Законы ома тепловое действие тока

Законы ома тепловое действие тока

Закон Ома. Мощность.

Закон Ома связывает три важные физические величины: ток, напряжение и сопротивление.

Ток – это направленное движение заряженных частиц. Чаще всего такими заряженными частицами являются электроны. Именно они движутся в металлах под действием электрического поля. 1 Ампер (1 А) – единица измерения тока. При токе в 1 А через проводник каждую секунду проходит 6 000 000 000 000 000 000 электронов.

В электронике часто используются более мелкие единицы измерения тока: 1 миллиампер (1 мА) и 1 микроампер (1 мкА).

1 А = 1 000 000 мкА

Напряжение – это разность потенциалов между двумя точками. Чем больше напряжение, тем больше заряженных частиц перемещается через проводник за единицу времени, а значит и ток становится больше. Поэтому напряжение можно сравнить с некоторой силой, которая заставляет заряженные частицы перемещаться. Единицей измерения напряжения является 1 Вольт (1 В), но используются и более мелкие и более крупные единицы, например, милливольт (мВ) и киловольт (кВ).

1 кВ = 1 000 000 мВ

Сопротивление – свойство вещества, характеризующее его способность оказывать противодействие прохождению тока. Чем больше сопротивление, тем хуже проходит ток через данное вещество, и наоборот. Единицей измерения сопротивления является 1 Ом. Часто применяются и более крупные единицы измерения сопротивления: килоом (кОм) и Мегаом (МОм).

1 Мом = 1000 кОм = 1 000 000 Ом.

Вот основная формула закона Ома:

I = U R

Где I – ток, взятый в Амперах, U – напряжение, взятое в Вольтах и R – сопротивление, взятое в Омах.

Пример 1 . Пускай к источнику с напряжением 10 Вольт подключена лампочка, которая имеет сопротивление 5 Ом. Давайте вычислим, какой ток течет через лампочку. Согласно приведенному выше закону Ома, чтобы найти ток нужно напряжение (10 В) поделить на сопротивление (5 Ом). В результате получаем, что ток, текущий через лампочку имеет силу 2 Ампера:

I = U R = 10 В 5 Ом =2 А

Если известны две из трех, рассмотренных нами величин, то легко найти третью:

U = IR

R = U I

Еще одной важной величиной, которую широко применяют в электронике, является мощность. 1 Ватт ( Вт ) – это единица измерения мощности. Более крупная единица – киловатт (кВт).

Мощность легко вычислить по следующей формуле:

P = IU

где P – мощность, Вт , I – ток, А, U – напряжение, В.

Пример 2. Возьмем параметры из предыдущего примера: лампочка с сопротивлением 5 Ом подключена к источника с напряжением 10 Вольт. Давайте теперь вычислим мощность этой лампочки. Для этого нужно ток умножить на напряжение. Напряжение равно 10 В , а найденный нами ток составил 2 А. Таким образом мощность лампочки составила 20 Ватт.

P = IU =2∙10=20 Вт

Из формулы для нахождения мощности легко получить две другие формулы:

I = P U

U = P I

Пример 3 . Электрический чайник имеет мощность 2200 Вт и рассчитан на напряжение 220 В. Какой ток будет течь через нагревательный элемент этого чайника? Нам известно две величины: мощность и напряжение, значит, мы легко можем найти третью неизвестную величину – в данном случае ток:

I = P U = 2200 Вт 220 В =10 А

Таким образом, через чайник течет ток 10 Ампер.

Закон Ома

Закон Ома — Один из самых применяемых законов в электротехнике. Данный закон раскрывает связь между тремя важнейшими величинами: силой тока, напряжением и сопротивлением. Выявил эту связь Георгом Омом в 1820-е годы именно поэтому этот закон и получил такое название.

Формулировка закона Ома следующая:
Величина силы тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку, и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Эту зависимость можно выразить формулой:

I=U/R

Где I – сила тока, U — напряжение, приложенное к участку цепи, а R — электрическое сопротивление участка цепи.
Так, если известны две из этих величин можно легко вычислить третью.
Понять закон Ома можно на простом примере. Допустим, нам необходимо вычислить сопротивление нити накаливания лампочки фонарике и нам известны величины напряжения работы лампочки и сила тока, необходимая для ее работы (сама лампочка, чтобы вы знали имеет переменное сопротивление, но для примера примем его как постоянное). Для вычисления сопротивления необходимо величину напряжения разделить на величину силы тока. Как же запомнить формулу закона Ома, чтобы правильно провести вычисления? А сделать это очень просто! Вам нужно всего лишь сделать себе напоминалку как на указанном ниже рисунке.
Теперь закрыв рукой любую из величин вы сразу поймете, как ее найти. Если закрыть букву I, становится ясно, что чтобы найти силу тока нужно напряжение разделить на сопротивление.
Теперь давайте разберемся, что значат в формулировке закона слова « прямо пропорциональна и обратно пропорциональна. Выражение «величина силы тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку» означает, что если на участке цепи увеличится напряжение, то и сила тока на данном участке также увеличится. Простыми словами, чем больше напряжение, тем больше ток. И выражение «обратно пропорциональна его сопротивлению» значит, что чем больше сопротивление, тем меньше будет сила тока.
Рассмотрим пример с работой лампочки в фонарике. Допустим, что для работы фонарика нужны три батарейки, как показано на схеме ниже, где GB1 — GB3 — батарейки, S1 — выключатель, HL1 — лампочка.

Примем, что сопротивление лампочки условно постоянно, хотя нагреваясь её сопротивление увеличивается. Яркость лампочки будет зависеть от силы тока, чем она больше, тем ярче горит лампочка. А теперь, представьте, что вместо одной батарейки мы вставили перемычку, уменьшив тем самым напряжение.
Что случится с лампочкой?
Она будет светить более тускло (сила тока уменьшилась), что подтверждает закон Ома:
чем меньше напряжение, тем меньше сила тока.

Вот так просто работает этот физический закон, с которым мы сталкиваемся в повседневной жизни.
Бонус специально для вас шуточная картинка не менее красочно объясняющая закон Ома.

Это была обзорная статья. Более подробно об этом законе, мы говорим в следующей статье «Закон Ома для участка цепи», рассматривая всё на других более сложных примерах.

Если не получается с физикой, английский для детей (http://www.anylang.ru/order-category/?slug=live_language) как вариент альтернативного развития.

Если материал был полезен, вы можете отправить донат или поделиться данным материалом в социальных сетях:

Законы ома тепловое действие тока

Если в цепи есть ток, провода, составляющие цепь, нагреваются.

Нагревание проводов, предназначенных, например, для осветительной сети, должно быть невелико, так как иначе может разрушиться их изоляция и даже произойти пожар.

Наоборот, проволока, скрученная в спирали для электрических плиток или кипятильников, должна нагреваться до очень высокой температуры.

Трудно заметить нагревание провода 4 мм2, когда по нему проходит ток 5 А. Но попробуйте пропустить через такой провод ток 200 А — провод очень скоро сильно нагреется. Если же взять провод сечением 120 мм2, то нагревание, которое в этом случае будет проводить ток 200 А, также будет очень незначительно.

Но нагревание проводов, хотя и слабое, все же обязательно сопутствует току.

Чем больше ток в проводах, тем сильнее они греются.

Нагревание проводов током служило предметом исследований акад. Ленца (в Петербурге в, первой половине прошлого столетия). Независимо от него такие же исследования в Англии проводил Джоуль. Открытый ими закон и получил название закона Джоуля — Ленца:

количество тепловой энергии, ежесекундно выделяющейся в проводнике, или тепловая мощность, пропорционально квадрату тока и величине сопротивления проводника.

Пользуясь буквенными обозначениями, можем написать

Приведенные формулы показывают, что

при удвоении тока мощность увеличивается вчетверо (конечно, при неизменности сопротивления).

вдвое увеличить сопротивление, вдвое увеличится и мощность (конечно, при условии неизменности тока).

Если ток выразить в амперах, а сопротивление — в омах, то мощность будет выражена в ваттах.

Обратим внимание на то, что закон Джоуля — Ленца можно было бы вывести из ранее данного выражения:

если в нем второй множитель, т. е. напряжение, представить как произведение тока и сопротивления (закон Ома):

При помощи закона Ома можно придать закону Джоуля — Ленца и такую форму:

что очень удобно в тех случаях, когда сопротивление R присоединяется непосредственно к сети известного напряжения.

Пример 1. Электрическая лампа с сопротивлением включена на напряжение . Определить мощность лампы.

По закону Джоуля—Ленца находим, что мощность равна

что соответствует току

Пример 2. Электрическая печь состоит из нихромовой проволоки, намотанной на фарфоровый каркас. Когда эта обмотка подсоединяется к сети с напряжением 240 В, печь потребляет мощность 960 Вт. Найти ток, потребляемый из сети, а также определить, каковы будут мощность и ток, если напряжение уменьшится в 2 раза, а сопротивление останется неизменным.

Решение. Прежде всего, зная мощность Р=960 Вт и напряжение , легко найдем соответствующий ток:

Зная ток и напряжение, теперь можем найти сопротивление обмотки печи по закону Ома:

Предполагая, что сопротивление печи остается таким же, найдем ток при напряжении, уменьшенном в 2 раза:

Мощность печи теперь будет равна

Таким образом, видим, что уменьшение напряжения в 2 раза сопровождается уменьшением мощности в 4 раза.

Электрический ток. Закон Ома

При помещении изолированного проводника в электрическое поле E → на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила F → = q E → . Это провоцирует возникновение кратковременных перемещений свободных зарядов. Процесс завершается, когда собственное поле электрических зарядов будет компенсировано внешним. Электростатическое поле внутри проводника станет равным нулю.

Существуют определенные условия, при которых возникает непрерывное упорядоченное движение свободных носителей заряда. Оно получило название электрического тока.

За направление электрического тока принято брать направление движения положительных свободных зарядов. При наличии электрического поля произойдет возникновение электрического тока в проводнике.

Силой тока называют скалярную физическую величину I , равняющуюся отношению заряда ∆ q , протекающего по сечению проводника за время ∆ t :

При неизменяемых силе тока и направлении за промежуток времени ток называют постоянным. Следует обращать внимание на его характеристики.

Рисунок 1 . 8 . 1 . Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике и ток I . S – площадь поперечного сечения проводника, – электрическое поле.

В системе С И I измеряется в амперах ( А ) , а единица измерения 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников.

Законы постоянного тока. Формулы

Постоянный электрический ток создается в замкнутой цепи, где свободные носители заряда проходят по замкнутым траекториям.

Разные точки цепи обладают неизменным по времени электрическим полем, исходя из основных законов постоянного тока. То есть в такой цепи оно ассоциируется с замороженным электростатическим полем. Когда электрический заряд перемещается по замкнутой траектории, то работа сил равняется нулю.

Чтобы постоянный ток имел место на существование, нужно наличие такого устройства в цепи, которое будет создавать и поддерживать разности потенциалов разных участков цепи при помощи работы сил неэлектростатического происхождения. Их называют источниками постоянного тока. Такие силы, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, получили название сторонних сил.

Их природа различна. Гальванические элементы или аккумуляторы обладают сторонними силами, возникающими по причине электрохимических процессов. В генераторах это обстоит по-другому: появление сторонних сил возможно при движении проводников в магнитном поле. Источник тока сравним с насосом, перекачивающим жидкость замкнутой гидравлической системы. Электрические заряды внутри источника под действием сторонних сил движутся против сил электростатического поля. Именно поэтому замкнутая цепь может обладать постоянным током.

Перемещаясь по цепи постоянного тока, электрические заряды сторонних сил действуют на источники тока, то есть совершают работу.

Физическую величину, равную отношению сторонних сил A с т при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника к положительной величине этого заряда, называют электродвижущей силой источника (ЭДС):

Э Д С = δ = A с т q .

Отсюда следует, что ЭДС определяется совершаемой сторонними силами работой при перемещении единичного положительного заряда. ЭДС измеряется в вольтах ( В ) .

Если по замкнутой цепи движется единично положительный разряд, то работа сторонних сил равняется сумме ЭДС, которая действует в данной цепи с работой электростатического поля, имеющего значение 0 .

Цепь с постоянной величиной тока следует разбивать на участки. Если на них отсутствует действие сторонних сил, тогда участки называют однородными, если присутствуют, то неоднородными.

Когда единичный положительный заряд перемещается по определенному участку цепи, то работу совершают кулоновские и сторонние силы. Запись работы электростатических сил равняется разности потенциалов ∆ φ 12 = φ 1 — φ 2 начальной и конечной точек неоднородного участка. Работу сторонних сил приравнивают к электродвижущей данного участка по закону Ома. Тогда полная работа запишется как:

U 12 = φ 1 — φ 2 + δ 12 .

Величина U 12 называется напряжением участка цепи 1 — 2 . Если данный участок однородный, тогда напряжение фиксируется как разность потенциалов:

В 1826 году Г. Ом с помощью эксперимента установил, что сила тока I , текущая по однородному металлическому проводнику (отсутствие действия сторонних сил), пропорциональна напряжению на U концах проводника.

I = 1 R U или R I = U , где R = c o n s t .

R называют электрическим сопротивлением.

Проводник, имеющий электрическое сопротивление, получил название резистора.

Связь между R и I говорит о формулировке законе Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Обозначение сопротивления по системе С И выражается омами ( О м ) .

Если на участке цепи имеется сопротивление в 1 О м , тогда при напряжении 1 В во время измерения возникает ток силой 1 А .

Электрический ток и его характеристики

Проводники, которые подчинены закону Ома, получили название линейных.

Для изображения графической зависимости силы тока I от U (графики называют вольт-амперными характеристиками, ВАХ) используется прямая линия, проходящая через начало координат.

Существуют устройства, не подчиняющиеся закону Ома. К ним относят полупроводниковый диод или газоразрядную лампу. Металлические проводники имеют отклонения от закона Ома при токах большой силы. Это связано с ростом температуры.

Участок цепи, содержащий ЭДС, позволяет записывать закон Ома таким образом:

I R = U 12 = φ 1 — φ 2 + δ = ∆ φ 12 + δ .

Формула получила название обобщенного закона Ома или закон Ома для неоднородного участка цепи.

Рисунок 1 . 8 . 2 показывает замкнутую цепь с постоянным током, причем ток цепи ( c d ) считается однородным.

Рисунок 1 . 8 . 2 . Цепь постоянного тока.

Исходя из закона Ома I R = ∆ φ c d , участок ( a b ) содержит источник тока с ЭДС, равной δ . Тогда для неоднородного участка формула примет вид I r = ∆ φ a b + δ . Сумма обоих равенств дает в результате выражение I ( R + r ) = ∆ φ c d + ∆ φ a b + δ . Но ∆ φ c d = ∆ φ b a = — ∆ φ a b , тогда I = δ R + r .

Формула I = δ R + r выражает закон Ома для полной цепи. Запишем ее, как определение: сила тока в полной цепи равняется электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.

Рисунок 1 . 8 . 2 говорит о том, что R неоднородного тела может быть рассмотрено как внутреннее сопротивление источника тока. Тогда ( a b ) участок будет являться внутренним участком источника.

При замыкании a и b с помощью проводника с малым по сравнению с внутренним сопротивлением источника получим, что в цепи имеется ток короткого замыкания I к з = δ r .

Сила тока короткого замыкания является максимальной, получаемой от источника с ЭДС и внутренним сопротивлением r . Если внутренне сопротивление мало, тогда ток короткого замыкания может вызвать разрушение электрической цепи или источника.

Свинцовые аккумуляторы автомобилей имеют силу тока короткого замыкания в несколько сотен ампер. Особую опасность представляют замыкания в осветительных сетях, которые имеют подпитку от подстанций. Во избежание разрушительных действий предусмотрены предохранители или автоматы для защиты сетей.

Чтобы при превышении допустимых значений силы тока не произошло короткого замыкания, используют внешнее сопротивление. Если сопротивление r равняется сумме внутреннего и внешнего сопротивления источника, сила тока не будет превышать норму.

При наличии разомкнутой цепи разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равняется ее ЭДС. Когда внешнее R включено и ток I подается через батарею, то разность потенциалов на полюсах запишется, как ∆ φ b a = δ — I r .

Рисунок 1 . 8 . 3 дает точное схематическое изображение источника постоянного тока с ЭДС, равной δ , внутренним r в трех режимах: «холостой ход», работа на нагрузку, режим короткого замыкания. E → является напряженностью внутри электрического поля внутри батареи, a – силами, действующими на положительные заряды, F с т → – сторонней силой. Исчезновение электрического поля возникает при коротком замыкании.

Рисунок 1 . 8 . 3 . Схематическое изображение источника постоянного тока: 1 – батарея разомкнута;
2 – батарея замкнута на внешнее сопротивление R ; 3 – режим короткого замыкания.

Вольтметр и амперметр

Применяются измерительные приборы для напряжения тока в электрических цепях, называемые вольтметрами и амперметрами.

Вольтметр измеряет разности потенциалов, приложенные к его клеммам.

Подключение к цепи производится параллельно. Каждый из приборов такого типа имеет внутреннее сопротивление R B . Чтобы перераспределение токов не было заметно, нужно проследить за тем, чтобы внутреннее сопротивление было больше, чем на участках подключаемой цепи. На рисунке 1 . 8 . 4 изображена такая цепь, тогда данное условие можно записать как R B ≫ R 1 .

Это означает, что ток I B = ∆ φ c d R B , протекающий через вольтметр, меньше тока I = ∆ φ c d R 1 , проходящего по заданному участку цепи.

Внутри прибора также не действуют сторонние силы, поэтому разность потенциалов его клемм совпадет со значением напряжения. Отсюда следует, что вольтметр измеряет напряжение.

Амперметр предназначается для измерения силы тока в цепи.

Его подключение к цепи производится последовательно для прохождения всего измеряемого тока. Внутреннее сопротивление прибора обозначается как R A . В отличие от вольтметра должно иметь малые значения относительно полного сопротивления цепи. На рисунке 1 . 8 . 4 показано, что сопротивление амперметра подходит к условию R A ≪ ( r + R 1 + R 2 ) . При включении прибора ток в цепи не должен изменяться.

Измерительные приборы подразделяют на стрелочные и цифровые, последние из которых являются сложными электронными устройствами и способны давать максимально точные значения при измерении.

Рисунок 1 . 8 . 4 . Включение амперметра ( А ) и вольтметра ( В ) в электрическую цепь.