Количество теплоты через силу тока по 2 закону ома

Лекция № 6 — Закон Ома

Закон Ома, основанный на опытах, представляет собой в электротехнике основной закон, который устанавливает связь силы электрического тока с сопротивлением и напряжением.

Закон Ома – полученный экспериментальным путём (эмпирический) закон, который устанавливает связь силы тока в проводнике с напряжением на концах проводника и его сопротивлением, был открыт в 1826 году немецким физиком-экспериментатором Георгом Омом.

Закон Ома для участка цепи

Строгая формулировка закона Ома может быть записана так:

сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах (разности потенциалов) и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника.

Формула закона Ома записывается в следующем виде:

I – сила тока в проводнике, единица измерения силы тока — ампер [А] ;

U – электрическое напряжение (разность потенциалов), единица измерения напряжения- вольт [В];

R – электрическое сопротивление проводника, единица измерения электрического сопротивления — ом [Ом] .

Согласно закону Ома, увеличение напряжения, например, в два раза при фиксированном сопротивлении проводника, приведёт к увеличению силы тока также в два раза

И напротив, уменьшение тока в два раза при фиксированном напряжении будет означать, что сопротивление увеличилось в два раза.

Рассмотрим простейший случай применения закона Ома.

Пусть дан некоторый проводник сопротивлением 3 Ом под напряжением 12 В. Тогда, по определению закона Ома, по данному проводнику течет ток равный:

Существует мнемоническое правило для запоминания этого закона , которое можно назвать треугольник Ома . Изобразим все три характеристики (напряжение, сила тока и сопротивление) в виде треугольника. В вершине которого находится напряжение, в нижней левой части – сила тока, а в правой – сопротивление.

Правило работы такое: закрываем пальцем величину в треугольнике, которую нужно найти, тогда две оставшиеся дадут верную формулу для поиска закрытой.

Источник ЭДС в полной цепи

Для возникновения электрического тока в замкнутой цепи, эта цепь должна содержать хотя бы один особый элемент, в котором будет происходить работа по переносу зарядов между его полюсами. Силы, переносящие заряды внутри этого элемента, делают это против электрического поля, а значит, их природа должна быть отлична от электрической. Поэтому такие силы называются сторонними.

Рис. 1. Сторонние силы в физике.

Элемент электрической цепи, в котором происходит работа сторонних сил по переносу зарядов против действия электрического поля, называется источником тока. Главная его характеристика – это величина сторонних сил. Для ее характеристики вводится специальная мера – Электродвижущая Сила (ЭДС), она обозначается буквой $mathscr$.

Значение ЭДС источника тока равно отношению сторонних сил по переносу заряда к величине этого заряда:

Поскольку смысл ЭДС очень близок к смыслу электрического напряжения (напомним, напряжение – это отношение работы, совершаемой электрическим полем, переносящим заряд, к величине этого заряда), то ЭДС так же, как и напряжение, измеряется в Вольтах:

Второй важнейшей электрической характеристикой реального источника тока является его внутреннее сопротивление. При переносе зарядов между клеммами происходит их взаимодействие с веществом источника ЭДС, а поэтому, источник для электрического тока также представляет некоторое сопротивление. Внутреннее сопротивление, как и обычное сопротивление, измеряется в Омах, но обозначается малой латинской буквой $r$.

Рис. 2. Примеры источников тока.

Сила тока по закону Ома

Альтернативные утверждения закона Ома заключаются в том, что I в проводнике равен разности потенциалов V на проводнике, деленной на сопротивление проводника, или просто I = V / R, и что разность потенциалов на проводнике равна произведению тока в проводнике и его сопротивления, V = IR.

В цепи, в которой разность потенциалов или напряжение постоянны, I может быть уменьшен, путем добавления большего сопротивления или увеличен путем удаления некоторого сопротивления. Закон Ома также может быть выражен в терминах электродвижущая сила, или напряжение, E — источника электрической энергии, такой как батарея, например, I = Е / R.

С изменениями закон Ома также применяется к цепям переменного тока, в которых соотношение между напряжением и током более сложное, чем для постоянных I. Именно потому, что I меняется, возникают другие формы замыкания тока, называемые реактивным сопротивлением. Сочетание сопротивления и реактивного сопротивления называется импеданс, Z. Когда импеданс, эквивалентный отношению напряжения к току, в цепи переменного тока является постоянным, обычное явление, применим закон Ома, например, V/I = Z.

Закон Ома используется во всех отраслях электротехники для расчета значения резисторов, требуемых в цепях, и также может использоваться для определения тока, протекающего в цепи, где напряжение можно легко измерить через известный резистор. Таким образом, он применяется в огромном количестве вычислений во всех формах электрических и электронных схем — фактически везде, где течет ток.

Примеры расчётов закона Ома

Давайте, найдём напряжение, если ток равен 0,9 Ампер, а сопротивление 100 Ом, пользуясь треугольником, прикрываем напряжение рукой, смотрим, вертикальная черта, значит умножить. Опять пользуемся той формулой, только подставляем числа, U = 0,9 А * 100 Ом, считаем, получиться 90, значит U = 90 вольт.

Теперь рассчитываем сопротивление, берём те же единицы, только убираем сопротивление, получиться вот такая формула: R = 90 В 0,9 А, получим 100 Ом.

Чтобы рассчитать ток, опять же убираем ток, получаем эту формулу I = 90 В 100 Ом, получаем 0,9 Ампер. Итак, на этом всё, кстати, закон Ома действует там, где нет катушек индуктивности и конденсаторов, не забивайте голову конденсаторами и катушками индуктивности, просто, запомните, что закон Ома действует, там, где нет катушек индуктивности и конденсаторов. Надеюсь, моя статья была полезной, всем удачи, с вами был Дмитрий Цывцын.

Лабораторное исследование Закона Ома

Рассмотрим действие Закона Ома через исследования лабораторным путём с использованием последовательных и параллельных цепей. Схема, подходящая для эксперимента, представлена выше на картинке.

Инструментально потребуются два прибора: измеритель напряжения (вольтметр), измеритель силы тока (амперметр). Обычно оба измерителя представлены единой конструкцией прибора, именуемого – мультиметр.

Конструкций мультиметров в современном (цифровом) исполнении существует множество. Каждый прибор, как правило, поддерживает измерение напряжения, тока, сопротивлений и прочих электрических величин

Исследование последовательной схемы включения

• Подключить источник питания к двум последовательно подключенным резисторам, подключив положительную клемму источника питания к V1 и отрицательную клемму к V3.
• Подключить измеритель напряжения к V1 и V3 и отрегулировать источник питания так, чтобы показания вольтметра составляли 5 вольт.
• Измерить напряжение между точками V1 и V2 и между точками V2 и V3.
• Отключить вольтметр, подключить амперметр к точке C1. Измерить ток в точке С1.
• Используя уравнение, рассчитать сопротивление резистора между точками V2 и V3. Рассчитать сопротивление между V1 и V2. Найти процентную погрешность расчетного значения и значений R.

Исследование параллельной схемы включения

• Подключить источник питания параллельно к двум резисторам, подключив положительную клемму источника питания к V3, а отрицательную клемму к V4.
• Подключить вольтметр к V3 и V4 и отрегулировать источник питания так, чтобы показания вольтметра составляли 5 вольт.
• При помощи амперметра измерить ток в точке C2.
• Используя уравнение, рассчитать сопротивление R= 91 Ом.
• Рассчитать общее сопротивление двух параллельных элементов. Подсчитать сумму тока через параллельную цепь, а также через R=110 Ом.

Как Георг Ом вывел закон математически

Авторы сделали небольшой перевод целой (!) книги о математическом исследовании электрической цепи. Ом пишет, что труд создал на основе лишь трёх постулатов:

• Распространение электричества внутри твёрдого тела (проводника).
• Движение электричества за пределами твёрдого тела (рискнём предположить, что речь идёт о магнитном поле).
• Явление возникновения электричества при контакте разнородных проводников (сейчас называется термопарой).

Учёный пишет, что опирался на воздух, последние два постулата к тому времени не носили форму законов, присутствовали лишь частичные экспериментальные наработки. Исследования основывались на опытах Шарля Кулона, который экспериментировал с действиями зарядов друг на друга дистанционно. Уже тогда Ом предположил, что два контактирующих разнородных проводника образуют разность потенциалов. А теперь удивительные открытия Ома:

1. Как упомянуто выше, в то время не существовало измерительных приборов. Ом знал по научным публикациям, что текущий по проводу ток отклоняет в сторону магнитную стрелку. Непросто оказывалось соотнести угол с величиной электричества, но учёный пошёл на хитрость: при помощи крутильных весов начал определять усилие, при котором показания компаса и направление металлической жилы совпадали. А в ньютонах это крайне малое значение. Так Ом научился измерять точно силу тока – величину, неизвестную научному сообществу, введённую в обиход гением науки.
2. В ходе опытов замечено, что вольтов столб не даёт постоянного напряжения. Эксперименты в таких условиях Георг Ом продолжать не мог. И стал использовать… термо-ЭДС (по совету физика И. Х. Поггендорфа). Это потрясающе, потому что малые напряжения – разность потенциалов между двумя разнородными проводниками (медь и висмут) токи вызывают незначительные. Ом справился с задачей при помощи крутильных весов и стрелки компаса. А незначительное снижение температуры на стыке быстро компенсировалось. Первый конец термопары учёный помещал в сосуд с кипящей водой, второй – в ёмкость со льдом. Неизвестным оставалось непостоянство температур по шкале. К примеру, кипение начинается неодинаково, на процесс влияет давление атмосферы. Но термопара показала себя с первого теста намного лучше гальванического элемента.

Кулон со своим изобретением

Добавим, крутильные весы, принцип действия которых основан на модуле упругости тонкой проволоки, сконструировал Кулон. Применял для статических зарядов. Таким образом и вывел знаменитый закон. Магнитная стрелка описана в работах Эрстеда (1820 года). Учёный заметил, что отклонение пропорционально тому, что сейчас называем силой тока. В том году Ампер сформулировал собственный знаменитый закон, сообщил, что соленоид с разностью потенциалов на своих выводах ориентируется в магнитном поле Земли. Открытия следовали одно за другим, и книга Георга Ома по математическому исследованию гальванической цепи стала очередной из ряда.

Магнитную стрелку учёный располагал по направлению магнитного меридиана. Чтобы исключить влияние магнитного поля Земли. При помощи крутильных весов измерял силу, требуемую для возврата системы в исходное состояние. Ом вывел ряд причин недовольства гальваническим элементом как источника питания:

Постепенно, как любой аккумулятор, вольтов столб терял напряжение. Ом заметил это в ходе исследования теплового эффекта на куске обычной проволоки. Постепенно температура неумолимо падала. Стоило привести систему в начальное состояние (зарядить), как нагрев усиливался. Следовательно, гальванический элемент в ходе исследований вносил погрешность. Термо-ЭДС обладала большей стабильностью и меньшей величиной, что снижало нагрев проводников, нивелируя температурную погрешность.

Подготовка к эксперименту

Вдобавок чистота материалов исследуемых образцов даже у Ома вызывала сомнения. Не существовало удобоваримого инструмента для оценки диаметра (и площади сечения). Все это говорит, сколько трудностей пришлось преодолеть школьному учителю (талантливому математику).

По мере ознакомления с работой становилось понятно, почему целых два года ушло на вывод простой формулы. В довершение учёный не обнаружил поддержки, в первую очередь, материальной, от учёных кругов и государственных институтов. А уравнение долгое время потом подвергалось критике – масла в огонь добавила неточность в первоначальной формулировке уравнения. Подытоживая:

1. Путём абстракции однородного, симметричного кольца из проводника учёный дедуктивным методом показал, что в каждом сечении ток одинаков. Полагаем, Ому активно помогала стрелка, усилие кручения которой на протяжённости окружности сохранялось постоянным.
2. Составляя кольцо из сегментов, Ом создавал разные геометрические абстракции, вытягивал в линию, рисовал и ввёл понятие разницы потенциалов. И все, чтобы увидеть математическое выражение закона.

Как пишет Ом, работа на тот момент считалась сложнейшей математической задачей, добавим, текст её даст сто очков форы любой современной шараде. Когда кольцо представляют в виде прямой линии, это выглядит странно, текст не поясняет это действие (хотя там терпеливо обрисовывается назначение линий). Не берёмся выяснять суть абстракций, просто указываем форму уравнения, к которой пришёл учёный:

где Х – сила, действующая на магнитную стрелку, a – длина исследуемого проводника, b и х – некие произвольные константы. К примеру, Ом предлагал взять, соответственно, b единым числом 20,25 и х – диапазон значений от 7285 до 6800. В этом случае, пользуясь указанным выше выражением, удавалось заранее по длине и материалу проводника предсказать магнитную силу, действующую на стрелку. Что сочтено подтверждением верности происходящего.

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.