Закон Ома для участка цепи.

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

для подготовки персонала ОАО «Уфанет»

На III группу по электробезопасности

 

I. ОБЩАЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИКА

 

Природа электричества.

Объяснять природу электричества приходится с молекулярной физики, а потому на первый взгляд все выглядит чрезвычайно сложно и запутанно, хотя на самом деле нет ничего проще. Мы не будем вдаваться в подробности относительно электронной теории строения вещества, а попытаемся объяснить просто, как говорится, «по-народному».

 

Все вещества состоят из молекул, содержащих в себе атомы, которые в свою очередь состоят из ядер и вращающихся вокруг них электронов. При различных химических реакциях электроны переходят от одних атомов к другим, а потому возможно, что атомы какого-то вещества испытывают недостаток в электронах, а атомы другого имеют их избыток.

 

Это вещества, имеющие разноименные заряды. В случае их контакта электроны будут стремиться перейти из одного вещества в другое, перемещение электронов и будет представлять собой электрический ток.

 

Как вы уже догадались, электроны движутся туда, где их не хватает. Чтобы разобраться раз и навсегда с тем, как именовать заряды, запомните: ток движется от минуса к плюсу, т. е. вещество, у которого не хватает электронов, имеет положительный заряд, а вещество, у которого избыток электронов, – отрицательный. Также принято называть контакт, имеющий положительный заряд, нулем, имеющий отрицательный заряд – фазой.

 

Величина электрического тока (количество переносимого заряда) измеряется в амперах. Напряжение, то есть разность потенциалов, которая заставляет течь ток (ЭДС – электродвижущая сила), измеряется в вольтах.

 

1.2. Ток, напряжение, сопротивление – физический смысл.

 

Электрический ток (I) – это упорядоченное движение заряженных частиц. Первая мысль, которая приходит в голову из школьного курса физики - движение электронов. Безусловно. Однако электрический заряд могут переносить не только они, а, например, еще ионы, определяющие возникновение электрического тока в жидкостях и газах.

 

Условиями возникновения и существования электрического тока являются:

· Наличие свободных носителей заряда

· Наличие электрического поля, создающего и поддерживающего ток

 

Будем считать, что теперь про электрический ток Вы знаете все. Это, конечно, шутка. Тем более что еще ничего не сказано про электрическое поле, которое у многих ассоциируется с напряжением, что не верно.

 

Электрическое поле – это вид материи, существующей вокруг электрически заряженных тел и оказывающее на них силовое воздействие. Опять же, обращаясь к знакомому со школы "одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются" можно представить электрическое поле как нечто это воздействие передающее. Это поле, равно как любое другое непосредственно ощутить нельзя, но существует его количественная характеристика - напряженность электрического поля.

Существует множество формул, описывающих взаимосвязь электрического поля с другими электрическими величинами и параметрами. Ограничимся одной, сведенной к примитиву:

 

E=Δφ,

 

где E - напряженность электрического поля, Δφ=φ1-φ2 - разность потенциалов (см. рис. 1).

 

 

Поскольку условием существования тока является наличие электрического поля, то его (поле) надо каким либо образом создать. Хорошо знакомые опыты электризации расчески, натирания тканью эбонитовой палочки, верчения ручки электростатической машины по вполне очевидным причинам на практике неприемлимы.

 

Поэтому были изобретены устройства, способные обеспечивать разность потенциалов за счет сил неэлектростатического происхождения (одно из них - хорошо всем известная батарейка), получившие название источник электродвижущей силы (ЭДС), которая обозначается так: ε.

 

Физический смысл ЭДС определяется работой, которую совершают сторонние силы, перемещая единичный заряд, но для того, чтобы получить первоначальное понятие что такое электрический ток, напряжение и сопротивление нам не нужно подробное рассмотрение этих процессов в интегральной и иных не менее сложных формах.

 

Напряжение (U).

Определение напряжения, как разности потенциалов на участке цепи: U=Δφ=φ1-φ2,

а для замкнутой цепи будем считать напряжение равным ЭДС источника тока: U=ε.

Это не совсем корректно, но на практике вполне достаточно.

 

Сопротивление (R) ­– название говорит само за себя - физическая величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току. Формула, определяющая зависимость напряжения, тока и сопротивления называется закон Ома. Кроме того, сопротивление зависит от ряда факторов, например, материала проводника. Данные эти справочные, приводятся в виде значения удельного сопротивления ρ, определяемого как сопротивление 1 метра проводника/сечение. Чем меньше удельное сопротивление, тем меньше потери тока в проводнике. Соответственно сопротивление проводника длиной L и площадью сечения S, будет составлять R=ρ*L/S.

 

Непосредственно из приведенной формулы видно, что сопротивление проводника также зависит от его длины и сечения. Температура тоже оказывает влияние на сопротивление.

Несколько слов про единицы измерения тока, напряжения, сопротивления. Основные единицы измерения этих величин следующие:

Ток – Ампер (А)

Напряжение – Вольт (В)

Сопротивление – Ом (Ом)

 

Это единицы измерения интернациональной системы (СИ) не всегда удобны. На практике применяются их производные (миллиампер, килоом и пр.). При расчетах следует учитывать размерность всех величин, содержащихся в формуле.

 

 

Физический смысл электрических величин на примере воды:

 

 

Закон Ома для участка цепи.

 

Закон Ома для участка цепи, безусловно, можно описать известной из школьного курса физики формулой: I=U/R, но некоторые изменения и уточнения внести стоит.

 

Возьмем замкнутую электрическую цепь (рисунок 1) и рассмотрим ее участок между точками 1-2. Для простоты взяли участок электрической цепи, не содержащий источников ЭДС (Е).

 

 

Итак, закон Ома для рассматриваемого участка цепи имеет вид:

 

φ1-φ2=I*R,

 

где I - ток, протекающий по участку цепи, R - сопротивление этого участка, φ1-φ2 - разность потенциалов между точками 1-2.

 

Если учесть, что разность потенциалов это напряжение, то приходим к производной формулы закона Ома, которая приведена в начале страницы:

 

U=I*R

 

Это формула закона Ома для пассивного участка цепи (не содержащего источников электроэнергии).

 

В неразветвленной электрической цепи (рис.2) сила тока во всех участках одинакова, а напряжение на любом участке определяется его сопротивлением:

 

U₁=I*R₁

U₂=I*R₂

Un=I*Rn

U=I*(R₁+R₂+...+Rn)

 

Перед тем как рассмотреть закон Ома для полной (замкнутой) цепи приводим правило знаков для ЭДС, которое гласит:

 

Если внутри источника ЭДС ток идет от катода (-) к аноду (+) (направление напряженности поля сторонних сил совпадает с направлением тока в цепи, то ЭДС такого источника считается положительной (рис.3.1). В противном случае - ЭДС считается отрицательной (рис.3.2).

 

Практическим применением этого правила является возможность приведения нескольких источников ЭДС в цепи к одному с величиной E=E₁+E₂+...+En, естественно, с учетом знаков, определяемых по вышеприведенному правилу. Например (рис.3.3) E=E₁+E₂-E₃.

 

При отсутствии встречно включенного источника E3 (на практике так почти никогда не бывает) имеем широко распространенное последовательное включение элементов питания, при котором их напряжения суммируются.