Сопротивление через ток: 1. Электрическое сопротивление. Закон Ома для участка электрической цепи

Содержание

Суть электрического сопротивления, что такое сопротивление электрического тока, его природа.

Многие слышали о таком понятии, встречаемом и широко используемом в сфере электричества, как электрическое сопротивление. Но не все знают, какова же природа его. В чём заключается суть, и что вообще оно собой представляет, от чего зависит. Предлагаю в этой статье разобраться, что же такое сопротивление тока. И так, под электрическим сопротивлением подразумевают две вещи. В одном понимании это физическая величина, в другом же, это электрический компонент, деталь, элемент.

Теперь про то, в чём именно заключается суть сопротивления тока. А начнём мы с основы, строения атома, его кристаллической решетки, и движения электричества внутри электрического проводника. Напомню, что атом является мельчайшей частицей вещества. Он устроен следующим образом: в центре находится так называемое ядро, состоящее из более мелких частиц, протонов и нейтронов. Вокруг этого атомного ядра с огромной скоростью вращаются еще одни частицы, называемые электронами (по размерам они гораздо меньше ядра).

Ядро атома имеет положительный электрический заряд (плюс), а электроны, соответственно, отрицательный заряд (минус). Любое вещество представлено множеством атомов, которые имеют свою определенную структурированность, именуемая таким понятием как кристаллическая решётка (если говорить о твердом состоянии вещества). Но перед тем как перейти к сути сопротивления тока стоит ещё добавить, что то пространство, по которому носятся электроны называется орбитой электрона (орбиталями). У разных веществ количество орбит может быть разным, и располагаются они одна выше другой (как луковица).

На самой отдалённой электронной орбите сила притяжения электрона к ядру атома минимально, что способствует легкому отрыву электрона от неё и перехода его к соседнему атому. В этом заключается суть движения электрических зарядов внутри вещества (проводника тока).

Когда мы подключаем к проводнику источник тока, прилаживая к его концам определенную разность потенциалов (электрическое напряжение), мы заставляем электроны упорядоченно двигаться с одного полюса источника энергии к другому.

Возникает электрический ток зарядов внутри проводника, его кристаллической решетки.

А теперь уж можно перейти к вопросу о электрическом сопротивлении тока, его сути. И так, при прохождении электрических зарядов внутри проводника электроном не приходится двигаться по прямой траектории, их движения скорей напоминает перескоки с одного атома на другой. Естественно, что при таком движении будет расходоваться некоторая энергия (на преодоление препятствий). Кроме этого стоит учесть, что атомы не стоят на месте, они имеют свое внутреннее хаотическое движение внутри кристаллической решетки вещества. А чем больше это движение (зависящие также от температуры, чем она выше, тем движение атомов интенсивнее), тем большее препятствие возникает перед перемещением зарядов. Именно это препятствие движению тока и называется электрическим сопротивлением.

Также существует такое понятие как сверхпроводимость. Это когда электрическое сопротивление тока приравнивается к нулю. Электрический ток бежит по проводнику без потерь. Так сказать идеальный проводник. Этого эффекта можно достичь если определённые вещества довести до температуры абсолютного нуля (273 градуса по Цельсию). А как известно из физики, при сверхнизких температурах движения атома внутри кристаллической решетки вещества практически прекращается. На пути движения электронов, электрического тока заряженных частиц нет препятствий, что и дает эффект сверхпроводимости.

Электрическое сопротивление зависит от таких фундаментальных электрических величин как сила тока и напряжение. Все эти три электрические характеристики объединены общим законом, который называется закон Ома (сила тока равна напряжение деленное на сопротивление). Зависимость этой троицы следующая: чем больше сопротивление электрической цепи, тем меньше будет сила тока, при равном напряжении питания. Чем больше напряжение мы прилаживаем к цепи, тем больше сила тока будет протекать, при равном сопротивлении цепи. То есть, чем больше сопротивление, тем меньше сила тока, и наоборот.

У сопротивления тока имеется своя единица измерения, это Ом (1 килоом равен 1000 ом). 1 Ом равен 1 Вольт поделить на 1 Ампер.

Это мы разобрали суть электрического сопротивления тока, как физической величины. Но очень часто говоря о сопротивлении подразумевается конкретная материальная вещь, деталь, функциональный элемент. То есть, обычный электрический резистор называют сопротивлением, поскольку прямое назначение этой детали заключается именно в образовании электрического сопротивления в определенной части цепи. Электрическое сопротивление тока ещё бывает активным и реактивным. Активное сопротивление существует у всех резистивных элементах (проводники имеющие нагревательную способность). Реактивным сопротивлением обладают различные катушки и емкости. Но про это уже в другой теме.

P.S. У новичка может возникнуть такой закономерный вопрос. Зачем нужно специально ставить сопротивление в электрическую цепь, ведь его суть заключается в препятствии движению тока? Нужно, даже необходимо, Так же, как и наличие у машины тормозов. Когда возникает необходимость снижению скорости или остановки без тормозов просто не обойтись. Примерно также, и в сфере электрики, электроники. В некоторых местах электрической цепи нужно наличие именно меньшего напряжения и тока, чем на входе источника питания, что и делает резистор (сопротивление).

Урок 8. переменный электрический ток – Физика – 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 8. Переменный электрический ток

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Свойства переменного тока;

2) Понятия активного сопротивления, индуктивного и ёмкостного сопротивления;

3) Особенности переменного электрического тока на участке цепи с резистором;

4) Определение понятий: переменный электрический ток, активное сопротивление, индуктивное сопротивление, ёмкостное сопротивление.

Глоссарий по теме

Переменный электрический ток — это ток, периодически изменяющийся со временем.

Сопротивление элемента электрической цепи (резистора), в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю называют активным сопротивлением.

Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.

Величину Х_C,обратную произведению ωC циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.

Величину Х_L, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2014. – С. 86 – 95.

Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. – М.: Дрофа, 2014. – С. 128 – 132.

Степанова. Г.Н. Сборник задач по физике. 10-11 класс. М., Просвещение 1999 г.

Е.А. Марон, А.Е. Марон. Контрольные работы по физике. М., Просвещение, 2004

Основное содержание урока

Сейчас невозможно представить себе нашу цивилизацию без электричества.

Телевизоры, холодильники, компьютеры – вся бытовая техника работает на нем. Основным источником энергии является переменный ток.

Электрический ток, питающий розетки в наших домах, является переменным А что это такое? Каковы его характеристики? Чем же переменный ток отличается от постоянного? Об этом мы поговорим на данном уроке.

В известном опыте Фарадея при движении полосового магнита относительно катушки появлялся ток, что фиксировалось стрелкой гальванометра, соединенного с катушкой. Если магнит привести колебательное движение относительно катушки, то стрелка гальванометра будет отклоняться то в одну сторону, то в другую – в зависимости от направления движения магнита. Это означает, что возникающий в катушке ток меняет свое направление. Такой ток называют переменным.

Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током.

Переменный электрический ток представляет собой электромагнитные вынужденные колебания.

Переменный ток в отличие от постоянного имеет период, амплитуду и частоту.

Сила тока и напряжение меняются со временем по гармоническому закону, такой ток называется синусоидальным. В основном используется синусоидальный ток. Колебания тока можно наблюдать с помощью осциллографа.

Если напряжение на концах цепи будет меняться по гармоническому закону, то и напряженность внутри проводника будет так же меняться гармонически. Эти гармонические изменения напряженности поля, в свою очередь вызывают гармонические колебания упорядоченного движения свободных частиц и, следовательно, гармонические колебания силы тока. При изменении напряжения на концах цепи, в ней с очень большой скоростью распространяется электрическое поле. Сила переменного тока практически во всех сечениях проводника одинакова потому, что время распространения электромагнитного поля превышает период колебаний.

Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике, включенном в цепь переменного тока. Сопротивление проводника, в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным. При изменении напряжения на концах цепи по гармоническому закону, точно так же меняется напряженность электрического поля и в цепи появляется переменный ток.

При наличии такого сопротивления колебания силы тока и напряжения совпадают по фазе в любой момент времени.

𝒾 – мгновенное значение силы тока;

ℐ_m– амплитудное значение силы тока.

– колебания напряжения на концах цепи.

Колебания ЭДС индукции определяются формулами:

При совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений силы тока и напряжения. Среднее значение мощности равно половине произведения квадрата амплитуды силы тока и активного сопротивления.

Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующие значения. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени – мгновенное значение (помечают строчными буквами – і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно рассчитывать по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.

U_m – амплитудное значение напряжения.

Действующие значения силы тока и напряжения:

Электрическая аппаратура в цепях переменного тока показывает именно действующие значения измеряемых величин.

Конденсатор включенный в электрическую цепь оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.

Величину Х_C, обратную произведению циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.

Ёмкостное сопротивление не является постоянной величиной. Мы видим, что конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление постоянному току.

Если включить в электрическую цепь катушку индуктивности, то она будет влиять на прохождение тока в цепи, т.е. оказывать сопротивление току. Это можно объяснить явлением самоиндукции.

X_L=ωL

Если частота равна нулю, то индуктивное сопротивление тоже равно нулю.

При увеличении напряжения в цепи переменного тока сила тока будет увеличиваться так же, как и при постоянном токе. В цепи переменного тока содержащем активное сопротивление, конденсатор и катушка индуктивности будет оказываться сопротивление току. Сопротивление оказывает и катушка индуктивности, и конденсатор, и резистор. При расчёте общего сопротивления всё это надо учитывать. Основываясь на этом закон Ома для переменного тока формулируется следующим образом: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.

Если цепь содержит активное сопротивление, катушку и конденсатор соединенные последовательно, то полное сопротивление равно

Закон Ома для электрической цепи переменного тока записывается имеет вид:

Преимущество применения переменного тока заключается в том, что он передаётся потребителю с меньшими потерями.

В электрической цепи постоянного тока зная напряжение на зажимах потребителя и протекающий ток можем легко определить потребляемую мощность, умножив величину тока на напряжение. В цепи переменного тока мощность равна произведению напряжения на силу тока и на коэффициент мощности.

Мощность цепи переменного тока

P=IU cosφ

Величина cosφ – называется коэффициентом мощности

Коэффициент мощности показывает какая часть энергии преобразуется в другие виды. Коэффициент мощности находят с помощью фазометров. Уменьшение коэффициента мощности приводит к увеличению тепловых потерь. Для повышения коэффициента мощности электродвигателей параллельно им подключают конденсаторы. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока создают противоположные сдвиги фаз. При одновременном включении конденсатора и катушки индуктивности происходит взаимная компенсация сдвига фаз и повышение коэффициента мощности. Повышение коэффициента мощности является важной народнохозяйственной задачей.

Разбор типовых тренировочных заданий

1. Рамка вращается в однородном магнитном поле. ЭДС индукции, возникающая в рамке, изменяется по закону e=80 sin 25πt. Определите время одного оборота рамки.

Дано: e=80 sin 25πt.

Найти: T.

Решение:

Колебания ЭДС индукции в цепи переменного тока происходят по гармоническому закону

Согласно данным нашей задачи:

Время одного оборота, т.е. период связан с циклической частотой формулой:

Подставляем числовые данные:

Ответ: T = 0,08 c.

2. Чему равна амплитуда силы тока в цепи переменного тока частотой 50 Гц, содержащей последовательно соединенные активное сопротивление 1 кОм и конденсатор емкости С = 1 мкФ, если действующее значение напряжения сети, к которой подключен участок цепи, равно 220 В?

Дано:

ν=50 Гц,

R=1 кОм=1000 Ом,

C=1 мкФ=10^-6 Ф,

U=220 В.

Найти: I_m

Решение:

Напишем закон Ома для переменного тока:

I=U/Z

Для амплитудных значений силы тока и напряжения, мы можем записать I_m=U_m/Z?

Полное сопротивление цепи равно:

Подставляя числовые данные находим полное сопротивление Z≈3300 Ом. Так как действующее значение напряжения равно:

то после вычислений получаем I_m ≈0,09 Ом.

Ответ: I_m ≈0,09 Ом.

2. Установите соответствие между физической величиной и прибором для измерения.

Физические величины	Физические приборы
Сила тока	Омметр
Напряжение	Вольтметр
Сопротивление	Амперметр
Мощность	Ваттметр

Правильный ответ:

Физические величины	Физические приборы
Сила тока	Амперметр
Напряжение	Вольтметр
Сопротивление	Омметр
Мощность	Ваттметр

Сопротивление

Подобно тому, как труба тормозит и ограничивает протекающий через нее поток воды, так электрическое сопротивление ограничивает протекающий через него электрический ток. Сопротивление R измеряется в омах (условное обозначение Ом).

Единицы

Основными единицами для измерения тока, напряжения и сопротивления являются ампер, вольт и ом. Существуют также производные от этих единиц, большие или меньшие основных во много десятков раз. Соотношения этих единиц приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Величина	Обозначение	Единицы
Ток	I	ампер, А
Напряжение	V	вольт, В
Сопротивление	R	ом, Ом
миллиампер	мА	= 1/1000 А = 10^-3 А
микроампер	мкА	= 1/1000 мА = 10^-3 мА, или 1/1000000 А = 10^-6 А
милливольт	мВ	= 1/1000 В = 10^-3 В
микровольт	мкВ	= 1/1000 мВ = 10^-3 мВ, или 1/1000000 В = 10^-6 В
киловольт	кВ	= 1000 В = 10³ В
килоом	кОм	= 1000 Ом = 10³ Ом
мегаом	МОм	= 1000 кОм = 10³ кОм, или 1000000 Ом = 10⁶ Ом

Закон Ома

Итак, по определению сопротивление ограничивает плектр и чески и ток. Значение тока, протекающего через резистор, зависит как от его сопротивления, так и от разности потенциалов, или напряжения, приложенного к резистору (рис. 1.3). Чем больше сопротивление, тем меньше протекающий ток. С другой стороны, чем выше напряжение, тем больше ток. Эта зависимость известна как закон Ома:

Ток (амперы) = Напряжение (вольты) / Сопротивление (омы),

или I = V/R

Отсюда

R = V/I и V = IR

Полное напряжение
(а)

Полное напряжение
(б)

Рис. 1.4. Два последовательно соединенных резистора (а)
и их эквивалентное сопротивление (б)

Рис. 1.3. Резистор в схеме

Последовательное соединение резисторов

R1 и R2 – два резистора, соединенных последовательно (рис. 1.4(а)). Весь ток, который протекает через R1, протекает и через R2, т. е. последовательно включенные резисторы имеют общий ток. А вот напряжения на них различны.

Пример 1

Если R1 = 2 Ом, R2 = 6 Ом и I = 3 А, то
Напряжение на R1: V = 6 В и
Напряжение на R2: V = 18 В.

Полное напряжение между точками А и В равно сумме напряжений на резисто¬рах R1 и R2
V = V1 + V2 = 6 B + 18 B = 24 B

Общее сопротивление

R1 и R2 можно заменить одним сопротивлением. при котором между точ¬ками А и В будет протекать тот же ток при условии, что напряжение между точками А и В будет прежнее (рис. 1.4(б)). Такое эквивалентное сопротивление называется общим сопротивлением RТ.
Полное сопротивление RТ = R1 + R2.
Определим общее сопротивление для схемы в примере 1:
RТ = R1 + R2 = 2 + 6 = 8 Ом.
При токе I = 3 А определим напряжение
V = IR = 3 * 8 = 24.
Как видим, это то же значение напряжения, которое мы получили сло¬жением V1 и V2.

Последовательное соединение трех резисторов

Пример 2

На рисунке 1.5 R1 = 1 кОм, R2 = 4 кОм, R3 = 10 кОм и напряжение батареи
Общее сопротивление RТ = R1 + R2 + R3 = 15 кОм;
Ток I = V / RТ = 1 мА;
Напряжение на R1: V1 = I R1 = 1 В;
Напряжение на R2: V2 = I R2 = 4 В;
Напряжение на R3: V3 = I R3 = 10 В.

Делитель напряжения

Как видно из вышеприведенного примера, если два или более резистора соединены последовательно и на них подано напряжение постоянного тока, то на всех резисторах появляются разные напряжения.

Рис. 1.5. Последовательное соединение трех резисторов

Рис. 1.6. Делитель напряжения

Такая схема называется делителем напряжения и применяется для получения разных напряжений от одного источника питания. В простейшем делителе напряжения, изображенном на рис. 1.6, R1 = 2 кОм, R2 = 1 кОм и напряжение источника питания V = 30 В. Напряжение в точке А равно полному напряжению источника, т. е. 30 В. Напряжение VB в точке В равно напряжению на R2.

Ток в цепи I = 10 мА

Напряжение на R2: V2 = IR2= 10В.

Напряжение в точке В можно вычислить другим способом:

Напряжение на R2: V2 = VR2 / (R1 + R2) = 10 B.

Второй способ применим для любого делителя напряжения, состоящего из двух и более резисторов, включенных последовательно. Напряжение в любой точке схемы можно вычислить с помощью калькулятора за один прием, минуя вычисление тока.

Последовательное включение двух резисторов с равными сопротивлениями

Если делитель напряжения состоит из двух одинаковых резисторов, то приложенное напряжение делится на них пополам.

Последовательное включение трех резисторов с равными сопротивлениями

Пример 3

На рис. 1.7 изображен делитель напряжения, состоящий из трех одинаковых резисторов сопротивлением в 1 кОм каждый. Вычислить напряжение в точках А и В относительно точки Е.

Общее сопротивление R_Т = R₁ + R₂ + R₃= 3 кОм;

V_AE = 10 B;

V_BE = 20 B.

Рис. 1.7. Делитель напряжения из трех одинаковых резисторов

Рис. 1.8.

Видеоурок о понятии сопротивления проводников

Добавить комментарий

Сопротивления в цепи переменного тока

Сопротивления в цепи переменного тока

Категория:

Сварка металлов

Сопротивления в цепи переменного тока

В цепях переменного тока различают активное, индуктивное и емкостное сопротивления.

Под активным сопротивлением R понимается сопротивление проводника, измеренное при црохождении по нему переменного тока. Сопротивление проводника, измеренное при постоянном токе, называется омическим. В одной и той же электрической цепи активное сопротивление больше омического. При низких частотах переменного тока разница между активным и омическим сопротивлением проводника мала и ее можно не учитывать. В цепи переменного тока с активным сопротивлением (идеальный частный случай) напряжение и вызванный им ток совпадают по фазе, т. е. кривые напряжения и тока одновременно проходят через нулевые и амплитудные значения. На векторной диаграмме этой цепи векторы напряжения и тока совпадают по направлению.

В любой электрической цепи переменного тока вокруг проводников с током возникает магнитное поле, следовательно электрическая цепь всегда обладает индуктивностью. Если переменное напряжение приложить к катушке индуктивности, ток в цепи будет меньше в сравнении с тем током, который бы протекал при наличии одного активного сопротивления катушки. ЭДС самоиндукции катушки противодействует периодическим изменениям переменного тока, т. е. в катушке возникает дополнительное препятствие (кроме активного сопротивления) прохождению по ней переменного тока. Противодействие катушки индуктивности переменному току, измеряемое в омах, условно назвали индуктивным сопротивлением. Индуктивное сопротивление пропорционально индуктивности цепи и частоте переменного тока. Коэффициент обусловлен круговым движением, связанным с периодом синусоидальной волны тока (напряжения).

Индуктивное сопротивление XL при постоянном токе равно нулю. По этой причине недопустима ошибочная подача постоянного напряжения на электрические машины и аппараты переменного тока — в этом случае в их обмотках возникает очень большой постоянный ток, разрушающий их своим тепловым действием.

Рис. 1. Взаимоиндукция

Рис. 8. Совпадение (а) и сдвиг (б) по фазе синусоидальных напряжений и токов

Индуктивность электрической цепи вызывает сдвиг по фазе между приложенным переменным напряжением и током, вызванным этим напряжением. В цепи с чистой индуктивностью (идеальный частный случай) ток отстает на четверть периода (90°) от приложенного напряжения.

Электрический ток возникает под действием электрического поля, поэтому всякая электрическая цепь обладает некоторой емкостью С. Способность накапливать электрические заряды с одновременным повышением потенциала до определенного уровня называется электрической емкостью. Для получения необходимых емкостей применяют электрические конденсаторы. В некоторых случаях влияние емкостей на режим цепи незначительно и его можно не учитывать.

Если к электрической цепи, замкнутой на емкость, приложить постоянное напряжение, то ток возникает только в момент включения и прекращается, когда емкость заряжается до напряжения источника. Переменное напряжение, приложенное к этой же цепи, изменяется периодически и вместе с ним периодически изменяется заряд емкости. Переменный ток создает переменный ток заряда и разряда. Конденсаторы различной емкости вызывают в цепи разные токи заряда и разряда. Конденсатор можно рассматривать как некоторое сопротивление переменному току, т: е. включенный в цепь переменного тока он вносит в нее дополнительное емкостное сопротивление, измеряемое в омах. Чем больше переменный ток, тем меньше емкостное сопротивление конденсатора . Емкостное сопротивление цепи обратно пропорционально емкости конденсатора и частоте переменного тока.

Таким образом, индуктивность и емкость вносят дополнительные сопротивления в цепь переменного тока и вызывают сдвиг по фазе между приложенным напряжением и током, возникающим под действием этого напряжения. Причем индуктивность и емкость вызывают фазовые сдвиги противоположного направления, т. е. как бы компенсируют друг друга.

Индуктивное XL и емкостное Хс сопротивления являются условными величинами, их возникновение обусловлено реакцией цепи на изменения тока и напряжения в ней, поэтому оба эти сопротивления называются реактивными. Индуктивное и емкостное сопротивления называют еще безваттными сопротивлениями, т. к. на их преодоление никакой мощности не затрачивается. На индуктивном сопротивлении XL энергия источника расходуется на создание только ЭДС самоиндукции, т. е. превращается в энергию магнитного поля — происходит попеременный обмен энергией между источником тока и магнитным полем катушки. На емкостном сопротивлении Хс энергия источника расходуется на создание электрического поля — происходит попеременный обмен энергией между источником тока и электрическим полем конденсатора.

Статьи по теме:

Цепь переменного тока с активным сопротивлением

Когда в электрическую цепь переменного тока подключается активное сопротивление R, то под воздействием разницы потенциалов источника в цепи начинает течь ток I. В тех случаях, когда изменение напряжения происходит по синусоидальному закону, который выражается, как u = U_m sin ωt, то изменение тока i также идет по синусоиде:

Активное сопротивление

i = I_m sin ωt

При этом

Так что получается, что изменение напряжения и тока происходят по одинаковым законам. При этом через нулевое значение они проходят одновременно и своих максимальных значений также достигают одновременно. Из этого следует, что когда в электрическую цепь переменного тока подключается активное сопротивление R, то напряжение и ток совпадают по фазе.

Мощность, ток, напряжение

Если взять равенство I_m = U_m / R и каждую из его частей разделить на √2, то в итоге получится ни что иное, как закон Ома, применимый для той цепи, которая рассматривается: I = U/R.

Таким образом, получается, что это основополагающий закон для той цепи, которая имеет в своем составе только активное сопротивление, с точки зрения математики имеет такую же форму, что и для цепи тока постоянного.

Электрическая мощность

Такой показатель, как электрическая мощность P для цепи, имеющей в своем составе активное сопротивление, равняется произведению мгновенного значения напряжения U на мгновенное значение силы тока i в любой момент времени. Из этого следует, что в цепях переменного тока, в отличие от цепей тока постоянного, мгновенная мощность P – величина непостоянная, а ее изменение происходит по кривой. Для того чтобы получить ее графическое представление, необходимо ординаты кривых напряжения U и силы тока i перемножить при разных углах ωt. Мощность изменяется по отношению к изменению тока с двойной частотой ωt. Это означает, что половине периода изменения напряжения и тока соответствует один период изменения мощности. Следует заметить, что абсолютно все значения, которые может принимать мощность, являются положительными величинами. С точки зрения физики это означает, что от источника к приемнику передается энергия. Своих максимальных значений мощность достигает тогда, когда ωt = 270° и ωt = 90°.

В практическом отношении о той энергии W, которую создает электрический ток, принято судить по средней мощности, выражаемой формулой Р_ср = Р, а не по мощности максимальной. Ее можно определить, перемножив на время протекания тока среднее значение мощности W = Pt.

Относительно линии АБ, соответствующей среднему значению мощности P, кривая мгновенной мощности симметрична. По этой причине

P = P_max / 2 = UI

Если использовать закон Ома, то можно выразить активную мощность в следующем виде:

P = I2R или P = U2/R.

Специалисты в области электротехники ту среднюю мощность, которую потребляет активное сопротивление, чаще всего именуют или просто мощностью, или активной мощностью, а для ее обозначения используется буква P.

Поверхностный эффект

Необходимо особо отметить такую особенность проводников, включенных в сеть переменного тока: их активное сопротивление во всех случаях оказывается больше, чем если бы они были включены в сеть тока постоянного. Причина этого состоит в том, что переменный ток не протекает равномерно распределяясь по всему поперечному сечению проводника, как ведёт себя постоянный ток, а выводится на его поверхность. Таким образом, получается, что при включении проводника в цепь переменного тока его полезное сечение оказывается значительно меньшим, чем при включении в цепь тока постоянного. Именно поэтому его сопротивление возрастает. В физике и электротехнике это явление называется поверхностным эффектом.

То, что переменный ток распределяется по сечению проводника неравномерно, объясняется действием электродвижущей силы самоиндукции. Она индуцируется в проводнике тем магнитным полем, которое создается током, проходящим по нему. Необходимо заметить, что действие этого магнитного поля распространяется не только на окружающее проводник пространство, но и на внутреннюю его часть. По этой простой причине те слои проводника, которые располагаются ближе к его центру, находятся под воздействием большего магнитного потока, чем те слои, что располагаются ближе к его поверхности. Соответственно, электродвижущая сила самоиндукции, которая возникает во внутренних слоях, существенно больше, чем та, что образуется в слоях внешних.

Электродвижущая сила самоиндукции является существенным препятствием для изменения тока, и поэтому он будет следовать преимущественно по поверхностным слоям проводника. Необходимо также отметить, что сопротивление активных проводников в цепях переменного тока существенно зависит от частоты: чем она больше, тем выше ЭДС самоиндукции, и поэтому ток в большей степени подвергается вытеснению на поверхность.

Объяснение силы тока и сопротивления в электрической цепи

Электрические устройства работают, являясь частью электрической цепи, которая представляет собой путь, по которому текут электроны. Цепи зависят от проводников: материалов, которые обеспечивают легкий и прямой поток электронов через себя.

Некоторые материалы, такие как стекло или пластик, являются плохими проводниками. На самом деле они обычно используются как изоляторы: материалы, которые сопротивляются потоку электронов через них.

Однако многие металлы являются хорошими проводниками, так как обладают меньшим сопротивлением электричеству.Медь считается отличным проводником, потому что она имеет очень малое сопротивление. Кроме того, он не ржавеет и с ним легко работать, поэтому его часто выбирают для изготовления проволоки.

Но все проводники, даже такие хорошие, как медь, обладают определенным сопротивлением. Может быть небольшое сопротивление, но оно есть всегда.

Начнем с простой схемы. Цепь идет от одной клеммы батареи к свету, а затем обратно к другой клемме батареи. Когда мы замыкаем цепь, свет загорается.Электроны текут!

Теперь давайте построим такую же схему, но на этот раз с большим количеством проводов. Когда мы замкнем цепь, обратите внимание, что происходит: свет не такой яркий. Что случилось?

Мы можем измерить ток в исходной цепи. Было 2 ампера. Лампа была яркой, что свидетельствовало о большом токе — хороший поток электронов!

Когда мы добавили провод, лампочка стала не такой яркой. Это означало, что через цепь проходил меньший ток.В этом случае мы можем измерить только 1,5 ампера. Почему?

Помните, что каждый проводник имеет некоторое сопротивление электричеству. Когда мы сравниваем сопротивление цепей, мы видим, что лишний провод во второй цепи добавляет сопротивление.

Когда мы заменяем лишний провод в этой цепи на другую лампочку, мы видим похожие результаты: первая лампочка все еще тусклая, как и вторая лампочка!

Дополнительный свет заменил дополнительный провод в цепи. Каждый свет, как провод, имеет свое сопротивление.И когда вы добавляете сопротивление, будет течь меньший ток.

Резистивный электрический поток. Закон Ома

Движущийся заряд чувствует сопротивление

Когда электрический заряд движется через материал, он обычно испытывает сопротивление, которое имеет тенденцию противодействовать движению, возникающее из-за их взаимодействия с другими зарядами в материале, движущемся термически. {net} = qE – bv = 0$$

или

$$qE = bv.$$

Закон Ома

Теперь рассмотрим цилиндр, состоящий, скажем, из ионов и электронов, на который мы накладываем электрическое поле. Ионы будут реагировать, возможно, в 120 000 раз меньше, чем электроны (отношение массы иона меди к массе электрона), поэтому мы можем игнорировать движение ионов.

Рассмотрим цилиндр заряда площадью поперечного сечения A и длиной $L$ с носителями заряда $q$ плотностью $n$. Чтобы получить поле E по всему объему, мы наложим разность потенциалов $ΔV$.Это даст среднее поле E

$$E = ΔV/L.$$

Баланс наших сил дает

$$qE = bv$$

$$qΔV/л = bv$$

Теперь мы хотим избавиться от $v$ в пользу текущей, $I$ . Напомним, что ток определяется (см. страницу, определение электрического тока) количеством заряда, пересекающего площадь в секунду, или

$$I = \frac{\mathrm{количество\;заряда\;площадь\;пересечения\;в\;а\;время} Δt}{Δt}$$

Поскольку $I$ = (плата за один носитель)(количество перевозчиков в единице объема) x
(площадь пересечения объема во времени $Δt$), деленная на $Δt$

$$I = \frac{qn(AvΔt)}{Δt} = qnvA$$

Таким образом, мы можем решить для $v$ через $I$ как

$$v = \frac{I}{qnA}$$

Включив это в наше уравнение баланса сил, мы получим

2nA$ является свойством конкретного цилиндра, на который мы смотрим, — его материала (который определяет, что такое $q$ , $n$ , и $b$) и его формы ( что определяет $L$ и $A$).2 нА}.$$

Результатом является сильное уравнение, Закон Ома ,

$$ΔV = IR.$$

Что это значит?

В принципе, мы можем видеть из вывода, откуда берется закон Ома. Все начинается с утверждения, что толчок (исходящий из поля E) уравновешивается сопротивлением (пропорционально v), поэтому мы поддерживаем постоянную скорость (согласно второму закону Ньютона).

Поскольку мы не можем легко создавать поля E количественно, но можем легко манипулировать потенциалом, мы выражаем это через разность потенциалов на цилиндре (сопротивлении).Поскольку мы не можем легко измерить скорость наших носителей тока, но у нас есть устройства (амперметры) для непосредственного измерения тока, удобно выразить скорость через ток.

Результат интуитивно понятен: чем больше толчок, тем больше поток; большее сопротивление для того же толчка приводит к меньшему потоку. Это стандартное уравнение потока, управляемое градиентом, в котором изменение некоторого скалярного поля в пространстве приводит к движению чего-либо. Другие примеры включают уравнение HP, тепловой поток за счет теплопроводности и закон диффузии Фика.

Чтобы понять, каковы последствия этого, нам придется рассмотреть различные модели и установить некоторые принципы использования этого закона, чтобы помочь понять, что и куда течет.

Биолог против закона Ома инженера-электрика

Поскольку электрические резисторы в основном пассивны, инженерам-электрикам очень нравится идея сопротивления — материя сопротивляется протеканию тока. Но в биологических системах система часто регулирует свое сопротивление, чтобы активно манипулировать потоком тока.2nA}{bL}$$

$$I = GΔV$$

Это одинаково действительные формы закона Ома. (Это ничем не отличается от описания движения в терминах скорости — мили/час или ее обратной величины темпа — минуты/миля. 2$, а не от $1/A$.Видите ли вы из выводов, в чем источник этого различия?

Откуда разница в напряжении?

Поскольку мы знали, что у нас есть постоянный ток, и поскольку мы знали, что у нас есть некоторое сопротивление, Ньютон 2 сказал нам, что нам нужно иметь толкающую силу, чтобы уравновесить силу сопротивления. Мы предположили, что это вызвано полем Е, связанным с разностью потенциалов. Но откуда берется эта разность потенциалов?

Давайте рассмотрим идеализированную модель, в которой у нас есть батарея (которая создает разность потенциалов и, следовательно, электрическое поле), передающая заряды по проводу.Если провод практически не имеет сопротивления (а большинство проводов имеют очень низкое сопротивление), любые заряды, которые начинают двигаться, не замедляются. Они продолжают двигаться с постоянной скоростью. Но предположим, что теперь произошло попадание в резистивную область, как показано на рисунке ниже.

Когда движущиеся заряды (синие или + на этой диаграмме) сталкиваются с резистором, они чувствуют сопротивление и начинают замедляться, создавая некоторый избыточный + заряд на переднем конце резистора. Эти избыточные заряды создают поле E в резисторе, которое вытесняет положительные заряды, оставляя дефицит +, который является избытком – зарядов.

Как только это стабилизируется (примерно за наносекунду в типичной макроскопической схеме), у нас есть слой + на одной стороне резистора и слой – на другой стороне. Это похоже на конденсатор, создающий поле E между ними, которого как раз достаточно, чтобы поддерживать движение зарядов с постоянной скоростью. (В этом нет никакой магии. Если бы не было достаточно зарядов, чтобы не дать им замедлиться, то накопилось бы больше зарядов, увеличивая поле E до тех пор, пока его не стало бы достаточно. Тогда оно больше не увеличивалось бы, и устойчивое состояние было бы учредил.)

Мы можем измерить разность напряжений на концах резистора. Если бы поле E было постоянным внутри, то его величина была бы равна

$$E = \frac{\Delta V}{\Delta x} = \frac{\Delta V}{L}$$

Хотя $E$, вероятно, непостоянна, это все равно будет среднее поле E, $\langle E \rangle$.

Единицы

Из закона Ома ясно, что подходящей единицей измерения сопротивления является «вольт/ампер». Эту комбинацию можно распаковать —

вольт = Джоуль/Кулон,
Ампер = Кулон/сек,

, поэтому единица сопротивления равна

вольт/ампер = джоуль*сек/кулон ² = кг-м ² /Кл ² -с.

Поскольку “b” должно быть выражено в кг/с, чтобы bv выдавало силу (кг-м/с ² ), это соответствует нашей подробной формуле для $R$.

Эта беспорядочная комбинация имеет обозначение “ Ом ” и пишется с греческой заглавной буквы омега (Ω). Единицей проводимости является (конечно — что еще это может быть?) «Мхо».**

*За исключением особых обстоятельств, таких как металлы и некоторые другие материалы при очень-очень низких температурах, когда сопротивление потоку может исчезнуть.Это называется сверхпроводимостью.

** Увы, это уже не так. Официальный термин был изменен, так что 1 инверсный Ом официально называется Сименс.

Джо Редиш 27.02.12

Закон Ома… Связь между напряжением, током и сопротивлением

Теоретические термины и определения

Следующие определения относятся к базовой теории электричества. Важно, чтобы установщики и инспекторы обладали практическими знаниями в области теории электричества.Такие знания часто необходимы для определения надлежащего размера проводников для цепей с различными нагрузками.

Вольт — единица электрического давления — это давление, необходимое для передачи одного ампера через сопротивление в один ом; сокращенно «Е», первая буква термина электродвигатель сила .

Ампер — единица электрического тока, который будет протекать через один ом под давлением в один вольт за одну секунду; сокращенно «И», первая буква термина интенсивность тока .

Ом — единица электрического сопротивления — это сопротивление, через которое один вольт действует на один ампер; сокращенно «R», первая буква термина , сопротивление .

Ватт — это единица измерения энергии, протекающей в электрической цепи в любой момент времени. Это также количество работы, выполняемой в электрической цепи. Термины ватт или киловатт чаще использовались для выражения количества работы, выполненной в электрической цепи, чем термин джоулей .Ватты — это произведение вольт и ампер, иногда их называют вольт-амперами. Одна тысяча вольт-ампер обозначается как один киловольт-ампер или один кВА.

Закон Ома

Джордж Саймон Ом открыл взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением в электрической цепи в 1826 году. Экспериментально он обнаружил, что давление равно произведению силы тока и сопротивления; эта зависимость называется законом Ома. Этот закон является практической основой, на которой основано большинство электрических расчетов.Формула может быть выражена в различных формах и путем ее использования, как в трех примерах, показанных на рисунке 1.

Рисунок 1. Основные примеры закона Ома и его применение

Если известны любые два значения, то третье можно найти по формуле. Например, если известны сопротивление и напряжение, ток можно определить, разделив напряжение на сопротивление. Это может быть полезно при определении количества тока, который будет протекать в цепи, для правильного выбора размеров проводников, а также устройств перегрузки по току.

Лошадиных сил. Механическая мощность обычно выражается в лошадиных силах, а электрическая мощность – в ваттах. Термин лошадиных сил возник как количество работы, которую сильная лондонская упряжная (тягловая) лошадь могла выполнить за короткий промежуток времени. Он также использовался для измерения мощности паровых двигателей. Одна лошадиная сила, сокращенно «HP», равна работе, необходимой для подъема 33 000 фунтов на один фут (33 000 футо-фунтов) за одну минуту. Это то же самое, что поднять 550 фунтов на один фут за одну секунду.

Часто необходимо преобразовать мощность из одних единиц в другие, и уравнение на рисунке 2 используется для преобразования лошадиных сил в ватты или ватт в лошадиные силы.

Рисунок 2. Базовая формула HP

Формула HP применима к лабораторным условиям, поскольку двигатели потребляют больше энергии, чем выдают. Это происходит из-за того, что мощность расходуется в виде тепла в двигателе для преодоления трения в подшипниках, сопротивления ветра и других факторов. Например, двигатель мощностью 1 л.с. (746 ватт) может потреблять около 1000 ватт, разница расходуется на преодоление уже указанных факторов.Для определения фактической мощности однофазных двигателей необходимо учитывать коэффициент КПД двигателя (см. рис. 3).

Рисунок 3. Базовые формулы коэффициента мощности

Колесо Вт

Колесо Уоттса было разработано и опубликовано во многих руководствах и в нескольких вариантах, чтобы проиллюстрировать ватты или мощность и их связь с элементами закона Ома. Как показано в этом тексте, он точен для цепей постоянного тока и резистивных нагрузок цепей переменного тока, где коэффициент мощности близок к 100 процентам или единице (см. рис. 4).Не пытайтесь использовать его для нагрузки двигателя, так как в формулу должны быть включены как коэффициент мощности, так и КПД двигателя (см. рис. 3).

Рисунок 4. Колесо Уоттса и закон Ома

В цепях переменного тока мы используем термин импеданс , а не омы для представления сопротивления цепи. Импеданс – это полное сопротивление току, протекающему в цепи переменного тока; измеряется в омах. Полное сопротивление включает сопротивление, емкостное сопротивление и индуктивное сопротивление. Последние два фактора уникальны для цепей переменного тока и обычно могут игнорироваться в таких цепях, как нагрузки освещения с лампами накаливания и цепи нагревателей, состоящие из резистивных нагрузок.Подробное объяснение емкостного реактивного сопротивления и индуктивного сопротивления выходит за рамки этого текста, но его можно найти во многих превосходных учебниках по теории электричества.

Закон Ома и основы теории электричества

Электрический ток, протекающий через любую электрическую цепь, можно сравнить с водой под давлением, протекающей через пожарный рукав. Вода, протекающая через пожарный шланг, измеряется в галлонах в минуту (GPM), а электричество, протекающее по цепи, измеряется в амперах (А).

Вода течет по шлангу, когда на него оказывается давление и открывается клапан. Давление воды измеряется в фунтах на квадратный дюйм (psi). Электрический ток течет по электрическому проводнику, когда к нему приложено электрическое давление и предусмотрен путь для протекания тока. Подобно тому, как «фунты на квадратный дюйм» (давление) заставляют течь галлоны в минуту, так и «вольты» (давление) заставляют течь «ампер» (ток).

Чтобы протолкнуть такое же количество воды через маленький шланг, требуется большее давление, чем через большой шланг.Небольшой шланг при том же давлении, что и шланг большего размера, пропустит гораздо меньше воды за определенный период времени. Из этого следует, что маленький шланг оказывает большее сопротивление потоку воды.

В электрической цепи большее электрическое давление (вольты) вызывает прохождение определенного количества тока (ампер) через небольшой проводник (сопротивление), чем то, которое требуется для проталкивания того же количества тока (ампер) через больший проводник (сопротивление) . Проводник меньшего размера будет пропускать меньший ток (ампер), чем проводник большего размера, если к каждому проводнику будет приложено одинаковое электрическое давление (вольты) в течение того же периода времени.Можно предположить, что меньший проводник имеет большее сопротивление (Ом), чем больший проводник. Таким образом, мы можем определить сопротивление как «свойство тела, которое сопротивляется или ограничивает поток электричества через него». Сопротивление измеряется в Ом — термин аналогичный трению в шланге или трубе.

Взято из Электрические системы жилых домов на одну и две семьи, , 8 ^th Edition. Эту книгу можно приобрести по адресу www.iaei.org/web/shop или по адресу Amazon.ком .

Сопротивление и простые схемы – Колледж физики

Что управляет током? Мы можем думать о различных устройствах, таких как батареи, генераторы, настенные розетки и т. д., которые необходимы для поддержания тока. Все такие устройства создают разность потенциалов и в широком смысле называются источниками напряжения. Когда источник напряжения подключен к проводнику, он применяет разность потенциалов, которая создает электрическое поле. Электрическое поле, в свою очередь, воздействует на заряды, вызывая ток.

Закон Ома

Ток, протекающий через большинство веществ, прямо пропорционален приложенному к нему напряжению. Немецкий физик Георг Симон Ом (1787–1854) первым экспериментально продемонстрировал, что сила тока в металлической проволоке прямо пропорциональна приложенному напряжению :

Это важное соотношение известно как закон Ома. Его можно рассматривать как причинно-следственную связь, где напряжение является причиной, а ток — следствием. Это эмпирический закон, аналогичный закону трения — экспериментально наблюдаемому явлению.Такая линейная зависимость не всегда имеет место.

Сопротивление и простые схемы

Если напряжение управляет током, что этому препятствует? Электрическое свойство, препятствующее току (грубо похожее на трение и сопротивление воздуха), называется сопротивлением. Столкновения движущихся зарядов с атомами и молекулами в веществе передают энергию веществу и ограничивают ток. Сопротивление определяется как обратно пропорциональное току, или

Так, например, ток уменьшается вдвое, если сопротивление удваивается.Сочетание отношений тока к напряжению и тока к сопротивлению дает

Это соотношение также называют законом Ома. Закон Ома в этой форме действительно определяет сопротивление для определенных материалов. Закон Ома (как и закон Гука) не является универсальным. Многие вещества, для которых выполняется закон Ома, называются омическими. К ним относятся хорошие проводники, такие как медь и алюминий, и некоторые плохие проводники при определенных обстоятельствах. Омические материалы имеют сопротивление, не зависящее от напряжения и тока.Объект, имеющий простое сопротивление, называется резистором , даже если его сопротивление невелико. Единицей измерения сопротивления является ом и обозначается символом (греческая омега в верхнем регистре). Перестановка дает , поэтому единицы сопротивления 1 Ом = 1 вольт на ампер:

(рисунок) показывает схему простой цепи. Простая схема имеет один источник напряжения и один резистор. Провода, соединяющие источник напряжения с резистором, можно считать имеющими пренебрежимо малое сопротивление, или их сопротивление можно включить в .

Простая электрическая цепь, в которой замкнутый путь для протекания тока обеспечивается проводниками (обычно металлическими проводами), соединяющими нагрузку с клеммами батареи, представленными красными параллельными линиями. Зигзагообразный символ представляет одиночный резистор и включает любое сопротивление в соединениях с источником напряжения.

Расчет сопротивления: автомобильная фара

Чему равно сопротивление автомобильной фары, через которую протекает ток 2,50 А при 12.на него подается 0 В?

Стратегия

Мы можем переформулировать закон Ома, как указано, и использовать его, чтобы найти сопротивление.

Раствор

Перестановка и замена известных значений дает

Обсуждение

Это относительно небольшое сопротивление, но оно больше, чем холодостойкость фары. Как мы увидим в разделе «Сопротивление и удельное сопротивление», сопротивление обычно увеличивается с температурой, поэтому лампочка имеет более низкое сопротивление при первом включении и будет потреблять значительно больший ток в течение короткого периода прогрева.

Диапазон сопротивлений превышает многие порядки. Некоторые керамические изоляторы, например те, которые используются для поддержки линий электропередач, имеют сопротивление не менее. Сопротивление рук и ног у сухого человека может быть 0, тогда как сопротивление человеческого сердца составляет около 0,00. Кусок медной проволоки большого диаметра длиной в метр может иметь сопротивление , а сверхпроводники вообще не имеют сопротивления (они неомические). Сопротивление связано с формой объекта и материалом, из которого он состоит, как будет показано в разделе «Сопротивление и удельное сопротивление».

Дополнительное понимание достигается путем решения для получения

Это выражение для можно интерпретировать как падение напряжения на резисторе, вызванное протеканием тока . Фраза падение часто используется для этого напряжения. Например, фара на (рис.) имеет падение напряжения 12,0 В. Если измерить напряжение в различных точках цепи, будет видно, что оно увеличивается на источнике напряжения и уменьшается на резисторе. Напряжение аналогично давлению жидкости.Источник напряжения подобен насосу, создающему перепад давления, вызывающему ток — поток заряда. Резистор подобен трубе, которая снижает давление и ограничивает поток из-за своего сопротивления. Сохранение энергии имеет здесь важные последствия. Источник напряжения поставляет энергию (вызывая электрическое поле и ток), а резистор преобразует ее в другую форму (например, в тепловую энергию). В простой цепи (одна с одним простым резистором) напряжение, подаваемое источником, равно падению напряжения на резисторе, так как и через каждый протекает одно и то же. Таким образом, энергия, подаваемая источником напряжения, и энергия, преобразуемая резистором, равны. (См. (Рисунок).)

Падение напряжения на резисторе в простой цепи равно выходному напряжению батареи.

Установление связей: сохранение энергии

В простой электрической цепи единственный резистор преобразует энергию, поступающую от источника, в другую форму. О сохранении энергии здесь свидетельствует тот факт, что вся энергия, подаваемая источником, преобразуется в другую форму одним только резистором.Мы обнаружим, что закон сохранения энергии имеет и другие важные применения в цепях и является мощным инструментом анализа цепей.

L1: Напряжение, ток и сопротивление

Содержание

Краткий обзор
1. Гидравлическая аналогия
Что такое ток?
1. Построение интуиции для тока
2. Чем отличается обычный ток от потока электронов?
3. Общие рабочие токи в цепях
Что такое напряжение?
1. Более точное определение
2. Общие рабочие напряжения
3. Относительные напряжения и заземление
4. Опасно: высокое напряжение!
5. Как мы можем увеличить давление?
Что такое электрическое сопротивление?
1. Удельное электрическое сопротивление
2. Увеличение проводимости за счет увеличения обхвата провода
3. Что такое резисторы?
Некоторые общие вопросы
1. Что такое короткое замыкание?
2. Что такое разомкнутая цепь?
3. В чем разница между переменным и постоянным током?

Activity

Ресурсы

Схема тренажеры

онлайн текстовые ссылки

видео ссылки

^{следующий урок
На этом уроке мы собираемся узнать около трех ключевых концепций электроэнергии, Текущий напряжение Ом и сопротивление Ом, которые составляют основу электроники и схем. Мы также будем использовать онлайн-симулятор схемы, чтобы поиграть с основными компонентами и углубить понимание.
ПРИМЕЧАНИЕ
Этот материал важен. В зависимости от вашего предыдущего опыта в физике или инженерии, некоторые из этих концепций могут быть совершенно новыми и запутанными. Не торопитесь, чтобы понять (и перечитать) разделы – этот материал поможет вам понять , как работают схемы и , как и , почему мы подключаем и используем электронные компоненты так, как мы это делаем.Но это также , а не курс схем или курс физики, поэтому я в основном сосредоточусь на том, что, по моему мнению, наиболее важно для физических вычислений.
Краткий обзор
Итак, что такое напряжение, ток и сопротивление?
Короче говоря, напряжение «проталкивает» электронов через проводящий материал ( например, провод). Величина потока электронов называется током (измеряется в амперах). Некоторые материалы лучше проводят ток, чем другие.Резисторы специально разработаны для сопротивления потоку электронов (сопротивление измеряется в омах).
Рис. Юмористическое, но полезное изображение зависимости между напряжением (измеряется в вольтах), током (измеряется в амперах) и сопротивлением (измеряется в омах). Желтый символ «вольт» пытается протолкнуть зеленый символ «ампер» через трубку (, т. е. провод), но красный символ «ом» препятствует этому, ограничивая размер трубки (путем затягивания веревки, уменьшая его обхват).Источник изображения неизвестен, но в Интернете есть много примеров и альтернатив.
Каковы единицы измерения напряжения, силы тока и сопротивления?
Точно так же, как мы измеряем вес в килограммах и температуру в градусах Цельсия, у нас также есть стандартные единицы измерения тока, напряжения и сопротивления (называемые единицами СИ для Международной системы единиц ). Мы будем часто использовать эти величины и измерения в физических вычислениях, поэтому уделите время изучению таблицы ниже.
5
Количество Символ единица измерения единица измерения единицы сокращения единицы сокращения
Текущий ток \ (I \) Ampere (или AMP) A
Напряжение \ (V \) V V V
Устойчивость
\ (r \) Ом Ω Ω
3 Гидравлическая аналогия в цепях, мы часто используем гидравлические аналогии для понимания.Например, мы можем представить напряжение как аналог давления воды в водопроводной системе. Увеличение давления воды обеспечивает большую силу для движения молекул воды по трубам. Вода течет из высокого давления (входная подача) в низкого давления (выход через открытый клапан). Точно так же увеличение напряжения обеспечивает большую силу для «проталкивания» электронов от высокого электрического потенциала до низкого электрического потенциала по цепи.
Как более широкая водопроводная труба может пропускать больше воды, так и более толстый токопроводящий провод может пропускать больший ток. Препятствия в трубе, такие как песок или, что еще хуже, глина, могут замедлить поток воды. Эти препятствия подобны резисторам, которые мы можем вставлять в цепи, чтобы препятствовать протеканию тока (резисторы — это электронные компоненты с менее смещаемыми электронами).
93
Электрический Гидравлический
Текущий расход
7 Текущий, ампер (COLOUMBS / SEC) GPM (COLOUMBS / SEC) GPM (галлоны / минута) потенциал
Напряжение, вольт 80030
6 Давление, PSI (фунт на квадратный дюйм)
7
Сопротивление Ом (вольт / амп) Ом (вольт / амп) PSI / GPM ,
2 565
Рисунок. Вот гидравлическая аналогия, немного отличающаяся от водопроводной системы, описанной выше. Здесь у нас есть резервуар для воды, наполненный водой с отверстием на дне: по мере увеличения уровня воды давление (напряжение) на воду на дне резервуара также увеличивается, что соразмерно увеличивает количество воды, вытекающей из дыра. Если мы увеличим размер отверстия (уменьшив сопротивление), будет течь больше воды (тока). Примечание: направление анимации показывает условный ток .Водяная диаграмма основана на иллюстрации из книги Platt’s Make: Electronics .
Давайте углубимся в каждую из этих концепций, начиная с текущей.
Что актуально?
Рис. Ток — это поток заряженных частиц — в данном случае электронов — через проводник. На анимации выше мы изображаем «поток электронов» в виде пунктирной зеленой линии, которая течет от отрицательной клеммы 9-вольтовой батареи через светодиод и резистор, а затем обратно к 9-вольтовой батарее к ее положительной клемме. Обратите внимание, что это на самом деле противоположно обычному текущему потоку , но мы вернемся к этому ниже. Анимация из «Инженерного мышления».
Ток — это поток заряженных частиц через проводник. В цифровых схемах эти заряженные частицы представляют собой электронов (отрицательно заряженных частиц), приводимых в движение электродвижущей силой (напряжением) для перехода от «высокого давления» к «низкому давлению» в цепи.
Электрический ток похож на поток воды, проходящий по трубе.Точно так же, как с водой, где мы можем направлять поток воды через различные конфигурации труб и использовать его кинетическую энергию (например, , , вращая турбину), мы также можем использовать провода для направления потока электронов и использовать его для питания ламп, поворотов. моторы, и т.д.
Чтобы измерить поток воды, мы могли бы подсчитать количество молекул воды, протекающих мимо заданного поперечного сечения трубы за время $t$. Точно так же мы можем измерить электрический ток, «подсчитав» количество зарядов, протекающих по проводу.{19}\) электронов в секунду! — вместо этого мы используем единицу электрического тока в СИ, называемую ампер или ампер (А), которая просто равна 1 колумб в секунду:
\[1 А = 1 Кл/с] Хотя вам не нужно будет делать это при прототипировании схем, вы, конечно, можете использовать эти формулировки для расчета количества электронов, проходящих через поперечное сечение провода за время $t$. Мы делаем это ниже на изображении просто для иллюстрации: сколько электронов проходит данную точку за 3 с, если по проводнику течет ток 2 А? Ответ: $6C$ (6 колонок) или $3.{19}$ электроны.
Используя приведенные выше формулы, мы можем рассчитать количество электронов, которые проходят через поперечное сечение провода за три секунды, если по проводу течет ток 2А. Изображение из главы 2 книги Шерца и Монка «Практическая электроника для изобретателей ».
Построение интуиции для тока
Важно отметить, что, как и в вашей домашней водопроводной системе, когда вода течет мгновенно из вашего крана, когда вы открываете клапан (например, под давлением воды из водонапорной башни), ток также течет мгновенно при подаче напряжения (например, от батареи).И, что очень важно, молекулы воды, которые касаются вашей руки, не проходят через вашу водопроводную систему в одно мгновение. Вместо этого ваши трубы полностью заполнены водой под давлением — так же, как токопроводящая проволока заполнена атомами. Когда вы открываете кран, молекулы воды, которые касаются ваших рук, — это молекулы, давящие на клапан этого крана (что-то вроде очереди «первым пришел — первым ушел»).
Это похоже на ток в электрической цепи — атомы плотно упакованы в материале с вращающимися вокруг него электронами.Когда прикладывается напряжение, эти электроны начинают «прыгать» от одного атома к другому через проводник, но не перемещаются мгновенно из А в В (см. видео).
Анимация зарядов (электронов), прыгающих от атома к атому под действием приложенного напряжения. Это упрощенная модель, показывающая проволоку (проводник) толщиной всего в один атом, но она помогает проиллюстрировать каскадное движение электронов в потоке тока. Изображение из Что такое электричество? от Sparkfun.com.
Другой способ представить течение тока — это представить трубу, заполненную до конца шариками.Если шарик вставлен слева, другой шарик немедленно выйдет из трубки справа. Несмотря на то, что каждый шарик перемещается на небольшое расстояние, передача движения происходит почти мгновенно. С электричеством общее воздействие от одного конца проводника до другого происходит со скоростью света; однако каждый отдельный электрон проходит через проводник гораздо медленнее. Действительно, средняя скорость, с которой электроны движутся по проводу из-за приложенного электрического поля, например, от батареи, составляет порядка сантиметров в час (так называемая дрейфовая скорость)!
Рис. Вы можете думать об электронах, протекающих по контуру, как о шариках, плотно упакованных в трубку. Шарику не нужно пересекать всю трубу, чтобы создать движение. Вместо этого, когда шарик вставляется в левую часть трубки, шарик с правой стороны мгновенно выходит. Изображение из «Все о цепях». Смотрите также это видео от Afrotechmods.
Чем отличается обычный ток от потока электронов?
Рис. На анимации выше мы показываем те же две электрические цепи, но разница между потоком электронов и потоком тока .В цепях отрицательно заряженные частицы (электроны) перемещаются от отрицательных клемм батареи (или источника напряжения) к положительным — это называется потоком электронов ; однако, когда мы моделируем цепи (и используем формулы цепей), мы используем условный ток , который движется в противоположном направлении.
В электрических цепях мы используем обычный ток для моделирования потока заряда от положительного вывода источника напряжения к отрицательному; однако на самом деле электроны движутся в направлении , противоположном направлению (так называемый поток электронов ). Это вызывает большое замешательство!
Почему? Виноват Бенджамин Франклин. В ранних экспериментах (середина 1740-х гг.) Франклин определил, что электричество «течет», как если бы жидкость находилась в твердом материале. Он предположил, что стекающие заряды имеют положительные знаки и движутся от положительных к отрицательным. Однако только в 1897 году сэр Джозеф Томсон определил, что реальным носителем заряда в проводе является электрон и что электроны движутся от катода (отрицательного) к аноду (положительному).
Рис. Франклин считал, что носители положительного заряда перемещаются в проводнике от положительного к отрицательному. Это называется направлением обычного тока , которое используется до сих пор. Вместо этого, как обнаружил Томсон, в проводнике движутся электроны (заряженные отрицательно) и они движутся от отрицательного к положительному. Это называется потоком электронов . Изображение из главы 2 книги Шерца и Монка «Практическая электроника для изобретателей ».
Несмотря на эту путаницу, оказывается, что пока вы последовательны, это не имеет значения: движение отрицательных электронов в одну сторону эквивалентно моделированию движения положительных зарядов в другую.Итак, мы склонны использовать условного тока (моделирование потока заряда от положительного к отрицательному) в электронике (например, , в диаграммах, формулах, и т. д. ). Математика по-прежнему будет работать, и даже мнемоника, такая как правило правой руки, основана на обычном токе (укажите большим пальцем в направлении тока $I$, посмотрите направление электрического поля $B$).
Общие рабочие токи в цепях
Когда вы начнете заниматься физическими вычислениями, вы лучше поймете « Что такое большой ток? по сравнению с{17}\) электронов/сек.
Большинство портов USB обеспечивают питание 5 В с максимальным током 0,5 А (500 мА). Некоторым электрическим компонентам, таким как двигатели или длинная цепочка светодиодных ламп, требуется больший ток (так называемые «сильноточные нагрузки»), чем может обеспечить микроконтроллер или USB-порт. В этих случаях мы можем использовать внешний источник питания, управляемый транзистором.
Что такое напряжение?
Рис. Вы можете думать о напряжении как о том, что «толкает» электроны по цепи.Анимация из видео «Объяснение напряжения» от The Engineering Mindset.
Хорошо, так что если ток поток заряда в цепи? Что заставляет эти обвинения двигаться?
Подобно магнитам, заряды с одинаковым знаком отталкиваются друг от друга ( например, электронов отталкиваются друг от друга, потому что все они заряжены отрицательно) и заряды с противоположными знаками притягиваются друг к другу ( например, электронов и протонов ). Батарея использует химические реакции, чтобы вызвать накоплений электронов на отрицательной клемме — это создает «давление» или электрическую разницу между двумя клеммами батареи.
Когда вы соединяете клеммы батареи ( т. е. замыкают цепь), поток электронов перестраивает этот дисбаланс с отрицательной клеммы на положительную. Но помните, что с обычным током мы моделируем движение заряда в другом направлении, поэтому мы показываем ток, идущий от положительного вывода к отрицательному; в этом случае мы называем заряды на положительной клемме имеющими высокую потенциальную энергию, а заряды на отрицательной клемме — низкой потенциальной энергией.
Короче говоря, вы можете думать о напряжении как о давлении в водопроводной трубе: чем больше давление, тем больше воды проходит через трубу.Точно так же, увеличивая напряжение, мы можем «протолкнуть» больше электронов по проводу.
Действительно, Википедия называет Напряжение «электрическим давлением», «электродвижущей силой» и «разницей электрических потенциалов», чтобы зафиксировать этот движущий (или отталкивающий) эффект. Это разумное концептуальное приближение: вы можете думать о напряжении как о мере «давления», которое вызывает протекание тока. Между двумя компонентами, если существует разность электрических потенциалов 0 В, ток не будет течь.
Более точное определение
Точнее, напряжение — это работа, необходимая для переноса заряда из одного места в другое в электрическом поле. Напряжение дает нам представление о том, какой «толкающей» силой обладает электрическое поле, и определяется как электрическая потенциальная энергия на единицу заряда (, например, электронов), которая измеряется в джоулях на колумб (вольт):
\[ 1\ V = 1\ джоуль\ (работы) / 1\ кулон\ (заряда)\] Поскольку джоуль является единицей энергии , напряжение вводит очень важное и необходимое понятие: потенциал совершать работа ( е.г., запитать лампочку, раскрутить моторчик)!
Рис. Анимация, показывающая аналогию между электрической цепью и «водяной» цепью. В батарее электрический потенциал зарядов увеличивается по мере их продвижения к положительной клемме (более высокое напряжение) — этот потенциал падает по мере выполнения работы (например, , когда течет через резистор). Точно так же молекулы воды, перекачиваемые на более высокие высоты, имеют более высокий потенциал для выполнения работы; этот потенциал уменьшается по мере того, как вода стекает на более низкие отметки или используется для выполнения работы ( e.г., крутить турбину). Обратите внимание, что в этих системах не теряются никакие заряды (или молекулы воды), но потенциальная энергия этих частиц преобразуется в другие формы ( например, кинетическая, тепловая).
И точно так же, как мы можем использовать «энергию» текущей воды для выполнения работы — , например, , чтобы вращать турбину, — мы также можем использовать текущий ток для выполнения работы. Когда электроны движутся по цепи и выполняют работу (приводят в движение двигатель, нагревают провод, включают свет), они начинают терять свой «электрический потенциал».См. анимацию выше.
Общие рабочие напряжения
В цифровых схемах общие рабочие напряжения относительно малы — например, 3,3 В или 5 В — по сравнению с напряжением, подаваемым в настенную розетку (которое в США составляет 120 В!). Популярный микроконтроллер ESP32 работает от 3,3 В, а платы Arduino Uno и Arduino Leonardo — от 5 В. Мое зарядное устройство Apple iPhone выдает 5 В и может подавать до 2 А. Важно отметить, что вы не хотите подавать напряжение, превышающее указанное входное напряжение электрического компонента, иначе вы рискуете повредить вещи.Поэтому очень важно, чтобы вы прочитали техническое описание компонента перед его использованием (что мы узнаем, как это сделать в следующем уроке).
Относительное напряжение и заземление
По определению, напряжение представляет собой разность электрического потенциала между двумя точками . Когда мы на самом деле начнем измерять напряжение в цепи (используя мультиметр), вы заметите, что мы не можем просто поместить один щуп в цепь. Вместо этого мы должны разместить два датчика в разных местах, чтобы измерить разницу напряжений между ними (также называемую падением напряжения ).
Для упрощения расчетов мы выбираем некоторую точку цепи — обычно точку с наименьшим электрическим потенциалом (, например, проводов, подключенных к отрицательной клемме батареи) — как 0 вольт. Как отмечает Бартлетт (глава 4.3), « Эта «нулевая точка» имеет несколько названий, наиболее популярным из которых является заземление (часто сокращенно GND ). Он называется землей, потому что исторически физическая земля часто использовалась в качестве опорного напряжения для цепей .”
Возвращаясь к аналогии с гравитацией и напряжением, сколько потенциальной энергии имеет камень после того, как он достигает земли? Никто! Чтобы камень получил потенциальную энергию, нам нужно совершить работ , чтобы поднять камень.
Опасно: высокое напряжение!
Возможно, вы видели такие предупреждения, как: ОПАСНОСТЬ: ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ , но, возможно, вы также слышали противоречивые фразы, такие как « убивает не напряжение, а ток. «Как может быть правдой и то, и другое?
Ну, в некотором отношении: да.Высокое напряжение может пропустить через ваше тело больший ток, чем низкое напряжение, и именно ток может сжечь ткани, затруднить мышечный контроль и вызвать фибрилляцию сердца. Действительно, люди могут ощущать, как через их тело проходит постоянный ток силой 0,6-1,0 мА, 40-60 мА вызывает боль, а ток ~90 мА и выше достаточен, чтобы вызвать остановку сердца/дыхания.
Но — и это важное но — наши тела обладают довольно высоким сопротивлением. И напряжения, с которыми мы работаем (обычно 3.3 В и 5 В) просто недостаточно высоки, чтобы «проталкивать» ток через наши тела. Тем не менее, влажная кожа может снизить вашу сопротивляемость, а металлические украшения могут вызвать случайные шорты (и, возможно, термические ожоги). Так что будьте осторожны.
Как правило, наиболее опасным электрическим явлением в вашем доме является линейное напряжение, выходящее из ваших домашних розеток (120 В при 60 Гц в США и 240 В при 50 Гц во многих других странах). Никогда не открывайте какие-либо электронные устройства, пока они подключены к сети, и даже в этом случае соблюдайте осторожность (заряженные конденсаторы могут какое-то время поддерживать высокое напряжение).
Дополнительные сведения об электробезопасности см. в этой статье на сайте AllAboutCircuits.com или в разделе «Безопасность» (глава 7.1) книги «Практическая электроника для изобретателей».
Вы также можете посмотреть это видео популярного ютубера ElectroBOOM, в котором исследуется его переносимость боли между переменным и постоянным током.
Как повысить давление?
Аккумулятор имеет несбалансированный электрический заряд между положительным и отрицательным выводами. Когда цепь подключена, электрические заряды (электроны) текут, чтобы «исправить» этот дисбаланс.Чем больше дисбаланс (, т. е. , тем выше напряжение), тем больше «толчок» и тем больше электронов течет (выше ток).
Если вы соедините две батареи последовательно (, т. е. , сложите их вместе), вы увеличите их способность «выталкивать» электроны — на самом деле, вы суммируете напряжения батарей. Таким образом, две стандартные щелочные батареи типа AA на 1,5 В, соединенные последовательно, будут иметь разность потенциалов 3 В, что может «проталкивать» больше электронов по цепи — см. анимацию ниже.
Рис. Когда вы соединяете батареи последовательно, вы увеличиваете «толкающую» силу — фактически, вы суммируете напряжения батарей (таким образом, 1,5 В + 1,5 В = 3 В). Больше напряжение, больше давление. Чем больше давление, тем больше электронов «проталкивается» по цепи. Анимация из видео «Объяснение напряжения» от The Engineering Mindset.
ПРИМЕЧАНИЕ: БАЗОВЫЕ БЛОКИ
При изучении и анализе электрических цепей важно обращать внимание на блоков . Базовой единицей напряжения является вольт (В), базовой единицей силы тока является ампер или ампер (А), а базовой единицей сопротивления является ом (Ом).Как уже отмечалось, с цифровыми схемами мы часто работаем с напряжениями от 0 до 5 В (а иногда и с 9 В или 12 В), но сила тока часто находится в диапазоне миллиампер, например 0,02 А или 0,1 А, а обычные сопротивления включают 220 Ом, 1000 Ом, 2200 Ом. и даже 10 000 Ом. Однако, как правило, вы увидите, что они записываются как 20 мА и 100 мА и 1 кОм, 2,2 кОм и 10 кОм соответственно. Таким образом, важно тщательно отслеживать единицы и преобразовывать значения в базовые единицы для анализа. Подробнее об этом мы поговорим на уроке Закона Ома.
Что такое электрическое сопротивление?
Рис. Когда электроны движутся через материал, они могут столкнуться с некоторыми атомами или другими электронами. Эти столкновения создают сопротивление. На анимации выше обратите внимание, что у железного провода больше столкновений, чем у медного. Проводимость железа примерно на 17% меньше, чем у меди. При 20°C железо имеет удельное электрическое сопротивление 96,1 наноом-метра, а медь имеет удельное сопротивление 16,8 наноом-метра. Обратите внимание на ореол вокруг железной проволоки: он иллюстрирует, как часть «кинетической» или энергии движения электронов преобразуется в тепло или свет в результате этих столкновений.Действительно, именно так работают лампы накаливания, тостеры и электрические обогреватели! Анимация из видеоролика How Electricity Works от The Engineering Mindset.
Когда электроны движутся через материал, они могут сталкиваться с некоторыми атомами или другими электронами. Эти столкновения создают сопротивление электрическому току. Примечательно и важно то, что это сопротивление замедляет все движения заряда (тока) в цепи, а не только те заряды, которые проходят через резистивный материал.
Обычная, но несовершенная аналогия электрического сопротивления — механическое трение ; резистор преобразует электрическую энергию в тепловую (и вызывает падение напряжения) так же, как трение преобразует кинетическую механическую энергию в тепло.
В зависимости от их атомного состава некоторые материалы имеют более низкое сопротивление, чем другие. Такие металлы, как серебро, медь и золото, являются хорошими проводниками — они обладают низким сопротивлением — потому что они имеют слабо связанные электроны во внешних оболочках своих атомов.Эти электроны легко перемещаются и с помощью приложенного электрического поля могут «выталкиваться» от атома к атому внутри материала, образуя ток.
Единицей электрического сопротивления в системе СИ является ом (Ом). Прямая обратная величина сопротивления равна проводимости . Материалы с низким сопротивлением называются проводниками . Напротив, такие материалы, как стекло, резина и воздух, имеют высокое сопротивление и плохую проводимость («низкая подвижность электронов») — эти материалы называются изоляторами .
Рис. На изображении показан медный провод с изоляцией из ПВХ.
Сопротивление $R$ объекта определяется как отношение напряжения $V$ на нем к току $I$ через него, а проводимость $G$ является обратной величиной:
$ R = \frac{V}{I}$, $G = \frac{1}{R}$
При достаточном напряжении (давлении) почти любой материал может проводить электрический ток (даже воздух, о чем свидетельствует молния). Сопротивление (или проводимость) провода зависит не только от типа материала, но также от его температуры и размера (как длины, так и толщины). Короче говоря, для металлических проводов сопротивление падает с увеличением диаметра провода или температуры. И сопротивление увеличивается по мере увеличения длины провода.
В Википедии есть хорошая аналогия на водной основе:
«Пропускание тока через материал с высоким сопротивлением похоже на проталкивание воды через трубу, полную песка. Напротив, прохождение тока через материал с низким удельным сопротивлением похоже на проталкивание воды через пустую трубу. Если трубы одинакового размера и формы, труба, заполненная песком, имеет более высокое сопротивление потоку.Однако сопротивление определяется не только наличием или отсутствием песка. Это также зависит от длины и ширины трубы: короткие или широкие трубы имеют меньшее сопротивление, чем узкие или длинные трубы».
Чтобы наглядно проиллюстрировать эту идею, профессор Сквайер создал несколько полезных набросков — более подробную информацию см. в подписи:
Рисунок. Продолжая наши аналогии с водой: представьте себе две трубы, заполненные резистивными материалами, одну гравием (меньшее сопротивление) и одну глиной (большее сопротивление). Обе трубы имеют одинаковое давление воды (напряжение), «проталкивающее» через них воду. Труба с меньшим сопротивлением (гравий) будет иметь больший расход воды (ток). Изображение из учебника по электричеству профессора Ричарда Сквайера.
Удельное электрическое сопротивление
Поскольку сопротивление является не только внутренним свойством материала (например, , на основе его атомного состава), но также зависит от формы и размера материала, мы используем удельное электрическое сопротивление $\rho$ , который не зависит от размеров материала (при условии, что температура постоянна).
Более конкретно, при постоянной температуре удельное электрическое сопротивление провода $\rho$ можно рассчитать по формуле:
$\rho =R{\frac {A}{\ell}}$,
, где $R$ — электрическое сопротивление однородного образца материала, $ℓ$ — длина образца, а $A$ — площадь поперечного сечения образца. Единицей измерения удельного сопротивления в системе СИ являются ом-метры (Ом·м).
Подобно сопротивлению и проводимости, мы также можем описать удельное сопротивление в терминах его обратной величины, которая равна проводимости $\sigma$:
\[\sigma = \frac {1}{\rho }\] Единицы проводимости в системе СИ — сименс на метр (См/м).{-14}
Увеличение проводимости за счет увеличения обхвата провода
Как отмечалось выше, мы можем увеличить проводимость провода на увеличив его диаметр («большая труба» для протекания тока). Снова обратимся к нашей аналогии с водой: так же, как труба большего диаметра может выдержать больший поток воды, более толстый провод может выдержать больший ток.
Поскольку диаметр провода очень важен для допустимой силы тока, существует стандартизированная система измерения.В США мы используем систему American Wire Gauge или AWG. Провод диаметром 5,2 мм (AWG 4) имеет силу тока 59,6 А. Для сравнения, стандартный провод для прототипирования схемы (0,64 мм или AWG 22) — см. рисунок ниже — имеет допустимую силу тока 0,9 А.
Рис. Пример одножильного провода AWG, обычно используемого при прототипировании схем. Коробка проволоки слева стоит 29,95 долларов за десять 25-футовых катушек от Adafruit.
Вопреки здравому смыслу, увеличивающие номера AWG обозначают уменьшающие диаметры проводов (и, как ни странно, калибры AWG всегда являются целыми числами, но могут быть меньше 1 с «0», «00» или даже «000» для очень толстого провода) .
Если мы пропустим через провод больше тока, чем его мощность, он начнет нагреваться и в конце концов сгорит. Действительно, именно так предохранители предназначены для работы ! Предохранители содержат тонкие провода, которые защищают вашу цепь от опасного высокого тока и «сгорают», чтобы мгновенно отключить вашу цепь (создавая «разомкнутую цепь»), если подается большой ток. Затем вы можете заменить предохранитель, что намного дешевле и проще, чем замена вашего электрического устройства или прибора. В Интернете есть много отличных видео об этом, в том числе здесь и здесь.
Рис. Если мы попытаемся пропустить через провод большой ток и превысим его пропускную способность (например, подключив источник высокого напряжения), то провод нагреется и может вызвать пожар. Это может произойти почти мгновенно, что является принципом работы предохранителя (показанного выше). Предохранитель разработан так, чтобы сгорать, отключая вашу цепь при подаче опасного большого тока. Видео от Робинзон Авто.
Что такое резисторы?
Рис. На этой анимации показано, как можно поместить резистор между двумя проводами, чтобы уменьшить ток. Обратите внимание, как электроны свободно текут по медному проводу. С резистором эти электроны «сталкиваются» с другими атомами и с самими собой, что ограничивает поток электронов (а также преобразует часть энергии в тепло). Анимация из «Инженерного мышления».
Резисторы представляют собой электрические компоненты специальной конструкции, ограничивающие ток с определенной скоростью в зависимости от их состава материала и конструкции. В цепях мы размещаем резисторы между компонентами для снижения тока. Зачем нам ограничивать ток? Короче говоря, для защиты компонентов в нашей схеме, которые требуют меньшего тока (например, светодиоды).
Как после перегиба шланга происходит падение давления, так и после резистора происходит падение напряжения. То есть электрические заряды перед резистором имеют более высокий электрический потенциал, чем заряды после.
Некоторые общие вопросы
Прежде чем перейти к следующему уроку, давайте рассмотрим некоторые общие вопросы.
Что такое короткое замыкание?
Рис. Короткое замыкание — это когда есть путь с нулевым сопротивлением обратно к вашему источнику питания. Никогда не бывает хорошо! Анимация сделана в среде моделирования Phet.
Короткое замыкание — это короткое замыкание с нулевым сопротивлением между двумя сторонами источника питания, например, если положительный и отрицательный полюсы батареи непосредственно соприкасаются. Это плохо, и этого следует избегать. Короткое замыкание может привести к чрезмерному току, перегоранию компонентов, возникновению пожара или даже взрыву.Вот видео о коротком замыкании четырех батареек AA, новостной сюжет о том, как начался пожар в доме, когда две 9-вольтовые батареи замкнули друг на друга, и сообщение Stack Exchange о коротком замыкании одной щелочной батареи AA.
Когда мы строим схемы, мы, очевидно, не пытаемся создать короткие , но они могут случайно случиться. Например, мы можем непреднамеренно подключить источник 5 В к земле, коснуться двух проводов или даже случайно соединить две точки в цепи с помощью отвертки или другого металлического инструмента.При работе со своей схемой всегда следите за тем, чтобы не имел питания , чтобы предотвратить случайное короткое замыкание при сборке.
Как узнать, что что-то закорочено? Вы можете почувствовать запах гари или прикоснуться к проводу или другому горячему электрическому компоненту. Если это произойдет — а это в конечном итоге случается со всеми нами — немедленно отключите источник питания!
Обратите внимание, что ваш порт USB и микроконтроллеры Arduino имеют определенный уровень защиты от короткого замыкания. Например, если вы начнете потреблять слишком много тока от вашего USB, он (надеюсь) автоматически отключится.И в ваших домах, конечно же, есть встроенные «автоматические выключатели», которые автоматически срабатывают при избыточном токе (например, при коротком замыкании). Посмотрите, как работает автоматический выключатель в замедленной съемке здесь и здесь.
Когда срабатывает автоматический выключатель, он создает разомкнутую цепь , которую мы опишем далее!
Что такое разомкнутая цепь?
В то время как замкнутая цепь представляет собой полную цепь («круг» для протекания тока), разомкнутая цепь представляет собой неполную цепь .Например, когда нет пути от плюсовой клеммы аккумулятора к минусовой. Это может произойти преднамеренно (например, , из-за размыкания выключателя) или непреднамеренно (, например, , цепь отключается из-за перегорания предохранителя).
Рис. Замкнутая цепь — это когда нет пути между положительной и отрицательной клеммами источника питания. Это неполная цепь. Анимация сделана в среде моделирования Phet.
В чем разница между переменным и постоянным током?
Цифровые схемы используют постоянный ток (постоянный ток), который питается от батарей или адаптеров переменного тока, которые преобразуют переменный ток из настенной розетки в постоянный ток, используемый зарядными устройствами для телефона или ноутбука.
На YouTube есть много отличных видео, объясняющих разницу между переменным и постоянным током, например, это видео от AddOhms и это от KEMET Electronics.
Упражнение
Чтобы лучше понять общие рабочие напряжения/токи, мы хотели бы, чтобы вы задокументировали входные напряжения/токи переменного тока и выходные напряжения/токи постоянного тока устройств в вашем доме. Выберите пять устройств и сделайте снимок устройства и его адаптера переменного/постоянного тока с видимой рабочей информацией переменного/постоянного тока (если вы не можете найти эту наклейку, она может быть на самом устройстве, что тоже нормально). Включите эти изображения в свои журналы прототипирования вместе с таблицей рабочих входных/выходных напряжений/токов и кратким изложением того, что вы нашли.
Рис. Вот пример ввода переменного тока и выхода постоянного тока трех устройств в моем доме.
Ресурсы
Симуляторы цепей
Мы рекомендуем следующие базовые симуляторы схем (они не предназначены для расширенного анализа):
CircuitJS Фалстада.Полностью бесплатная веб-платформа с открытым исходным кодом для моделирования цепей с анимацией цепей.
EveryCircuit.com. Аналогичен CircuitJS в поддержке имитируемых анимаций текущих, но более мощных (и тоже платных, хотя есть бесплатная пробная версия). Нет «проводного» компонента; вам нужно щелкнуть один узел, а затем другой узел, чтобы установить соединение.
Circuitlab.com. Более традиционный симулятор схем, который не так доступен для новичков/производителей. Вы можете использовать пробную версию, но количество схем, которые вы можете создать, ограничено без платной учетной записи.
Текстовые ссылки в Интернете
Глава 2: Схема Тери, Шерц и Монк, Практическая электроника для изобретателей, 4-е издание
Основные электрические величины: ток, напряжение, мощность
Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома, Sparkfun .com
Электрическое сопротивление и проводимость, Википедия
Электродвижущая сила, opentextbc.ca
Ссылки на видео
Введение в разность потенциалов и напряжение, Академия Хана
Электроника для начинающих, афротехмоды.com
Напряжение, ток, сопротивление, mathandscience.com
Что такое закон Ома?, mathandscience.com
Технические схемы, том 1, mathandscience.com
Что такое напряжение?, Sparkfun.com
Что такое ток? , Sparkfun.com
Следующий урок
На следующем уроке мы познакомимся с визуальными представлениями цепей, называемыми принципиальными схемами, которые подготовят нас к базовому анализу цепей и закону Ома.
Next: Circuit Schematics
Весь контент с открытым исходным кодом создан лабораторией Makeability Lab и профессором Джоном Э.Фрелих. Нашли ошибку? Сообщить о проблеме на GitHub.
Что понимается под электрическим сопротивлением? | Глава 1. Напряжение, ток, энергия и мощность
Различные материалы по-разному реагируют на напряжение. Если материал позволяет протекать значительному количеству тока даже при небольшом приложенном напряжении, мы называем его проводником . Если даже при большом приложенном напряжении протекает очень небольшой ток, материал представляет собой изолятор .
Свойство, которое определяет, какой ток будет течь в ответ на заданное напряжение, называется сопротивлением (обозначается R).Кусок провода из металла с высокой проводимостью (например, из меди) будет иметь низкое сопротивление, а кусок резиновой изоляции, окружающей провод, будет иметь высокое сопротивление.

Резистор
Одним из наиболее распространенных электронных компонентов является резистор. Как следует из названия, эти устройства сопротивляются потоку электрического тока. Резисторы играют очень важную роль в электрических цепях не потому, что они просто сопротивляются току, а потому, что они сопротивляются точным и контролируемым образом.
Единицей измерения сопротивления резистора является Ом , обозначаемая символом Ω. Резистор с очень низким сопротивлением, например, менее 1 Ом, можно считать проводником. Если сопротивление составляет десятки миллионов Ом, резистор будет функционировать как изолятор. Умеренные значения сопротивления, такие как 470 Ом или 10 000 Ом, на самом деле не вписываются в категорию проводников или в категорию изоляторов.

Последовательные и параллельные соединения
Цепи часто включают более одного резистора.Если резисторы соединены так, что через них протекает один и тот же ток, они составляют в серии . Например:
Рис. 1. Резисторы, соединенные последовательно.

Чтобы рассчитать общее сопротивление, также известное как эквивалентное сопротивление , последовательно соединенных резисторов, вы просто добавляете значения отдельных сопротивлений. В этом примере эквивалентное сопротивление равно R1 + R2.
Когда резисторы подключены параллельно , они имеют одинаковое напряжение на двух выводах:

Рис. 2.Резисторы соединены параллельно.

В этом случае рассчитать эквивалентное сопротивление не так просто. Когда резисторов всего два, можно использовать формулу «произведение на сумму»:
.
Если параллельно подключено более двух резисторов, необходимо использовать следующее выражение:

Закон Ома
Следующая формула выражает соотношение между напряжением, током и сопротивлением:
Сокращенная форма:
Это называется законом Ома. Это основа базового анализа цепей, постоянно используемая как студентами, так и профессионалами. Приведенная выше форма вычисляет напряжение на основе тока и сопротивления, но уравнение можно изменить по мере необходимости:
или:
Если мы переведем эти три уравнения словами, мы получим хорошее объяснение закона Ома:
Если ток I протекает через компонент с сопротивлением R, напряжение на этом компоненте равно I, умноженному на R.
Если к компоненту с сопротивлением R приложено напряжение V, результирующий ток, протекающий через этот компонент, будет равен V, деленному на R.
Если падение напряжения компонента составляет V и через него протекает ток I, сопротивление этого компонента равно V, деленному на I.

Применение закона Ома
Давайте рассмотрим простой пример того, как можно использовать закон Ома для нахождения неизвестной величины. В этом случае мы будем решать для тока.

Рис. 3.Простая схема, состоящая из батареи и двух последовательно соединенных резисторов.

Как видите, напряжение на паре резисторов известно (оно совпадает с напряжением батареи) и оба значения сопротивления известны. Мы хотим узнать, какой ток протекает через резисторы.
Первым шагом является расчет эквивалентного сопротивления.
Для этой части анализа мы можем заменить исходную схему этой упрощенной версией:

Рис. 4.Упрощенная версия простой схемы.

Закон Ома говорит нам, что ток через последовательно соединенные резисторы будет:
В этой цепи нет других путей тока, поэтому, если через резисторы протекает 1 А, 1 А также является общим током, отдаваемым батареей.
Теперь рассчитаем падение напряжения на резисторах. Мы знаем, что напряжение равно произведению тока на сопротивление, поэтому, даже если два резистора имеют одинаковый ток, падения напряжения будут разными, потому что сопротивления разные.

Мощность, рассеиваемая резистором
На предыдущей странице упоминался пример резистора, рассеивающего мощность (в виде тепла) в окружающую среду. Закон Ома позволяет нам рассчитать рассеиваемую мощность резистора, если мы знаем
напряжение на резисторе и ток, протекающий через резистор, или
напряжение на резисторе и его сопротивление или
ток, протекающий через резистор, и его сопротивление.
Первый из этих вариантов основан на формуле для электрической мощности, приведенной на предыдущей странице:
Или сокращенно:
Вторые два варианта являются результатом объединения этой формулы с законом Ома:
Давайте используем значения напряжения и тока для резистора R1, чтобы убедиться, что все эти формулы дают одинаковый результат:
Если мы хотим узнать мощность, потребляемую всей схемой, мы можем сложить мощность, рассеиваемую отдельными компонентами, или мы можем умножить напряжение источника питания на ток, подаваемый от источника питания:

Резисторы и обзор закона Ома
Мы обсудили резистор, который является одним из наиболее важных электронных компонентов, и рассмотрели три различных способа расчета рассеиваемой мощности резистора. Мы также увидели, как закон Ома может помочь нам найти неизвестный ток, напряжение или сопротивление.
На следующей странице мы поговорим о номинальных мощностях и о том, как они влияют на схему.

Электрическое сопротивление: что это такое? (Символ, формула, сопротивление переменному и постоянному току)
Что такое электрическое сопротивление?
Сопротивление (также известное как омическое сопротивление или электрическое сопротивление) является мерой сопротивления протеканию тока в электрической цепи. Сопротивление измеряется в омах, что обозначается греческой буквой омега (Ом).
Чем больше сопротивление, тем выше барьер для прохождения тока.
Когда к проводнику прикладывается разность потенциалов, начинает течь ток или начинают двигаться свободные электроны. При движении свободные электроны сталкиваются с атомами и молекулами проводника.
Из-за столкновения или препятствия скорость потока электронов или электрического тока ограничивается. Следовательно, мы можем сказать, что существует некоторое противодействие потоку электронов или току.Таким образом, это сопротивление, оказываемое веществом потоку электрического тока, называется сопротивлением.
Сопротивление проводящего материала оказывается—
прямо пропорциональным длине материала
обратно пропорциональным площади поперечного сечения материала
зависит от природы материала
зависит от температура
Математически сопротивление проводящего материала может быть выражено как
= константа пропорциональности материала, известная как удельное сопротивление или удельное сопротивление материала , сопротивление этого проводника равно одному Ому.

В чем измеряется электрическое сопротивление (единицы)?
Электрическое сопротивление измеряется в омах (единица СИ для резистора), и представляет собой Ω. Единица измерения Ом (Ом) названа в честь великого немецкого физика и математика Георга Симона Ома.
В системе СИ ом равен 1 вольту на ампер. Таким образом,

Следовательно, сопротивление также измеряется в вольтах на ампер.
Резисторы производятся и имеют широкий диапазон номиналов.Единица измерения Ом обычно используется для умеренных значений сопротивления, но большие и малые значения сопротивлений могут быть выражены в миллиомах, килоомах, мегаомах и т. д. ниже. Производная единица измерения резисторов
Обозначение электрического сопротивления
Для обозначения электрического сопротивления используются два обозначения основных цепей.
Наиболее распространенным символом резистора является зигзагообразная линия, которая широко используется в Северной Америке.Другой символ цепи для резистора представляет собой небольшой прямоугольник, широко используемый в Европе и Азии, называемый международным символом резистора.
Символ цепи для резисторов показан на изображении ниже.
Формула электрического сопротивления
Основная формула сопротивления:
Связь между сопротивлением, напряжением и током (закон Ома) Current
Эти отношения показаны на рисунке ниже.
Формула сопротивления 1 (закон Ома)
Согласно закону Ома

Таким образом, сопротивление представляет собой отношение напряжения питания к току.

Пример
Как показано на схеме ниже, напряжение питания составляет 24 В, а ток, протекающий через неизвестное сопротивление, равен 2 А. Определите неизвестное значение сопротивления.

Решение:
Данные:
Согласно закону Ома,

Таким образом, используя уравнение, мы получаем неизвестное значение сопротивления.
Формула сопротивления 2 (мощность и напряжение)
Передаваемая мощность является произведением напряжения питания и электрического тока.

Теперь, подставив в вышеприведенное уравнение, мы получим,

Таким образом, мы получим сопротивление, равное отношению квадрата напряжения питания к мощности. Математически:

Пример
Как показано на схеме ниже, напряжение питания 24 В подается на лампу мощностью 48 Вт. Определите сопротивление лампы мощностью 48 Вт.
Решение:
Данные:
Согласно формуле

Таким образом, мы получаем сопротивление 48-ваттной лампы, используя уравнение.
Формула сопротивления 3 (мощность и ток)
Мы это знаем,
Подставив в вышеприведенное уравнение, мы получим,

Таким образом, мы получим сопротивление как отношение мощности к квадрату тока. Математически

Пример
Как показано на схеме ниже, ток, протекающий через лампу мощностью 20 Вт, равен 2 А.Определяет сопротивление лампы мощностью 20 Вт.
Решение:
Данные:
Согласно формуле

Таким образом, мы получаем сопротивление 20-ваттной лампы, используя уравнение.
Разница между сопротивлением переменному и постоянному току
Существует разница между сопротивлением переменному и постоянному току. Давайте обсудим это вкратце.
Сопротивление переменному току
Общее сопротивление (включая сопротивление, индуктивное сопротивление и емкостное сопротивление) в цепях переменного тока называется импедансом.Следовательно, сопротивление переменному току также называют импедансом.
Сопротивление = Импеданс, т.е.

Следующая формула дает значение сопротивления переменному току или импеданса цепей переменного тока,

Сопротивление постоянному току ; следовательно, емкостное реактивное сопротивление и индуктивное сопротивление в цепях постоянного тока равны нулю.
Таким образом, при подаче постоянного тока имеет значение только значение сопротивления проводника или провода.
Таким образом, по закону Ома мы можем рассчитать значение сопротивления постоянному току.

Какое сопротивление больше по переменному или постоянному току?
В цепях постоянного тока нет скин-эффекта, поскольку частота источника постоянного тока равна нулю. Следовательно, сопротивление переменному току больше по сравнению с сопротивлением постоянному току из-за скин-эффектов.

Обычно значение сопротивления переменному току в 1,6 раза превышает значение сопротивления постоянному току.

Электрическое сопротивление, нагрев и температура
Электрическое сопротивление и нагрев
Когда электрический ток (т.е., поток свободных электронов) проходит через проводник, между движущимися электронами и молекулами проводника существует некоторое «трение». Это трение называется электрическим сопротивлением.
Таким образом, электрическая энергия, подводимая к проводнику, преобразуется в тепло за счет трения или электрического сопротивления. Это известно как нагревательный эффект электрического тока, создаваемого электрическим сопротивлением.
Например, если I ампер течет через проводник с сопротивлением R омов в течение t секунд, подведенная электрическая энергия составляет I ² Rt джоулей. Эта энергия преобразуется в тепло.
Таким образом,

Этот эффект нагрева используется для производства многих нагревательных электрических приборов, таких как электронагреватель, электрический тостер, электрический чайник, электрический утюг, паяльник и т. д. Основной принцип этих приборов одинаков. , т. е. когда электрический ток протекает через элемент с высоким сопротивлением (называемый нагревательным элементом), он, таким образом, производит необходимое тепло.
Один из наиболее часто используемых сплавов никеля и хрома, называемый нихромом, имеет сопротивление, более чем в 50 раз превышающее сопротивление меди.
Влияние температуры на электрическое сопротивление
На сопротивление всех материалов влияет изменение температуры. Влияние изменения температуры зависит от материала.
Металлы
Электрическое сопротивление чистых металлов (например, меди, алюминия, серебра и т. д.) увеличивается с повышением температуры. Это увеличение сопротивления велико для нормального диапазона температур. Таким образом, металлы имеют положительный температурный коэффициент сопротивления.
Сплавы
Электрическое сопротивление сплавов (например, нихрома, манганина и т. д.) также увеличивается с повышением температуры. Это увеличение сопротивления является неравномерным и относительно небольшим. Таким образом, сплавы имеют низкое значение положительного температурного коэффициента сопротивления.
Полупроводники, изоляторы и электролиты
Электрическое сопротивление полупроводников, изоляторов и электролитов уменьшается с повышением температуры. При повышении температуры образуется много свободных электронов.Так, происходит падение величины электрического сопротивления. Таким образом, такой материал имеет отрицательный температурный коэффициент сопротивления.
Общие вопросы о сопротивлении
Электрическое сопротивление человеческого тела
Сопротивление кожи человеческого тела высокое, но внутреннее сопротивление тела низкое. Когда тело человека сухое, его среднее эффективное сопротивление велико, а когда оно влажное, сопротивление существенно снижается.
В сухих условиях эффективное сопротивление человеческого тела составляет 100 000 Ом, а во влажных условиях или при повреждении кожи сопротивление уменьшается до 1000 Ом.
Если электрическая энергия высокого напряжения попадает в кожу человека, то она быстро разрушает кожу человека, а сопротивление тела снижается до 500 Ом.
Электрическое сопротивление воздуха
Мы знаем, что электрическое сопротивление любого материала зависит от удельного сопротивления или удельного сопротивления этого материала. Удельное сопротивление или удельное сопротивление воздуха составляет около 20 ⁰ C.
Электрическое сопротивление воздуха является мерой способности воздуха сопротивляться электрическому току.Сопротивление воздуха является результатом столкновений передней поверхности объекта с молекулами воздуха. Двумя основными факторами, влияющими на величину сопротивления воздуха, являются скорость объекта и площадь поперечного сечения объекта.
Пробойная или диэлектрическая прочность воздуха составляет 21,1 кВ/см (среднеквадратичное значение) или 30 кВ/см (пиковое значение), что означает, что воздух обеспечивает электрическое сопротивление до 21,1 кВ/см (среднеквадратичное значение) или 30 кВ/см (пиковое значение). Если электростатическое напряжение в воздухе превышает 21,1 кВ/см (СКЗ), происходит пробой воздуха; таким образом, можно сказать, что сопротивление воздуха становится равным нулю.
Электрическое сопротивление воды
Удельное сопротивление или удельное сопротивление воды является мерой способности воды сопротивляться электрическому току, которая зависит от концентрации растворенных в воде солей.
Чистая вода имеет более высокое значение удельного сопротивления или удельного сопротивления, так как не содержит ионов. При растворении солей в чистой воде образуются свободные ионы. Эти ионы могут проводить электрический ток; следовательно, сопротивление уменьшается.
Вода с высокой концентрацией растворенных солей будет иметь низкое удельное сопротивление или удельное сопротивление и наоборот.В таблице ниже приведены значения удельного сопротивления для разных типов воды.
Виды воды Резистивиметры в Ом-м
Чистая вода 20000000
забортной 20-25
дистиллированная вода 500000
дождевой воды 20000
Ривер воды 200
питьевой воды 2 200
Деионизированная вода 180000
Электрическое сопротивление меди
Copper хороший дирижер; следовательно, он имеет низкое значение сопротивления.Естественное сопротивление меди известно как удельное сопротивление или удельное сопротивление меди.
Значение удельного сопротивления или удельного сопротивления меди.
Как называется явление, когда электрическое сопротивление равно нулю?
Когда электрическое сопротивление равно нулю, это явление называется сверхпроводимостью.
Согласно закону Ома,

Если электрическое сопротивление, т. е. R = 0, то

Следовательно, через проводник протекает бесконечный ток, если сопротивление этого проводника равно нулю; это явление известно как сверхпроводимость.
Мы также можем сказать, что если электрическое сопротивление равно нулю, то его проводимость бесконечна.

Как удельное сопротивление влияет на сопротивление?
Как мы знаем, сопротивление проводящего материала может быть выражено как
= константа пропорциональности материала, известная как удельное сопротивление или удельное сопротивление материала
Теперь, если тогда

Таким образом, удельное сопротивление или удельное сопротивление материала – это сопротивление, обеспечиваемое единицей длины и единицей площади поперечного сечения материала.}