цепи:

В этом и состоит смысл параллельного соединения источников. В любом случае при решении задач сначала надо найти суммарную ЭДС и полное внутреннее сопротивление получившегося источника, а затем записать закон Ома для полной цепи.

 

Работа и мощность тока. Закон Джоуля-Ленца

К оглавлению. ..

Работа A электрического тока I, протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлением R, преобразуется в теплоту Q, выделяющееся на проводнике. Эту работу можно рассчитать по одной из формул (с учетом закона Ома все они следуют друг из друга):

Закон преобразования работы тока в тепло был экспериментально установлен независимо друг от друга Дж.Джоулем и Э.Ленцем и носит название закона Джоуля–Ленца. Мощность электрического тока равна отношению работы тока A к интервалу времени Δt, за которое эта работа была совершена, поэтому она может быть рассчитана по следующим формулам:

Работа электрического тока в СИ, как обычно, выражается в джоулях (Дж), мощность – в ваттах (Вт).

 

Энергобаланс замкнутой цепи

К оглавлению…

Рассмотрим теперь полную цепь постоянного тока, состоящую из источника с электродвижущей силой ε и внутренним сопротивлением r и внешнего однородного участка с сопротивлением R. В этом случае полезная мощность или мощность, выделяемая во внешней цепи:

Максимально возможная полезная мощность источника достигается, если R = r и равна:

Если при подключении к одному и тому же источнику тока разных сопротивлений R1 и R2 на них выделяются равные мощности то внутреннее сопротивление этого источника тока может быть найдено по формуле:

Мощность потерь или мощность внутри источника тока:

Полная мощность, развиваемая источником тока:

КПД источника тока:

 

Электролиз

К оглавлению…

Электролитами принято называть проводящие среды, в которых протекание электрического тока сопровождается переносом вещества. Носителями свободных зарядов в электролитах являются положительно и отрицательно заряженные ионы. К электролитам относятся многие соединения металлов с металлоидами в расплавленном состоянии, а также некоторые твердые вещества. Однако основными представителями электролитов, широко используемыми в технике, являются водные растворы неорганических кислот, солей и оснований.

Прохождение электрического тока через электролит сопровождается выделением вещества на электродах. Это явление получило название электролиза.

Электрический ток в электролитах представляет собой перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду (катоду), отрицательные ионы – к положительному электроду (аноду). Ионы обоих знаков появляются в водных растворах солей, кислот и щелочей в результате расщепления части нейтральных молекул. Это явление называется электролитической диссоциацией.

Закон электролиза был экспериментально установлен английским физиком М.Фарадеем в 1833 году. Закон Фарадея определяет количества первичных продуктов, выделяющихся на электродах при электролизе. Итак, масса m вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна заряду Q, прошедшему через электролит:

Величину k называют электрохимическим эквивалентом. Он может быть рассчитан по формуле:

где: n – валентность вещества, NA – постоянная Авогадро, M – молярная масса вещества, е – элементарный заряд. Иногда также вводят следующее обозначение для постоянной Фарадея:

 

Электрический ток в газах и в вакууме

К оглавлению…

Электрический ток в газах

В обычных условиях газы не проводят электрический ток. Это объясняется электрической нейтральностью молекул газов и, следовательно, отсутствием носителей электрических зарядов. Для того чтобы газ стал проводником, от молекул необходимо оторвать один или несколько электронов. Тогда появятся свободные носителя зарядов — электроны и положительные ионы. Этот процесс называется ионизацией газов.

Ионизировать молекулы газа можно внешним воздействием — ионизатором. Ионизаторами может быть: поток света, рентгеновские лучи, поток электронов или α-частиц. Молекулы газа также ионизируются при высокой температуре. Ионизация приводит к возникновению в газах свободных носителей зарядов — электронов, положительных ионов, отрицательных ионов (электрон, объединившийся с нейтральной молекулой).

Если создать в пространстве, занятом ионизированным газом, электрическое поле, то носители электрических зарядов придут в упорядоченное движение – так возникает электрический ток в газах. Если ионизатор перестает действовать, то газ снова становится нейтральным, так как в нем происходит рекомбинация – образование нейтральных атомов ионами и электронами.

Электрический ток в вакууме

Вакуумом называется такая степень разрежения газа, при котором можно пренебречь соударением между его молекулами и считать, что средняя длина свободного пробега превышает линейные размеры сосуда, в котором газ находится.

Электрическим током в вакууме называют проводимость межэлектродного промежутка в состоянии вакуума. Молекул газа при этом столь мало, что процессы их ионизации не могут обеспечить такого числа электронов и ионов, которые необходимы для ионизации. Проводимость межэлектродного промежутка в вакууме может быть обеспечена лишь с помощью заряженных частиц, возникших за счет эмиссионных явлений на электродах.

Сила и плотность тока. Линии тока

Сила тока I для тока, протекающего через некоторую площадь сечения проводника S эквивалентна производной заряда q по времени t и количественно характеризует электрический ток.

Определение 1

Таким образом выходит, что сила тока — это поток заряженных частиц через некоторую поверхность S.

Определение 2

Электрический ток является процессом движения как отрицательных, так и положительных зарядов.

Перенос заряда одного знака в определенную сторону равен переносу заряда, обладающего противоположным знаком, в обратном направлении. В ситуации, когда ток образуется зарядами и положительного, и отрицательного знаков (dq+ и dq−), справедливым будет заключение о том, что сила тока равна следующему выражению:

I=dq+dt+dq-dt.

В качестве положительного определяют направление движения положительных зарядов. Ток может быть постоянным, когда ни сила тока, ни его направление не претерпевают изменений с течением времени, или, наоборот, переменным. При условии постоянства, формула силы тока может выражаться в следующем виде:

I=q∆t,

где сила тока определена в качестве заряда, который пересекает некоторую поверхность S в единицу времени. В системе СИ роль основной единицы измерения силы тока играет Ампер (А).

1A=1 Кл1 с.

Плотность тока. Связь плотности тока с зарядом и силой тока, напряженностью

Выделим в проводнике, в котором протекает ток, малый объем dV случайной формы. С помощью следующего обозначения υ определим среднюю скорость движения носителей зарядов в проводнике. Пускай n0 представляет собой концентрацию носителей заряда. На поверхности проводника выберем пренебрежительно малую площадку dS, которая расположена ортогонально скорости υ (рис. 1).

Рисунок 1

Проиллюстрируем на поверхности площадки dS очень короткий прямой цилиндр, имеющий высоту υdt. Весь массив частиц, которые располагались внутри такого цилиндра за время dt пересекут плоскость dS и перенесут через нее, в направлении скорости υ, заряд, выражающийся в виде следующего выражения:

dq=n0qeυdSdt,

где qe=1,6·10-19 Кл является зарядом электрона, другими словами отдельной частицы или же носителя тока. Разделим приведенную формулу на dSdt и получим:

j=dqdSdt,

где j представляет собой модуль плотности электрического тока.

j=n0qeυ,

где j является модулем плотности электрического тока в проводнике, в котором заряд переносится электронами. В случае, если ток появляется как результат движения нескольких типов зарядов, то формула плотности тока может быть определена в виде следующего выражения:

j=∑niqiυii,

где i представляет собой носитель заряда. Плотность тока — это векторная величина. Снова обратим внимание на рисунок 1. Пускай n→ представляет собой единичный перпендикуляр к плоскости dS. В случае, если частицы, переносящие заряд, являются положительными, то переносимый ими заряд в направлении нормали больше нуля. В общем случае переносимый в единицу времени элементарный заряд может быть записана в следующем виде:

dqdt=j→n→dS=jndS.

Формула приведенная выше справедлива также в том случае, когда плоскость площадки dS неортогональная по отношению к вектору плотности тока. По той причине, что составляющая вектора j→, направленная под прямым углом к нормали, через сечение dS электричества не переносит. Исходя из всего вышесказанного, плотность тока в проводнике окончательно запишем, применяя формулу j=n0qeυ в таком виде:

j→=-n0qeυ→.

Таким образом, плотность тока эквивалентна количеству электричества, другими словами заряду, который протекает за одну секунду через единицу сечения проводника. В отношении однородного цилиндрического проводника справедливым будет записать, что:

j=IS∆t,

где S играет роль площади сечения проводника. Плотность постоянного тока равна по всей площади сечения проводника. Для двух разных сечений проводника (S1,S2) с постоянным током справедливо следующее равенство:

j1j2=S2S1.

Основываясь на законе Ома для плотности токов можно записать такое выражение:

j→=λE→,

где λ обозначает коэффициент удельной электропроводности. Определив плотность тока, мы имеем возможность выразить силу тока в следующем виде:

I=∫SjndS,

где интегрирование происходит по всей поверхности S любого сечения проводника. Единица плотности тока Aм2.

Слишком сложно?

Не парься, мы поможем разобраться и подарим скидку 10% на любую работу

Опиши задание

Линии тока

Определение 3

Линии, вдоль которых движутся заряженные частицы, носят название линий тока.

Направления движения положительных зарядов также определяются в качестве направлений линий тока. Изобразив линии тока, можно получить наглядное представление о движении электронов и ионов, которые формируют собой ток. Если внутри проводника выделить трубку с током, у которой боковая поверхность состоит из линий тока, то движущиеся заряженные частицы не будут пересекать боковую поверхность данной трубки. Такую трубка представляет собой так называемую трубку тока. К примеру, поверхность металлической проволоки в изоляторе будет определяться как труба тока.

Пример 1

Сила тока в проводнике равномерно возрастает от 0 до 5 А на протяжении 20 с. Определите заряд, который прошел через поперечное сечение проводника за данный отрезок времени.

Решение

В качестве основы решения данной задачи возьмем формулу, которая характеризует собой силу тока, то есть:

I=dqdt.

Таким образом, заряд будет найден как:

q=∫t1t2Idt.

В условии задачи сказано, что сила тока изменяется равномерно, а это означает то, что мы можем записать закон изменения силы тока в следующем виде:

I=kt.

Найдем коэффициент пропорциональности в приведенном выражении, для чего необходимо запишем закон изменения силы тока еще раз для момента времени, при котором сила тока эквивалентна I2=3А (t2):

I2=kt2→k=I2t2.

Подставим выражение выше в I=kt и проинтегрируем в соответствии с q=∫t1t2Idt, получим формулу такого вида: q=∫t1t2ktdt=∫t1t2I2t2tdt=I2t2∫t1t2tdt=t22t1t2=I22t2t22-t12.

В качестве начального момента времени возьмем момент, когда сила тока эквивалентна нулю, другими словами t1=0, I1=0 A; t2=20, I2=5 А. Проведем следующие вычисления:

q=I22t2t22=I2t22=5·202=50 (Кл).

Ответ: q=50 Кл.

Пример 2

Определите среднюю скорость движения электронов в проводнике, молярная масса вещества которого эквивалентна μ, поперечное сечение проводника S. Сила тока в проводнике I. Примем, что на каждый атом вещества в проводнике приходится два свободных электрона.

Решение

Силу тока (I) в проводнике можно считать постоянной, что позволяет нам записать следующее выражение:

I=q∆t=Nqe∆t,

где заряд q определим как произведение числа электронов проводимости в проводнике, на заряд одного электрона qe, представляющего собой известную величину. ∆t играет роль промежутка времени, за который через поперечное сечение проводника проходит заряд q. Найти N можно, если применять известное в молекулярной физике соотношение:

N’NА=mμ=ρVμ,

где N′ играет роль количества атомов в проводнике, объем которого V, плотность ρ, а молярная масса μ. NA представляет собой число Авогадро. По условию задачи N=2N′. Найдем из N’NА=mμ=ρVμ число свободных электронов: N=2ρVμNA.

Подставим выражение, приведенное выше, в I=q∆t=Nqe∆t, в результате чего получим:

I=2ρVμNAqe∆t=2ρqeNASlμ∆t,

где объем проводника найден как V=Sl, где l — длина проводника. Выразим ее.

l=μ∆tI2ρqeNAS.

Среднюю скорость движения электронов или, другими словами, скорость тока в проводнике можно определить следующим образом: υ=l∆t=μI2ρqeNAS.

Ответ: υ=μI2ρqeNAS.

Зависимость мощности от силы тока, формула мощности, физический смысл

Первое упоминание об электричестве встречается в опытах древнегреческого философа Фалеса. Именно он первым обнаружил, что предметы при трении притягиваются. Одноименный термин был введен в начале 17-го века английским физиком Гилбертом, после опытов, проведенных с магнитами. Отцом же науки об электричестве считается французский ученый Кулон – именно после открытия закона, получившего его имя, электротехника начала свою победную поступь, которая продолжается до сих пор. Этот закон утверждает, что два точечных заряда в безвоздушной среде взаимодействуют с силой, прямо пропорциональной их модулям и обратно – расстоянию между ними, возведенному в квадрат.

Выясним, что же представляет собой понятие электричество?

Если коротко, то это – направленное движение потока заряженных частиц. Тела, через которые они проходят, называются проводниками. Каждый проводник имеет определенное сопротивление электрическому току, которое раз

И, перед тем, как перейти к основным законам, несколько слов о заряженных частицах: они бывают, условно говоря, положительными и отрицательными. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.

А теперь, перейдем к главному.

Основа-основ науки об электричестве – закон Ома.

Эксперимент, который провел этот немецкий физик, привел его к следующему убеждению: сила тока I, проходящего через металлический проводник, пропорциональна напряжению на его концах, или I = U/R

Здесь напряжением называется разность, образно говоря, «давлений», созданных двумя точками электрической цепи. Измеряют его в вольтах. Электрический ток представляет собой число электронов, которые пропускает участок электрической цепи и измеряется в амперах. Сопротивлением считается свойство цепи помешать этому движению. В честь упомянутого физика, его измеряют в омах. Иначе говоря, проводник, через который проходит ток в 1 ампер при напряжении в 1 вольт, обладает сопротивлением в 1 ом.

Вся остальная электротехника «пляшет» от этого.

О мощности электрического тока

В физике мощностью считают скорость выполнения работы. Неважно, какой. Чем эта операция проводится быстрее, тем большей считается мощность того, кто ее исполняет, будь то человек, механическое устройство или что-то еще.

Так же и в случае с электрическим током: ее мощность представляет собой отношение работы, произведенной движущимися электрическими зарядами к промежутку времени, которое для этого понадобилось.

Проще говоря, для того, чтобы получить электрическую мощность в 1 ватт, когда источник тока имеет напряжение 1 вольт, необходимо пропустить через проводник ток в 1 ампер. Другими словами, мощность (P) можно посчитать, перемножив друг на друга электрическое напряжение и ток:

P = U*I.

Запомнив эту нехитрую формулу, на практике можно рассчитать мощность. Например, если известны значения тока и сопротивления, а о напряжении сведений нет, можем воспользоваться законом Ома, подставив в формулу вместо него I*R. Получится, что мощность равна квадрату электрического тока, помноженному на сопротивление.

Этот закон точно так же придет на помощь, если известны величины напряжения и сопротивления. В этом случае подставив вместо значения тока I = U/R, получим значение мощности, равное квадрату напряжения, поделенному на сопротивление.

Вот так – ничего сложного!

Электричество и магнетизм

Таким образом, скорость  в выражении (4.7) — это дрейфовая скорость носителей тока в присутствии внешнего электрического поля или любого другого силового поля, обуславливающего направленное (упорядоченное) движение носители заряда. Если в веществе возможно движение зарядов разного знака, то полная плотность тока определяется векторной суммой плотностей потоков заряда каждого знака.

Как уже указывалось, в отсутствие электрического поля движение носителей заряда хаотично и не создает результирующего тока. Если, приложив электрическое поле, сообщить носителям заряда даже малую (по сравнению с их тепловой скоростью) скорость дрейфа, то, из-за наличия в проводниках огромного количества свободных электронов, возникнет значительный ток.

Поскольку дрейфовая скорость носителей тока создается электрическим полем, логично предположить пропорциональность

так что и плотность тока будет пропорциональна вектору напряженности (рис. 4.4)

                              

(4.9)

Более подробно этот вопрос обсуждается в Дополнении

Входящий в соотношение (4.9) 

Коэффициент пропорциональности   называется проводимостью вещества проводника. 

Проводимость связывает напряженность поля в данной точке с установившейся скоростью «течения» носителей заряда. Поэтому она может зависеть от локальных свойств проводника вблизи этой точки (то есть от строения вещества), но не зависит от формы и размеров проводника в целом. Соотношение (4.9) носит название закона Ома для плотности тока в проводнике (его называют также законом Ома в дифференциальной форме).

Рис. 4.4. Силовые линии электрического поля совпадают с линиями тока 

Чтобы понять порядки величин, оценим дрейфовую скорость носителей заряда в одном из наиболее распространенных материалов — меди. Возьмем для примера силу тока I = 1 А, и пусть площадь поперечного сечения провода составляет
1 мм2 = 10–6 м2. Тогда плотность тока равна j = 106 А/м2. Теперь воспользуемся соотношением (4.7)

Носителями зарядов в меди являются электроны (е = 1.6·10-19 Кл), и нам осталось оценить их концентрацию . В таблице Менделеева медь помещается в первой группе элементов, у нее один валентный электрон, который может быть отдан в зону проводимости. Поэтому число свободных электронов примерно совпадает с числом атомов. Берем из справочника плотность меди — r Cu=8,9·10кг/м3. Молярная масса меди указана в таблице Менделеева — MCu = 63,5·10–3 кг/моль. Отношение 

 

— это число молей в 1 м3. Умножая на число Авогадро Na = 6,02·1023 моль–1, получаем число атомов в единице объема, то есть концентрацию электронов

Теперь получаем искомую оценку дрейфовой скорости электронов

Для сравнения: скорости хаотического теплового движения электронов при 20°С в меди по порядку величины составляют 106 м/с, то есть на одиннадцать порядков величины больше. 

Возьмем произвольную воображаемую замкнутую поверхность S, которую в разных направлениях пересекают движущиеся заряды. Мы видели, что полный ток через поверхность равен

где dq — заряд, пересекающий поверхность за время dt. Обозначим через q ‘ заряд, находящийся внутри поверхности. Его можно выразить через плотность заряда , проинтегрированную по всему объему, ограниченному поверхностью

Из фундаментального закона природы — закона сохранения заряда — следует, что заряд dq, вышедший через поверхность за время dt, уменьшит заряд q ‘ внутри поверхности точно на эту же величину, то есть dq ‘ = –dq  или

Подставляя сюда написанные выше выражения для скоростей изменения заряда внутри поверхности , получаем математическое соотношение, выражающее закон сохранения заряда в интегральной форме

                          

(4.10)

Напомним, что интегрирования ведутся по произвольной поверхности S и ограниченному ею объему V.

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца – FIZI4KA

1. Электрический ток, проходя по цепи, производит разные действия: тепловое, механическое, химическое, магнитное. При этом электрическое поле совершает работу, и электрическая энергия превращается в другие виды энергии: во внутреннюю, механическую, энергию магнитного поля и пр.

Как было показано, напряжение ​\( (U) \)​ на участке цепи равно отношению работы ​\( (F) \)​, совершаемой при перемещении электрического заряда ​\( (q) \)​ на этом участке, к заряду: ​\( U=A/q \)​. Отсюда ​\( A=qU \)​. Поскольку заряд равен произведению силы тока ​\( (I) \)​ и времени ​\( (t) \)​ ​\( q=It \)​, то ​\( A=IUt \)​, т.е. работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке, силы тока и времени, в течение которого совершается работа.

Единицей работы является джоуль (1 Дж). Эту единицу можно выразить через электрические единицы:

​\( [A] \)​= 1 Дж = 1 В · 1 А · 1 с

Для измерения работы используют три измерительных прибора: амперметр, вольтметр и часы, однако, в реальной жизни для измерения работы электрического тока используют счётчики электрической энергии. 2Rt \)​.

Количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока но проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Этот закон называют законом Джоуля-Ленца.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. Силу тока в проводнике увеличили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в нём за единицу времени, при неизменном сопротивлении проводника?

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

2. Длину спирали электроплитки уменьшили в 2 раза. Как изменится количество теплоты, выделяющееся в спирали за единицу времени, при неизменном напряжении сети?

1) увеличится в 4 раза
2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 2 раза
4) уменьшится в 4 раза

3. Сопротивления резистор ​\( R_1 \)​ в четыре раза меньше сопротивления резистора ​\( R_2 \)​. Работа тока в резисторе 2

1) в 4 раза больше, чем в резисторе 1
2) в 16 раз больше, чем в резисторе 1
3) в 4 раза меньше, чем в резисторе 1
4) в 16 раз меньше, чем в резисторе 1

4. Сопротивление резистора ​\( R_1 \)​ в 3 раза больше сопротивления резистора ​\( R_2 \)​. Количество теплоты, которое выделится в резисторе 1

1) в 3 раза больше, чем в резисторе 2
2) в 9 раз больше, чем в резисторе 2
3) в 3 раза меньше, чем в резисторе 2
4) в 9 раз меньше, чем в резисторе 2

5. Цепь собрана из источника тока, лампочки и тонкой железной проволоки, соединенных последовательно. Лампочка станет гореть ярче, если

1) проволоку заменить на более тонкую железную
2) уменьшить длину проволоки
3) поменять местами проволоку и лампочку
4) железную проволоку заменить на нихромовую

6. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения напряжения на концах двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока ​\( A_1 \)​ и ​\( A_2 \)​ в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​\( A_1=A_2 \)​
2) \( A_1=3A_2 \)
3) \( 9A_1=A_2 \)
4) \( 3A_1=A_2 \)

7. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения силы тока в двух проводниках (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения работы тока \( A_1 \)​ и ​\( A_2 \) в этих проводниках за одно и то же время.

1) ​\( A_1=A_2 \)​
2) \( A_1=3A_2 \)
3) \( 9A_1=A_2 \)
4) \( 3A_1=A_2 \)

8. Если в люстре для освещения помещения использовать лампы мощностью 60 и 100 Вт, то

А. Большая сила тока будет в лампе мощностью 100 Вт.
Б. Большее сопротивление имеет лампа мощностью 60 Вт.

Верным(-и) является(-ются) утверждение(-я)

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

9. Электрическая плитка, подключённая к источнику постоянного тока, за 120 с потребляет 108 кДж энергии. Чему равна сила тока в спирали плитки, если её сопротивление 25 Ом?

1) 36 А
2) 6 А
3) 2,16 А
4) 1,5 А

10. Электрическая плитка при силе тока 5 А потребляет 1000 кДж энергии. Чему равно время прохождения тока по спирали плитки, если её сопротивление 20 Ом?

1) 10000 с
2) 2000 с
3) 10 с
4) 2 с

11. Никелиновую спираль электроплитки заменили на нихромовую такой же длины и площади поперечного сечения. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями при включении плитки в электрическую сеть. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами. Цифры в ответе могут повторяться.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) электрическое сопротивление спирали
Б) сила электрического тока в спирали
B) мощность электрического тока, потребляемая плиткой

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ
1) увеличилась
2) уменьшилась
3) не изменилась

12. Установите соответствие между физическими величинами и формулами, по которым эти величины определяются. Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
A) работа тока
Б) сила тока
B) мощность тока

ФОРМУЛЫ
1) ​\( \frac{q}{t} \)​
2) ​\( qU \)​
3) \( \frac{RS}{L} \)​
4) ​\( UI \)​
5) \( \frac{U}{I} \)​

Часть 2

13. Нагреватель включён последовательно с реостатом сопротивлением 7,5 Ом в сеть с напряжением 220 В. Каково сопротивление нагревателя, если мощность электрического тока в реостате составляет 480 Вт?

Ответы

Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля-Ленца

2.6 (51%) 20 votes

Что такое закон Ома? | Fluke

Закон Ома — это формула, которая используется для расчета соотношения между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи.

Для студентов, которые изучают электронику, закон Ома (E = IR) так же важен, как уравнение относительности Эйнштейна (E = mc²) для физиков.

E = I x R

Иными словами, напряжение равно произведению силы тока и сопротивления ( В = A × Ом).

Закон Ома назван в честь немецкого физика Георга Ома (1789–1854 гг.). Этот закон учитывает ключевые количественные характеристики цепей:

ВеличинаОбозначение в
законе Ома
Единица измерения
(сокращение)
Роль в цепяхЕсли вам интересно:
НапряжениеEвольт (В)Давление, которое запускает поток электроновE = электродвижущая сила (традиционный термин)
Сила токаIампер (A)Скорость потока электроновI = интенсивность
СопротивлениеRОм (Ω)Препятствует потоку электроновΩ = греческая буква омега

Если известны два из этих значений, технические специалисты могут рассчитать третье значение на основе закона Ома. Для этого достаточно изменить пирамиду следующим образом:

Если известно напряжение (E) и сила тока (I) и нужно узнать сопротивление (R), вычеркните R в пирамиде и решите полученное уравнение (см. выше первую — крайнюю левую — пирамиду).

Примечание. Измерение сопротивления в работающей цепи невозможно, поэтому закон Ома особенно полезен при расчете сопротивления. Вместо отключения цепи для измерения сопротивления технический специалист может определить величину R с помощью закона Ома.

Если известны напряжение (E) и сопротивление (R), вы можете рассчитать силу тока (I). Для этого вычеркните символ I в пирамиде и решите полученное уравнение (см. среднюю пирамиду выше).

Если известны сила тока (I) и сопротивления (R), вы можете рассчитать напряжение (E). Для этого перемножьте значения в основании пирамиды (см. выше третью — крайнюю правую — пирамиду).

Попробуйте выполнить несколько расчетов для простой последовательной цепи, в которой есть только один источник напряжения (батарея) и сопротивление (лампочка). В каждом примере известны два значения. Используйте закон Ома для расчета третьей величины.

Пример 1. Известны напряжение (E) и сопротивление (R).

Чему равна сила тока в цепи?

I = E/R = 12 В / 6 Ом = 2 А

Пример 2. Известны напряжение (E) и сила тока (I).

Чему равно сопротивление лампочки?

R = E/I = 24 В / 6 А = 4 Ом

Пример 3. Известны сила тока (I) и сопротивление (R). Чему равно напряжение?

Чему равно напряжение в цепи?

E = I x R = (5 A)(8 Ом) = 40 В

Ом опубликовал полученную формулу в 1827 году. Согласно этой формуле, количество электрического тока, проходящего через проводник, прямо пропорционально воздействующему напряжению. Иными словами, чтобы ток силой один ампер мог преодолеть сопротивление 1 Ом, требуется напряжение в 1 В.

Для чего используется закон Ома?

Закон Ома можно использовать для проверки статических характеристик компонентов в цепи и источников напряжения, а также значений тока и падений напряжения. Например, если измерительный прибор обнаруживает силу тока, превышающую нормальное значение, это может означать, что уменьшилось сопротивление либо повысилось напряжение. Это может указывать на неисправность цепи или источника питания.

В цепях постоянного тока падение силы тока ниже нормального значения может означать, что понизилось напряжение либо повысилось сопротивление цепи. Причинами повышения сопротивления могут быть плохие или ослабленные соединения, коррозия и/или повреждение компонентов.

Нагрузки в цепи потребляют электрический ток. Нагрузкой может быть любой компонент: небольшие электрические устройства, компьютеры, бытовые приборы или большие двигатели. Большинство этих компонентов (нагрузок) оснащены паспортной табличкой или информационной наклейкой. Паспортные таблички содержат информацию о сертификации безопасности и различные идентификационные номера.

По паспортным табличкам на компонентах технические специалисты определяют стандартные значения напряжения и силы тока. Если во время проверки цифровые мультиметры или токоизмерительные клещи не регистрируют стандартные значения, технические специалисты могут использовать закон Ома для выявления элемента цепи, который привел к неисправности.

Основная информация об электрических цепях

Цепи, как и все материальные объекты, состоят из атомов. Атомы состоят из субатомных частиц:

  • Протонов (с положительным электрическим зарядом)
  • Нейтронов (без заряда)
  • Электронов (с отрицательным электрическим зарядом)

Атомы удерживаются силами притяжения между ядром атома и электронами на внешней оболочке. Под воздействием напряжения атомы в цепи начинают перестраиваться, а их частицы создают потенциал притяжения, который называется разницей потенциалов. Взаимно притягиваемые свободные электроны движутся по направлению к протонам, создавая поток электронов (ток). Любой материал в цепи, ограничивающий этот поток, рассматривается как источник сопротивления.

Ссылка: Digital Multimeter Principles by Glen A. Mazur, American Technical Publishers.

Статьи на связанные темы

Закон Ома для полной цепи

1. Источник тока

При прохождении тока в проводнике выделяется некоторое количество теплоты. Согласно закону сохранения энергии при этом в электрическую цепь должна поступать энергия.

Может ли источником этой энергии быть электростатическое поле? Нет, не может, потому что при перемещении заряда вдоль всей цепи, то есть по замкнутой траектории, работа электростатического поля равна кулю.

Следовательно, для существования тока в замкнутой цепи в ней должен быть участок, на котором свободные заряды движутся против сил электростатического поля. Таким участком цепи является источник тока (рис. 59.1).

В источнике тока на свободные заряды действуют силы, которые имеют не электростатическую природу. Их называют сторонними силами. В результате действия сторонних сил происходит разделение зарядов: на одном полюсе источника тока накапливается положительный заряд, а на другом – отрицательный. Вследствие этого возникает электростатическое поле, которое движет свободные заряды в электрической цепи вне источника тока, то есть во внешней цепи.

В химических источниках тока сторонние силы имеют химическую природу. Например, если погрузить цинковый и медный электроды в серную кислоту, то положительные ионы цинка будут чаще покидать электрод, чем положительные ионы меди. В результате между медным и цинковым электродами возникнет разность потенциалов: потенциал медного электрода будет больше, чем цинкового. Медный электрод станет положительным полюсом источника тока, а цинковый – отрицательным.

В генераторах электростанций сторонними силами являются силы, действующие на свободные электроны в металле со стороны вихревого электрического поля, порождаемого переменным магнитным полем. Работа вихревого электрического поля по перемещению заряда вдоль замкнутого контура не равна нулю. Действие генераторов тока мы рассмотрим в курсе физики 11-го класса.

Электродвижущая сила источника тока

В источнике тока сторонние силы, перемещая свободные заряды против действия сил электростатического поля, совершают работу, которую мы обозначим Aстор.

Эта работа пропорциональна заряду q, который перемещается вдоль цепи за данный промежуток времени. Поэтому отношение работы сторонних сил к величине заряда не зависит ни от Aстор, ни от q. Следовательно, оно является характеристикой источника тока. Это отношение называют электродвижущей силой источника (ЭДС) и обозначают ξ:

ξ = Aстор/q.     (1)

(Это название не совсем удачно, потому что ЭДС – не «сила» в механическом смысле, а энергетическая характеристика источника.)

ЭДС, как и напряжение, измеряют в вольтах. Например, ЭДС батарейки составляет несколько вольт.

2. Закон Ома для полной цепи

Если сила тока в цепи равна I, то за время t по цепи проходит заряд q = It. Поэтому формулу (1) можно записать в виде

Aстор = ξIt.     (2)

При этом во внешней цепи сопротивлением R выделяется количество теплоты

Qвнеш = I2Rt,     (3)

а внутри источника тока выделяется количество теплоты

Qвнутр = I2rt,     (4)

где r – сопротивление источника, которое называют его внутренним сопротивлением.

Из закона сохранения энергии следует, что

Qвнеш + Qвнутр = Aстор.     (5)

? 1. Докажите, что из формул (2) – (5) следует:

I = ξ / (R + r).     (6)

Это соотношение называют законом Ома для полной цепи.

Сумму сопротивлений R + r называют полным сопротивлением цепи.

? 2. ЭДС источника тока 12 В, а его внутреннее сопротивление равно 2 Ом.
а) Чему равна сила тока в цепи, если сопротивление внешней цепи равно 4 Ом?
б) Какова максимально возможная сила тока в цепи? При каком сопротивлении внешней цепи это имеет место?

? 3. При внешнем сопротивлении 2 Ом сила тока в цепи равна 1,5 А, а при внешнем сопротивлении 4 Ом сила тока равна 1 А.
а) Чему равно внутреннее сопротивление источника?
б) Чему равна ЭДС источника?

Напряжение на полюсах источника

Закон Ома для полной цепи можно записать в виде

ξ = IR + Ir.     (7)

Первое слагаемое в этой формуле согласно закону Ома для участка цепи равно напряжению U на полюсах источника тока:

IR = U.

Поэтому формулу (7) можно записать в виде

U = ξ – Ir.     (8)

Формула (8) выражает зависимость напряжения U на полюсах источника тока от силы тока I в цепи.

Поставим опыт
Зависимость U(I) можно измерить на опыте, изменяя силу тока в цепи с помощью реостата (рис. 59.2, а, б). Красная пунктирная линия на схеме 59.2, б показывает, как идет ток в реостате. Например, если ползунок реостата, изображенного на рисунке 59,2, а, сдвинуть вправо, то сопротивление реостата увеличится, потому что увеличится длина обмотки, по которой идет ток.

? 4. На рисунке 59.3 изображен график зависимости U(I) для некоторого источника тока.

а) Чему равна ЭДС этого источника тока?
б) Чему равна наибольшая сила тока?
в) Чему равно внутреннее сопротивление источника тока?
г) Чему равно внешнее сопротивление, когда сила тока равна нулю?
д) Чему равно внешнее сопротивление, когда сила тока максимальна?
е) Чему равно внешнее сопротивление при I = 1,5 А?

Максимальное напряжение на полюсах источника равно ξ. Это имеет место при I = 0. Сила тока равна нулю, когда полюса источника разомкнуты (в этом случае внешнее сопротивление цепи является бесконечно большим).

Следовательно, напряжение между разомкнутыми полюсами источника тока равно ЭДС этого источника.

Минимальное же напряжение между полюсами источника равно нулю. Это имеет место при коротком замыкании, когда внешнее сопротивление R = 0. В этом случае сила тока максимальна. Ее называют силой тока короткого замыкания.

? 5. Покажите, что сила тока короткого замыкания выражается формулой

Iка = ξ/r.     (9)

Подсказка. Воспользуйтесь законом Ома для полной цепи.

Из формулы (9) видно, что при очень малом внутреннем сопротивлении источника (как, например, у автомобильного аккумулятора) сила тока короткого замыкания будет очень большой, что может вывести источник тока из строя.

? 6. Сила тока при коротком замыкании батарейки равна 2 А. Когда к батарейке подключили резистор сопротивлением 4 Ом, сила тока стала равной 1 А.
а) Как изменилось полное сопротивление цепи?
б) Чему равно внутреннее сопротивление батарейки?

Измерив напряжение на полюсах источника и силу тока в цепи при двух различных значениях сопротивления внешней цепи, можно найти ЭДС ξ и внутреннее сопротивление r источника тока. Это можно сделать графически и аналитически.

? 7. При силе тока в цепи 2 А напряжение на полюсах источника равно 8 В, а при силе тока 4 А напряжение на полюсах равно 4 В.
а) Постройте систему координат I, U и нанесите две точки графика зависимости U(I) согласно приведенным данным.
б) Проведите прямую через эти точки и отметьте точки пересечения этой прямой с осями координат. Используя этот график, найдите, чему равны ЭДС, сила тока короткого замыкания и внутреннее сопротивление источника тока.
в) Используя уравнение (8), составьте систему двух уравнений с двумя неизвестными ξ и r и решите ее.

3. КПД источника тока

Работу тока во внешней цепи называют полезной работой. Обозначим ее Aпол. Используя формулу для работы тока, получаем:

Aпол = I2Rt.

Поскольку источник обладает внутренним сопротивлением, полезная работа меньше работы сторонних сил, потому что часть работы сторонних сил расходуется на выделение в источнике тока количества теплоты I2rt. Поскольку

Aстор = I2Rt + I2rt,

получаем для отношения полезной работы к работе сторонних сил:

η = Aпол / Aстор = (I2Rt) / (I2Rt + I2rt) = R / (R + r).

Это отношение, выраженное в процентах, называют КПД источника тока.

? 8. При каком отношении внешнего сопротивления к внутреннему сопротивлению КПД источника тока равен: 50 %; 80 %? Почему случай, когда КПД источника тока равен 100 %, не представляет практического интереса?


Дополнительные вопросы и задания

9. На рисунке 59.4 изображена схема измерения зависимости напряжения U на полюсах источника тока от силы тока I. Амперметр и вольтметр считайте идеальными. Сопротивление всей обмотки реостата 16 Ом. При первом положении ползунка реостата показания приборов 3 А и 8 В, а при втором положении – 2 А и 12 В.

а) Как сдвинули ползунок реостата между первым и вторым измерениями – влево или вправо?
б) Чему равны ЭДС источника тока и его внутреннее сопротивление?
в) Каковы будут показания приборов, если ползунок реостата передвинуть в крайнее левое положение? в крайнее правое?

10. При силе тока 6 А мощность тока во внешней цепи равна 90 Вт, а при силе тока 2 А она равна 60 Вт.
а) Чему равна ЭДС источника тока?
б) Чему равно внутреннее сопротивление источника тока?
в) Чему равно напряжение на полюсах источника в первом и втором случаях?
г) Чему равен КПД источника тока в первом и втором случаях?

Закон Ома и соотношение V-I-R

В физике есть определенные формулы, которые настолько сильны и распространены, что достигают уровня общеизвестных знаний. Студент, изучающий физику, записывал такие формулы столько раз, что запоминал их, даже не пытаясь. Безусловно, для профессионалов в этой области такие формулы настолько важны, что остаются в их сознании. В области современной физики E = m • c 2 . В области ньютоновской механики существует F net = m • a.В области волновой механики v = f • λ. А в области текущего электричества ΔV = I • R.

Преобладающим уравнением, которое пронизывает изучение электрических цепей, является уравнение

ΔV = I • R

Другими словами, разность электрических потенциалов между двумя точками в цепи ( ΔV ) эквивалентна произведению тока между этими двумя точками ( I ) и общего сопротивления всех электрических устройств, присутствующих между этими двумя точками ( R ).В остальной части этого раздела Физического класса это уравнение станет самым распространенным уравнением, которое мы видим. Это уравнение, часто называемое уравнением закона Ома , является мощным предсказателем взаимосвязи между разностью потенциалов, током и сопротивлением.

Закон Ома как предсказатель тока

Уравнение закона Ома можно переформулировать и выразить как

В качестве уравнения это служит алгебраическим рецептом для вычисления тока, если известны разность электрических потенциалов и сопротивление.Тем не менее, хотя это уравнение служит мощным рецептом решения проблем, это гораздо больше. Это уравнение указывает на две переменные, которые могут повлиять на величину тока в цепи. Ток в цепи прямо пропорционален разности электрических потенциалов, приложенной к ее концам, и обратно пропорционален общему сопротивлению внешней цепи. Чем больше напряжение батареи (то есть разность электрических потенциалов), тем больше ток. И чем больше сопротивление, тем меньше ток.Заряд идет с наибольшей скоростью, когда напряжение аккумулятора увеличивается, а сопротивление уменьшается. Фактически, двукратное увеличение напряжения батареи привело бы к двукратному увеличению тока (если все остальные факторы остаются равными). А увеличение сопротивления нагрузки в два раза приведет к уменьшению тока в два раза до половины его первоначального значения.

Приведенная ниже таблица иллюстрирует это соотношение как качественно, так и количественно для нескольких цепей с различными напряжениями и сопротивлением батарей.


Строки 1, 2 и 3 показывают, что удвоение и утроение напряжения батареи приводит к удвоению и утроению тока в цепи. Сравнение строк 1 и 4 или строк 2 и 5 показывает, что удвоение общего сопротивления служит для уменьшения вдвое тока в цепи.

Поскольку на ток в цепи влияет сопротивление, в цепях электроприборов часто используются резисторы, чтобы влиять на величину тока, присутствующего в ее различных компонентах.Увеличивая или уменьшая величину сопротивления в конкретной ветви цепи, производитель может увеличивать или уменьшать величину тока в этой ветви . Кухонные приборы, такие как электрические миксеры и переключатели света, работают, изменяя ток на нагрузке, увеличивая или уменьшая сопротивление цепи. Нажатие различных кнопок на электрическом микшере может изменить режим с микширования на взбивание, уменьшив сопротивление и позволив большему току присутствовать в миксере.Точно так же поворот ручки регулятора яркости может увеличить сопротивление его встроенного резистора и, таким образом, уменьшить ток.

На схеме ниже изображена пара цепей, содержащих источник напряжения (аккумуляторная батарея), резистор (лампочка) и амперметр (для измерения тока). В какой цепи у лампочки наибольшее сопротивление? Нажмите кнопку «Посмотреть ответ», чтобы убедиться, что вы правы.


Уравнение закона Ома часто исследуется в физических лабораториях с использованием резистора, аккумуляторной батареи, амперметра и вольтметра.Амперметр — это устройство, используемое для измерения силы тока в заданном месте. Вольтметр — это устройство, оснащенное датчиками, которых можно прикоснуться к двум точкам цепи, чтобы определить разность электрических потенциалов в этих местах. Изменяя количество ячеек в аккумуляторной батарее, можно изменять разность электрических потенциалов во внешней цепи. Вольтметр может использоваться для определения этой разности потенциалов, а амперметр может использоваться для определения тока, связанного с этим ΔV.К батарейному блоку можно добавить батарею, и процесс можно повторить несколько раз, чтобы получить набор данных I-ΔV. График зависимости I от ΔV даст линию с крутизной, эквивалентной обратной величине сопротивления резистора. Его можно сравнить с заявленным производителем значением, чтобы определить точность лабораторных данных и справедливость уравнения закона Ома.

Величины, символы, уравнения и единицы!

Тенденция уделять внимание единицам — неотъемлемая черта любого хорошего студента-физика.Многие трудности, связанные с решением проблем, могут быть связаны с тем, что не уделили внимание подразделениям. Поскольку все больше и больше электрических величин и их соответствующие метрические единицы вводятся в этом разделе учебного пособия «Физический класс», становится все более важным организовать информацию в своей голове. В таблице ниже перечислены некоторые из введенных количеств. Символ, уравнение и соответствующие метрические единицы также указаны для каждой величины.Было бы разумно часто обращаться к этому списку или даже делать свою копию и добавлять ее по мере развития модуля. Некоторые студенты считают полезным составить пятый столбец, в котором приводится определение каждой величины.

Кол-во Символ Уравнение (я) Стандартная метрическая единица Другие единицы
Разность потенциалов

(г.k.a. напряжение)

ΔV ΔV = ΔPE / Q

ΔV = I • R

Вольт (В) J / C
Текущий я I = Q / т

I = ΔV / R

Амперы (А) Усилитель или К / с

или В / Ом

Мощность п P = ΔPE / т

(еще предстоит)

Ватт (Вт) Дж / с
Сопротивление р R = ρ • L / A

R = ΔV / I

Ом (Ом) В / А
Энергия E или ΔPE ΔPE = ΔV • Q

ΔPE = P • t

Джоуль (Дж) V • C или

Вт • с

(Обратите внимание, что символ единицы C представляет единицу Coulombs. )

В следующем разделе Урока 3 мы еще раз рассмотрим количественную мощность. Новое уравнение мощности будет введено путем объединения двух (или более) уравнений в приведенной выше таблице.

Мы хотели бы предложить … Зачем просто читать об этом и когда можно с этим взаимодействовать? Взаимодействие — это именно то, что вы делаете, когда используете одну из интерактивных функций The Physics Classroom.Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактивного средства построения цепей постоянного тока. Вы можете найти его в разделе Physics Interactives на нашем сайте. Построитель цепей постоянного тока предоставляет учащемуся набор для построения виртуальных цепей. С легкостью перетащите источник напряжения, резисторы и провода на рабочее место. Соедините их, и у вас будет схема. Добавьте амперметр для измерения тока и используйте датчики напряжения для определения падения напряжения. Это так просто. И не нужно беспокоиться о поражении электрическим током (если, конечно, вы не читаете это в ванной).


Проверьте свое понимание

1. Что из перечисленного ниже приведет к уменьшению тока в электрической цепи? Выберите все, что подходит.

а. уменьшить напряжение

г. уменьшить сопротивление

г. увеличить напряжение

г.увеличить сопротивление

2. Определенная электрическая цепь содержит аккумулятор из трех элементов, провода и лампочку. Из-за чего лампа будет светить менее ярко? Выберите все, что подходит.

а. увеличить напряжение аккумулятора (добавить еще одну ячейку)

г. уменьшить напряжение аккумулятора (удалить элемент)

г.уменьшить сопротивление цепи

г. увеличить сопротивление цепи

3. Вероятно, вас предупредили, чтобы вы не прикасались к электрическим приборам или даже к электрическим розеткам, когда ваши руки мокрые. Такой контакт более опасен, когда ваши руки мокрые (а не сухие), потому что мокрые руки вызывают ____.

а.напряжение цепи должно быть выше

г. напряжение цепи должно быть ниже

г. ваше сопротивление будет выше

г. ваше сопротивление должно быть ниже

e. ток через тебя будет ниже

4. Если бы сопротивление цепи было утроено, то ток через цепь был бы ____.

а. треть от

г. втрое больше

г. без изменений

г. … ерунда! Сделать такой прогноз невозможно.

5. Если напряжение в цепи увеличить в четыре раза, то ток в цепи будет ____.

а.четверть от

г. в четыре раза больше

г. без изменений

г. … ерунда! Сделать такой прогноз невозможно.

6. Схема соединена с блоком питания, резистором и амперметром (для измерения тока). Амперметр показывает значение тока 24 мА (миллиАмпер). Определите новый ток, если напряжение источника питания было…

а. … увеличился в 2 раза, а сопротивление осталось постоянным.

г. … увеличилось в 3 раза, а сопротивление осталось постоянным.

г. … уменьшилось в 2 раза, а сопротивление осталось постоянным.

г. … оставалось постоянным, а сопротивление увеличивалось в 2 раза.

e. … оставалось постоянным, а сопротивление увеличивалось в 4 раза.

ф…. оставалось постоянным, а сопротивление уменьшалось в 2 раза.

г. … увеличилось в 2 раза, а сопротивление увеличилось в 2 раза.

ч. … увеличилось в 3 раза, а сопротивление уменьшилось в 2 раза.

и. … уменьшилось в 2 раза, а сопротивление увеличилось в 2 раза.

7.Используйте уравнение закона Ома, чтобы дать числовые ответы на следующие вопросы:

а. Электрическое устройство с сопротивлением 3,0 Ом позволит протекать через него току 4,0 А, если на устройстве наблюдается падение напряжения ________ Вольт.

г. Когда на электрический нагреватель подается напряжение 120 В, через нагреватель будет протекать ток 10,0 ампер, если сопротивление составляет ________ Ом.

г. Фонарик, который питается от 3 вольт и использует лампу с сопротивлением 60 Ом, будет иметь ток ________ ампер.

8. Используйте уравнение закона Ома для определения недостающих значений в следующих схемах.

9. См. Вопрос 8 выше. В схемах схем A и B какой метод использовался для управления током в схемах? А в схемах схем C и D какой метод использовался для контроля тока в схемах?

Что такое закон Ома? | Fluke

Закон Ома — это формула, используемая для расчета взаимосвязи между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи.

Для изучающих электронику закон Ома (E = IR) столь же фундаментально важен, как уравнение относительности Эйнштейна (E = mc²) для физиков.

E = I x R

Когда прописано, это означает напряжение = ток x сопротивление , или вольт = амперы x ом , или В = A x Ω .

Названный в честь немецкого физика Георга Ома (1789-1854), Закон Ома касается ключевых величин, действующих в цепях:

Количество Закон Ома
символ
Единица измерения
(аббревиатура)
Роль в схемы Если вам интересно:
Напряжение E Вольт (В) Давление, которое запускает поток электронов E = электродвижущая сила (старый термин)
Ток I Ампер, ампер (A) Скорость потока электронов I = интенсивность
Сопротивление R Ом (Ом) Ингибитор потока Ом = греческая буква omega

Если известны два из этих значений, технические специалисты могут перенастроить закон Ома для расчета третьего. Просто измените пирамиду следующим образом:

Если вы знаете напряжение (E) и ток (I) и хотите узнать сопротивление (R), вытяните R в пирамиде и вычислите оставшееся уравнение (см. Первое или дальнее слева, пирамида вверху).

Примечание: Сопротивление нельзя измерить в рабочей цепи, поэтому закон Ома особенно полезен, когда его нужно вычислить. Вместо того, чтобы отключать цепь для измерения сопротивления, техник может определить R, используя вышеуказанный вариант закона Ома.

Теперь, если вы знаете напряжение (E) и сопротивление (R) и хотите знать ток (I), вытяните X-I и вычислите оставшиеся два символа (см. Среднюю пирамиду выше).

И если вы знаете ток (I) и сопротивление (R) и хотите знать напряжение (E), умножьте нижние половины пирамиды (см. Третью или крайнюю правую пирамиду выше).

Попробуйте несколько примеров расчетов на основе простой последовательной схемы, которая включает только один источник напряжения (аккумулятор) и сопротивление (свет). В каждом примере известны два значения. Используйте закон Ома для вычисления третьего.

Пример 1: Напряжение (E) и сопротивление (R) известны.

Какой ток в цепи?

I = E / R = 12 В / 6 Ом = 2 А

Пример 2: Напряжение (E) и ток (I) известны.

Какое сопротивление создает лампа?

R = E / I = 24 В / 6 А = 4 Ом

Пример 3: Ток (I) и сопротивление (R) известны. Какое напряжение?

Какое напряжение в цепи?

E = I x R = (5A) (8Ω) = 40 В

Когда Ом опубликовал свою формулу в 1827 году, его ключевой вывод заключался в том, что величина электрического тока, протекающего по проводнику, прямо пропорциональна приложенному напряжению. в теме.Другими словами, требуется один вольт давления, чтобы протолкнуть один ампер тока через один ом сопротивления.

Что проверять с помощью закона Ома

Закон Ома можно использовать для проверки статических значений компонентов схемы, уровней тока, источников напряжения и падений напряжения. Если, например, измерительный прибор обнаруживает более высокое значение измерения тока, чем обычно, это может означать, что сопротивление уменьшилось или что напряжение увеличилось, вызывая ситуацию высокого напряжения. Это может указывать на проблему с питанием или цепью.

В цепях постоянного тока (dc) измерение тока ниже нормального может означать, что напряжение уменьшилось или сопротивление цепи увеличилось. Возможные причины повышенного сопротивления — плохие или неплотные соединения, коррозия и / или поврежденные компоненты.

Нагрузки в цепи потребляют электрический ток. Нагрузками могут быть любые компоненты: небольшие электрические устройства, компьютеры, бытовая техника или большой двигатель. На большинстве этих компонентов (нагрузок) есть паспортная табличка или информационная наклейка.На этих паспортных табличках указаны сертификаты безопасности и несколько ссылочных номеров.

Технические специалисты обращаются к заводским табличкам на компонентах, чтобы узнать стандартные значения напряжения и тока. Во время тестирования, если технические специалисты обнаруживают, что обычные значения не регистрируются на их цифровых мультиметрах или токоизмерительных клещах, они могут использовать закон Ома, чтобы определить, какая часть цепи дает сбой, и на основании этого определить, где может заключаться проблема.

Основы науки о цепях

Цепи, как и вся материя, состоят из атомов.Атомы состоят из субатомных частиц:

  • Протонов (с положительным электрическим зарядом)
  • Нейтронов (без заряда)
  • Электронов (с отрицательным зарядом)

Атомы остаются связанными силами притяжения между ядром атома и электронами в его внешняя оболочка. Под воздействием напряжения атомы в цепи начинают преобразовываться, и их компоненты проявляют потенциал притяжения, известный как разность потенциалов. Взаимно притягиваемые свободные электроны движутся к протонам, создавая поток электронов (ток).Любой материал в цепи, ограничивающий этот поток, считается сопротивлением.

Ссылка: Принципы цифрового мультиметра, автор — Глен А. Мазур, American Technical Publishers.

Статьи по теме

Как рассчитать силу тока в последовательной цепи

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор S. Hussain Ather

Цепи серии

соединяют резисторы таким образом, что ток, измеряемый по амплитуде или силе тока, проходит по одному пути в цепи цепь и остается неизменной на всем протяжении.Ток течет в противоположном направлении электронов через каждый резистор, которые препятствуют потоку электронов, один за другим в одном направлении от положительного конца батареи к отрицательному. Нет внешних ответвлений или путей, по которым может проходить ток, как в параллельной цепи.

Примеры цепей серии

Цепи серии

широко используются в повседневной жизни. Примеры включают некоторые типы рождественских или праздничных огней. Другой распространенный пример — выключатель света.Кроме того, компьютеры, телевизоры и другие бытовые электронные устройства работают по концепции последовательной цепи.

Сила тока (или ампер) в последовательной цепи

Вы можете рассчитать амплитуду в амперах или амперах, заданную переменной A, последовательной цепи, суммируя сопротивление на каждом резисторе в цепи как R и суммируя падения напряжения как В , затем решая для I в уравнении В = I / R , в котором В — напряжение батареи в вольтах, I — ток, а R — полное сопротивление резисторов в Ом (Ом).Падение напряжения должно быть равно напряжению аккумулятора в последовательной цепи.

Уравнение V = I / R , известное как закон Ома, также справедливо для каждого резистора в цепи. Ток в последовательной цепи постоянный, что означает, что он одинаков на каждом резисторе. Вы можете рассчитать падение напряжения на каждом резисторе, используя закон Ома. Последовательно напряжение батарей увеличивается, что означает, что они служат меньше времени, чем если бы они были подключены параллельно.

Схема серии

и формула

••• Syed Hussain Ather

В приведенной выше схеме каждый резистор (обозначенный зигзагообразными линиями) подключен к источнику напряжения, батарее (обозначенной + и — вокруг отключенные линии), последовательно. Ток течет в одном направлении и остается постоянным в каждой части цепи.

Если вы просуммируете каждый резистор, вы получите общее сопротивление 18 Ом (Ом, где Ом — это мера сопротивления).{-t / (RC)}

, где В, — в вольтах, R, — в омах, C, — в фарадах, t, — время в секундах, и I в амперах. Здесь e относится к постоянной Эйлера e .

Общая емкость последовательной цепи равна

\ frac {1} {C_ {total}} = \ frac {1} {C_1} + \ frac {1} {C_2} + …

дюйм которые каждая инверсия каждого отдельного конденсатора суммируется справа ( 1 / C 1 , 1 / C 2 и т. д.{-tR / L}

, в котором общая индуктивность L является суммой значений индуктивностей отдельных катушек индуктивности, измеренных в единицах Генри. Когда последовательная цепь накапливает заряд по мере протекания тока, катушка индуктивности, которая обычно окружает магнитный сердечник, создает магнитное поле в ответ на протекание тока. Их можно использовать в фильтрах и генераторах.

Серия

в сравнении с параллельными цепями

При работе с параллельными цепями, в которых ток разветвляется через разные части цепей, вычисления «меняются местами».”Вместо определения общего сопротивления как суммы отдельных сопротивлений, общее сопротивление определяется как

\ frac {1} {R_ {total}} = \ frac {1} {R_1} + \ frac {1} {R_2 } + …

(аналогично вычислению полной емкости последовательной цепи).

Напряжение, а не ток, постоянно во всей цепи. Общий ток параллельной цепи равен сумме токов в каждой ветви. Вы можете рассчитать как ток, так и напряжение, используя закон Ома ( В = I / R ).

••• Syed Hussain Ather

В приведенной выше параллельной схеме полное сопротивление будет задано следующими четырьмя шагами:

  1. 1 / R всего = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3
  2. 1 / R всего = 1/1 Ω + 1/4 Ω + 1/5 Ω
  3. 1 / R всего = 20/20 Ω + 5/20 Ом + 4/20 Ом
  4. 1 / R всего = 29/20 Ом
  5. R всего = 20/29 Ом или около.69 Ом

В приведенном выше расчете обратите внимание, что вы можете достичь шага 5 из шага 4 только тогда, когда есть только один член слева ( 1 / R всего ) и только один член справа сторона (29/20 Ом).

Аналогично, общая емкость в параллельной цепи — это просто сумма каждого отдельного конденсатора, а общая индуктивность также дается обратной зависимостью ( 1 / L всего = 1 / L 1 + 1 / L 2 +… ).

Зависимость постоянного тока от переменного

В цепях ток может течь постоянно, как в случае постоянного тока (DC), или колебаться волнообразно в цепях переменного тока (AC). В цепи переменного тока ток в цепи меняется с положительного на отрицательное.

Британский физик Майкл Фарадей продемонстрировал силу постоянного тока с помощью динамо-электрического генератора в 1832 году, но он не мог передавать его мощность на большие расстояния, а для постоянного напряжения требовались сложные схемы.

Когда сербско-американский физик Никола Тесла в 1887 году создал асинхронный двигатель, использующий переменный ток, он продемонстрировал, как он легко передается на большие расстояния и может преобразовываться между высокими и низкими значениями с помощью трансформаторов — устройства, используемого для изменения напряжения. Достаточно скоро, примерно на рубеже 20-го века, домашние хозяйства по всей Америке начали отказываться от постоянного тока в пользу переменного тока.

В настоящее время электронные устройства используют как переменный, так и постоянный ток, когда это необходимо. Постоянный ток используется с полупроводниками для небольших устройств, которые нужно только включать и выключать, например ноутбуков и сотовых телефонов.Напряжение переменного тока передается по длинным проводам, прежде чем оно преобразуется в постоянный ток с помощью выпрямителя или диода для питания таких приборов, как лампочки и батареи.

Сила магнитного поля — обзор

8.2 Сравнение магнитных полей 1,5 Тл и 3,0 Тл в сканерах МРТ [72–81]

Сканеры МРТ с высокой напряженностью магнитного поля (3,0 Тл) находят свое применение в клинической практике. В 2011 году 72% МРТ-сканеров в Европе и 76% в США имели силу 1,5 Тл, тогда как 3.0 T сканеры составили 11% в Европе и 10% в США. В том же году 24% новых МРТ-сканеров, проданных в Европе, имели прочность 3,0 Тл. Хотя в настоящее время в медицинской практике Соединенного Королевства используются лишь несколько 3,0 Тл сканеров, следующий обзор призван подчеркнуть их преимущества и ограничения, поскольку их количество, возможно, будет увеличиваться в будущем.

Как объяснялось ранее, отношение сигнал / шум увеличивается с увеличением напряженности магнитного поля. Эта особенность МРТ сканеров с высокой напряженностью магнитного поля, например, 3.0 T может использоваться для улучшения качества изображения или может использоваться для уменьшения времени сканирования, так как SNR, такой же, как при 1,5 T, может быть достигнут за более короткое время. Несмотря на то, что сканеры 3,0 Тл выделяют более высокую энергию в тканях (SAR) от более сильных радиочастотных импульсов по сравнению со сканером с относительно меньшей напряженностью магнитного поля, например 1,5 Тл, сокращение времени сканирования в значительной степени нивелирует этот эффект.

Параллельная визуализация — это метод, используемый для уменьшения продолжительности сканирования, поскольку количество радиочастотных импульсов, необходимых для формирования изображения, уменьшается.Это может привести к потере сигнала, которую можно компенсировать более высоким SNR со сканеров 3,0 Тл. Несколько каналов используются в параллельной визуализации для сбора данных, одновременно сокращая продолжительность сканирования, например, технически 8-канальная катушка с фазированной решеткой может собирать все данные, необходимые для формирования изображения, в 8 раз быстрее, однако на практике максимальное количество радиочастотных каналов ограничено по практическим соображениям.

3,0 Тл сканерам может потребоваться меньший контраст из-за их большей чувствительности к гадолинию, лучшее количественное определение метаболитов, измеряемых в МР-спектроскопии, путем обнаружения даже небольших изменений, повышенное соотношение контрастности и шума (CNR) используется в фМРТ с использованием жирной последовательности изображений и лучшего жира насыщение может быть достигнуто.Чувствительность к визуализации для патологий тракта белого вещества, таких как демиелинизация при рассеянном склерозе, улучшается благодаря лучшей визуализации тканей благодаря более высокому SNR.

При визуализации простаты сканеры 1,5 Тл должны использовать поверхностную катушку на простате, вводимую эндоректально, чтобы получить адекватную детализацию ткани, что может быть неудобно для пациента. Этого можно избежать в сканерах 3,0 Т из-за более высокого уровня сигнала без необходимости использования поверхностной катушки. Обнаружение и характеристика поражения рака груди также лучше с 3.0 T из-за более высокого отношения сигнал / шум и лучшей детализации изображения. Визуализация сердца не так хороша со сканерами 3,0 Тл из-за диэлектрических артефактов, которые более выражены при более высокой напряженности поля. Однако более высокое пространственное и временное разрешение из-за увеличенного отношения сигнал / шум и уменьшения времени визуализации соответственно может помочь при визуализации сердца.

По мере увеличения напряженности магнитного поля тканям требуется больше времени для релаксации T1, и обычное секвенирование T1 SE может быть не воспроизводимым. Однако этот принцип используется в МР-ангиографии, где увеличенное время релаксации T1 твердой ткани на фоне относительно постоянной релаксации T1 крови дает изображения высокого качества за счет улучшения сигнала крови на фоне контраста твердой ткани. Сигнал из крови также используется для визуализации сосудов с помощью метода артериального спинового мечения (ASL). Точность измерения церебральной перфузии увеличивается со сканерами 3,0 Т за счет увеличения количества точек отбора проб. Артефакты восприимчивости на 3,0 Тл сканерах также улучшены, что может быть использовано для обнаружения даже небольших количеств продуктов разложения крови при незначительном кровотечении.

Сканеры 3,0 Т могут быть несовместимы с некоторыми металлическими имплантатами, которые проверяются только на сканерах 1,5 Т. В случае неисправности оборудования повышается риск раздражения кожи или ожога.Любые артефакты, такие как дыхание, пульсация сосудов, артефакты, связанные с обертыванием, характерные для эхопланарных изображений, увеличиваются в более сильных магнитных полях. Однако производители сканеров 3,0 Т постоянно разрабатывают специальные последовательности изображений с различными параметрами для решения проблем, описанных ранее.

Мы не стремимся сделать вывод о том, что МРТ-сканеры на 1,5 Тл в любом случае уступают сканерам 3,0 Тл, но чтобы проинформировать читателя, что сканеры 3,0 Тл также доступны и могут играть роль в визуализации определенных частей тела по причинам, описанным ранее. .

Что означают вольт, ампер, ом и ватт?

Стандартные единицы измерения установлены официальной организацией, которой поручена стандартизация международных весов и измерений, гарантирующая, что во всем мире используются одни и те же стандарты веса и измерения. Французская организация называется Bureau International des Poids et Mesures или BIPM, что в переводе на английский означает Международное бюро мер и весов.Определения на этой странице взяты из официальных определений, которые можно найти в Международной системе единиц BIPM, или SI. Ссылки и ссылки включены для каждого определенного термина, который относится к информации, предоставленной BIPM.

Пожалуйста, свяжитесь с администратором веб-сайта, если вы считаете, что информация, которую вы видите на этой странице, неточна, чтобы мы своевременно решали любые проблемы. Спасибо.

Что такое вольт?

Вольт — единица электрического потенциала, также известная как электродвижущая сила, и представляет собой «разность потенциалов между двумя точками проводящего провода, по которому проходит постоянный ток в 1 ампер, когда мощность, рассеиваемая между этими точками, равна 1. ватт.» [1] Другими словами, потенциал в один вольт появляется на сопротивлении в один Ом, когда через это сопротивление протекает ток в один ампер. Вольт можно выразить в основных единицах СИ следующим образом: 1 В = 1 кг, умноженное на m 2 раза s -3 раза A -1 (квадратный килограмм-метр в секунду в кубе на ампер), или …

Что такое напряжение?

«Напряжение» (В) — это потенциал движения энергии, аналогично давлению воды.Характеристики напряжения подобны характеристикам воды, протекающей по трубам. Это известно как «аналогия с потоком воды», которую иногда используют для объяснения электрических цепей, сравнивая их с замкнутой системой заполненных водой труб или «водяным контуром», который нагнетается насосом. На изображении ниже показано, как работают напряжение и электрический ток …

Ток (I) — это скорость потока, измеряемая в амперах (A). Ом (R) — это мера сопротивления, аналогичная размеру водопровода. Ток пропорционален диаметру трубы или количеству воды, текущей при этом давлении.

Напряжение — это выражение доступной энергии на единицу заряда, которая управляет электрическим током по замкнутой цепи в электрической цепи постоянного тока (DC). Увеличение сопротивления, сравнимое с уменьшением размера трубы в водяном контуре, будет пропорционально уменьшать ток или поток воды в водяном контуре, который движется через контур под действием напряжения, которое сопоставимо с гидравлическим давлением в водяном контуре. .

Отношение между напряжением и током определяется (в омических устройствах, например, резисторах) законом Ома. Закон Ома аналогичен уравнению Хагена – Пуазейля, поскольку оба являются линейными моделями, связывающими поток и потенциал в своих соответствующих системах. Электрический ток (I) — это скорость потока, измеряемая в амперах (A). Ом (R) — это мера сопротивления, сопоставимая с размером водопровода.

Что такое усилок?

«Ампер», сокращенно от «ампер», представляет собой единицу электрического тока, которую СИ определяет в терминах других основных единиц путем измерения электромагнитной силы между электрическими проводниками, несущими электрический ток. Ампер — это тот постоянный ток, который, если его поддерживать в двух прямых параллельных проводниках бесконечной длины, с ничтожно малым круглым поперечным сечением и помещать на расстоянии одного метра в вакууме, создавал бы между этими проводниками силу, равную 2 × 10 −7 ньютонов на метр длины. [2]

Что такое сила тока?

«Сила тока» — это сила электрического тока, выраженная в амперах.

Что такое ом?

«Ом» — единица электрической цепи, которая определяется как электрическое сопротивление между двумя точками проводника, когда постоянная разность потенциалов в один вольт, приложенная к этим точкам, вызывает в проводнике ток в один ампер, проводник не являясь местом действия какой-либо электродвижущей силы. [3] Ом выражается как …

Что такое ватт?

Ватт — это мера мощности. Один ватт (Вт) — это скорость, с которой выполняется работа, когда один ампер (А) тока проходит через разность электрических потенциалов в один вольт (В). Ватт можно выразить как …

Как все эти термины относятся к солнечной энергии?

Важно знать термины и формулы на этой странице, потому что они помогают при расчете количества энергии и размера солнечной энергосистемы, вне зависимости от того, является ли она автономной или подключенной к сети.

Есть еще формула мощности. В этой формуле P — мощность, измеренная в ваттах, I — ток, измеренный в амперах, и В, — разность потенциалов (или падение напряжения) на компоненте, измеренная в вольтах. это также отображается как W = V * A или ватты равны вольтам, умноженным на амперы.

Давайте переупорядочим эту формулу для примера:

  • Вт = В * А
  • В = Вт / А
  • А = Вт / В

Этот пример покажет, почему более высокое напряжение постоянного тока лучше всего в больших солнечных системах.

Допустим, у вас есть 1000 Вт нагрузки для работы. Это равно:

  • 83,3 А при 12 В
  • 41,6 А при 24 В
  • 20,8 А при 48 В
  • 8,3 А при 120 В
  • 4,1 ампера при 240 вольт

Знание того, какой ток течет к вашей нагрузке, очень важно при выборе правильного провода. Мы принимаем во внимание расстояние для расчета потерь напряжения. В идеале мы не хотим превышать 3% потери напряжения.Другая половина этого расчета — текущая. Вам понадобится провод большего диаметра, чтобы пропустить больше тока. Если у вас есть выбор, лучше всего подойдет более высокое напряжение.

Эти формулы также полезны при расчете мощности переменного тока (переменного тока) для определения размера инвертора, который преобразует электричество постоянного тока от солнечной батареи в переменный ток, который затем может использоваться для питания осветительных приборов и приборов в домах и на предприятиях. Приборы имеют лицевую панель, на которой указаны все электрические данные. Предположим, у вас есть микроволновая печь.Производитель указывает требования к току в электрических характеристиках лицевой панели, которая обычно прикрепляется к задней части духовки. Допустим, на лицевой панели указано 8,3 ампер. Чтобы рассчитать ватт, умножьте 8,3 ампера на домашнее напряжение 120 вольт. Это равно 996 Вт.

Теперь давайте посчитаем, сколько энергии микроволновая печь будет использовать за один день. Если вы используете микроволновую печь 2 часа в день, умножьте количество часов в день на ватты, чтобы получить ватт-часы в день. Итак, у вас есть 996 ватт, умноженное на 2 часа, что равняется 1992 ватт-часам в день.

При определении размеров солнечной энергосистемы эта формула необходима для определения общей мощности, которую вы используете в день.

Ватт = Ампер x Вольт

Вольт = Ватт / Ампер

Ампер = Ватт / Вольт

Сноски

электромагнетизм — Важно ли напряжение при создании магнитного поля?

Обычно напряженность поля пропорциональна напряжению, поэтому для получения более высокой напряженности поля необходимо увеличить напряжение.

Чтобы понять, почему это так, вы начнете с основной формулы для напряженности поля:

$$ B = k N I $$

где $ B $ — напряженность поля, $ N $ — количество витков, а $ I $ — ток в катушке. $ k $ — это константа, которую мы пока проигнорируем. Ток $ I $ определяется как $ I = V / R $, где $ R $ — сопротивление провода, а сопротивление провода пропорционально длине провода, а длина провода пропорциональна количество витков. В итоге получаем:

$$ I = k ‘\ frac {V} {N} $$

, где $ k ‘$ — другая константа, которая содержит такие вещи, как сопротивление на единицу длины провода и длину окружности катушки.Если подставить второе уравнение в первое, получим:

$$ \ begin {align} B & = k N k ‘\ frac {V} {N} \\ & = kk ‘V \ end {align} $$

Значит, поле прямо пропорционально напряжению. Вам нужно повышенное напряжение, чтобы получить повышенную напряженность поля.

В принципе, вам не нужно несколько витков в катушке, поскольку достаточно одного витка. Проблема в том, что один виток имеет очень низкое сопротивление, поэтому будет очень большой ток, и он расплавит провод.При разработке катушки вы обычно начинаете с определения того, какой ток может безопасно пропускать ваш провод. Затем умножьте этот ток на напряжение питания, чтобы узнать, какое должно быть сопротивление, а затем вычислите, сколько витков провода нужно, чтобы нарастить сопротивление катушки до требуемого значения.

Ответ на комментарий:

Если сопротивление на единицу длины равно $ R_ \ ell $, а длина окружности одного витка равна $ l $, то общая длина провода равна $ Nl $, а общее сопротивление равно $ R_ \ ell Nl $.Итак, уравнение для тока:

$$ I = \ frac {V} {R_ \ ell Nl} $$

Тогда значение $ k ‘$ равно:

$$ k ‘= \ frac {1} {R_ \ ell l} $$

Это величина, обратная сопротивлению одного витка.

Уравнения Максвелла: плотность электрического тока

Плотность электрического тока

Плотность электрического тока обозначается символом вектора ( Дж ). Электрический ток измеряется в амперах (что соответствует заряду в секунду [Кл / с]).2], поскольку ток течет в одном направлении, и площадь измеряется перпендикулярно / перпендикулярно / перпендикулярно этому. Это показано на рисунке 1:

Рисунок 1. Электрический ток I (вверху) — это общий расход заряда в секунду. Плотность тока J (внизу) ток в указанном поперечном сечении.

Полный электрический ток ( I ) может быть связан с плотностью тока ( J ) суммируя (или интегрируя) плотность тока по области, где течет заряд:

[Уравнение 1]
В качестве простого примера предположим, что плотность тока однородна (равная плотность) по сечению провода радиусом r = 10 см.Предположим, что общий ток составляет I = 3 А. Какова плотность тока?
[Уравнение 2]

Обратите внимание, что плотность тока часто непостоянна, поэтому взвешенное суммирование (уравнение [1]) необходим.

Наконец, предположим, что среда (материал) имеет электрическую проводимость, заданную на (который измеряется в Сименс / метр, которое является противоположным (обратным) сопротивлением на длину).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *