Здравствуйте, уважаемые читатели сайта «Заметки электрика»..
Сегодня открываю новый раздел на сайте под названием .
В этом разделе я постараюсь в наглядной и простой форме объяснить Вам вопросы электротехники. Скажу сразу, что далеко углубляться в теоретические знания мы не будем, но вот с основами познакомимся в достаточном порядке.
Первое, с чем я хочу Вас познакомить, это с законом Ома для участка цепи. Это самый основной закон, который должен знать каждый .
Знание этого закона позволит нам беспрепятственно и безошибочно определять значения силы тока, напряжения (разности потенциалов) и сопротивления на участке цепи.
Кто такой Ом? Немного истории
Закон Ома открыл всем известный немецкий физик Георг Симон Ом в 1826 году. Вот так он выглядел.
Всю биографию Георга Ома я рассказывать Вам не буду. Про это Вы можете узнать на других ресурсах более подробно.
Скажу только самое главное.
Его именем назван самый основной закон электротехники, который мы активно применяем в сложных расчетах при проектировании, на производстве и в быту.
Закон Ома для однородного участка цепи выглядит следующим образом:
I – значение тока, идущего через участок цепи (измеряется в амперах)
U – значение напряжения на участке цепи (измеряется в вольтах)
R – значение сопротивления участка цепи (измеряется в Омах)
Если формулу объяснить словами, то получится, что сила тока пропорциональная напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи.
Проведем эксперимент
Чтобы понять формулу не на словах, а на деле, необходимо собрать следующую схему:
Цель этой статьи — это показать наглядно, как использовать закон Ома для участка цепи. Поэтому я на своем рабочем стенде собрал эту схему. Смотрите ниже как она выглядит.
С помощью ключа управления (избирания) можно выбрать, либо постоянное напряжение, либо переменное напряжение на выходе. В нашем случае используется постоянное напряжения. Уровень напряжения я меняю с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР).
В нашем эксперименте я буду использовать напряжение на участке цепи, равное 220 (В). Контроль напряжения на выходе смотрим по вольтметру.
Теперь мы полностью готовы провести самостоятельно эксперимент и проверить закон Ома в действительности.
Ниже я приведу 3 примера. В каждом примере мы будем определять искомую величину 2 методами: с помощью формулы и практическим путем.
Пример № 1
В первом примере нам нужно найти ток (I) в цепи, зная величину источника постоянного напряжения и величину сопротивления светодиодной лампочки.
Напряжение источника постоянного напряжения составляет U = 220 (В) . Сопротивление светодиодной лампочки равно R = 40740 (Ом) .
С помощью формулы найдем ток в цепи:
I = U/R = 220 / 40740 = 0,0054 (А)
Подключаем последовательно светодиодной лампочке , включенный в режиме амперметр, и замеряем ток в цепи.
На дисплее мультиметра показан ток цепи. Его значение равно 5,4 (мА) или 0,0054 (А), что соответствует току, найденному по формуле.
Пример № 2
Во втором примере нам нужно найти напряжение (U) участка цепи, зная величину тока в цепи и величину сопротивления светодиодной лампочки.
I = 0,0054 (А)
R = 40740 (Ом)
С помощью формулы найдем напряжение участка цепи:
U = I*R = 0,0054 *40740 = 219,9 (В) = 220 (В)
А теперь проверим полученный результат практическим путем.
Подключаем параллельно светодиодной лампочке мультиметр, включенный в режиме вольтметр, и замеряем напряжение.
На дисплее мультиметра показана величина измеренного напряжения. Его значение равно 220 (В), что соответствует напряжению, найденному по формуле закона Ома для участка цепи.
Пример № 3
В третьем примере нам нужно найти сопротивление (R) участка цепи, зная величину тока в цепи и величину напряжения участка цепи.
I = 0,0054 (А)
U = 220 (В)
Опять таки, воспользуемся формулой и найдем сопротивление участка цепи:
R = U/ I = 220/0,0054 = 40740,7 (Ом)
А теперь проверим полученный результат практическим путем.
Сопротивление светодиодной лампочки мы измеряем с помощью или мультиметра.
Полученное значение составило R = 40740 (Ом) , что соответствует сопротивлению, найденному по формуле.
Как легко запомнить Закон Ома для участка цепи!!!
Чтобы не путаться и легко запомнить формулу, можно воспользоваться небольшой подсказкой, которую Вы можете сделать самостоятельно.
Нарисуйте треугольник и впишите в него параметры электрической цепи, согласно рисунка ниже. У Вас должно получится вот так.
Как этим пользоваться?
Пользоваться треугольником-подсказкой очень легко и просто. Закрываете своим пальцем, тот параметр цепи, который необходимо найти.
Если оставшиеся на треугольнике параметры расположены на одном уровне, то значит их необходимо перемножить.
Если же оставшиеся на треугольнике параметры расположены на разном уровне, то тогда необходимо разделить верхний параметр на нижний.
С помощью треугольника-подсказки Вы не будете путаться в формуле. Но лучше все таки ее выучить, как таблицу умножения.
Выводы
В завершении статьи сделаю вывод.
Электрический ток — это направленный поток электронов от точки В с потенциалом минус к точке А с потенциалом плюс. И чем выше разность потенциалов между этими точками, тем больше электронов переместится из точки В в точку А, т.е. ток в цепи увеличится, при условии, что сопротивление цепи останется неизменным.
Но сопротивление лампочки противодействует протеканию электрического тока. И чем больше сопротивление в цепи (последовательное соединение нескольких лампочек), тем меньше будет ток в цепи, при неизменном напряжении сети.
P.S. Тут в интернете нашел смешную, но поясняющую карикатуру на тему закона Ома для участка цепи.
Л юбая электрическая цепь обязательно содержит в себе источник электрической энергии и ее приемник. В качестве примера рассмотрим простейшую электрическую цепь, состоящую из батарейки и лампочки накаливания.
Батарейка - это источник электрической энергии, лампочка - ее приемник. Между полюсами источника электроэнергии имеется разность потенциалов(+ и -), при замыкании цепи начинается процесс ее выравнивания под действием электродвижущей силы, сокращенно - ЭДС. По цепи протекает электрический ток, совершая работу - нагревая спираль эл.лампочки, спираль начинает светиться.
Таким образом происходит преобразование электрической энергии в
энергию тепловую и энергию света.
Электрический ток(J) представляет из себя упорядоченное движение заряженных
частиц, в данном случае - электронов.
Электроны имеют отрицательный заряд, и по
этому, их движение направлено к
положительному(+) полюсу источника питания.
При этом, всегда образуется электромагнитное поле, распостраняясь от (+) к (-) источника(навстречу движению электронов) через электрическую цепь со скоростью света. Традиционно, принято считать, что электрический ток(J) движется от положительного(+) полюса к отрицательному(-).
Упорядоченное движение электронов, через кристаллическую решетку вещества, являющегося проводником не проходит беспрепятственно. Электроны взаимодействуют с атомами вещества, вызывая его нагрев. Таким образом, вещество оказывает сопротивление (R), протекающему через него, электрическому току. И чем больше величина сопротивления, при той же величине тока - тем сильнее нагрев.
Электрическое сопротивление - это величина, характеризующая противодействие электрической цепи (или её участка) электрическому току, измеряется в омах . Электрическое напряжение (U)- величина разности потенциалов источника электрического тока. Электрическое напряжение (U), электрическое сопротивление (R),электрический ток (J) - это основные свойства простейшей электрической цепи, между собой они находятся в определенной зависимости.
| Напряжение. | ||
| Сопротивление. | ||
| Сила тока. | ||
| Мощность. | ||
С помощью калькулятора Закона Ома, расположенного выше, можно легко вычислить значения силы тока, напряжения и сопротивления любого приемника электрической энергии. Так же, подставляя значения напряжения и тока, можно определить его мощность, и наоборот.
Например, необходимо узнать ток потребляемый эл. чайником, мощностью 2,2квт.
В графу "Напряжение" подставляем значение напряжения нашей сети в вольтах - 220.
В графу "Мощность", соответственно, вводим значение мощности в ваттах 2200 (2.2квт)
Нажимаем кнопку "Узнать силу тока" - получаем результат в амперах - 10.
Если далее нажать кнопку "Сопротивление" , можно узнать, в добавок и электрическое
сопротивление нашего чайника, во время его работы - 22 ома.
С помощью расположенного выше калькулятора, можно легко расчитать величину общего сопротивления для двух сопротивлений, подключенных параллельно.
Второй закон Кирхгофа гласит: в замкнутой электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на отдельных участках цепи. Согласно этому закону для схемы изображенной на рисунке ниже можно записать:
R об =R 1 +R 2
Т. е. при последовательном соединении элементов цепи общее сопротивление цепи
равно сумме сопротивлений составляющих ее элементов, а напряжение распределяется между ними, пропорционально
сопротивлению каждого.
Например, в новогодней гирлянде состоящей из 100 маленьких одинаковых лампочек, каждая из которых рассчитана на напряжение
2,5 вольт, включенной в сеть напряжением 220 вольт, на каждую лампочку будет приходиться 220/100=2,2 вольта.
И, конечно же, при таком раскладе она будет работать долго и счастливо.
Переменный ток.
Переменный ток в отличии от постоянного, не имеет постоянного направления. Например, в обычной бытовой эл. сети 220 вольт 50 герц, плюс с минусом меняются местами 50 раз в секунду. Законы Ома и Кирхгофа для цепи постоянного, тока применимы так же для цепей тока переменного, но только для электрических приемников обладающих активным сопротивлением в чистом виде, т. е. таких, как различные нагревательные элементы и лампочки накаливания.
Причем, все расчеты производятся с действующими значениями тока и напряжения. Действующее значение силы переменного тока численно равно эквивалентной по тепловому действию силе постоянного тока. Действующее значение Jперем.= 0,707*Jпост. Действующее значение Uперем.= 0,707*Uпост. Например в нашей домашней сети действующее значение переменного напряжения - 220 вольт, а максимальное (амплитудное) его значение = 220*(1 / 0,707) = 310 вольт.
Роль законов Ома и Кирхгофа, в повседневной жизни электрика.
Осуществляя свою трудовую деятельность, электрик (абсолютно любой и
каждый), ежедневно сталкивается со следствиями этих
фундаментальных законов и правил, можно сказать - живет в
их реальности. Использует ли он теоретические знания, с большим трудом
полученные в различных учебных заведениях, для выполнения
повседневных трудовых обязанностей?
Как правило - нет!
Чаще всего, просто - напросто, в отсутствии какой либо необходимости,
это делать.
Ибо повседневная работа нормального электрика, состоит вовсе не из умственных вычислений, а наоборот - из четких, отточенных годами, физических действий. Нельзя сказать, что думать вовсе не приходиться. Совсем наоборот - ведь последствия необдуманных действий в этой профессии, обходятся порой, весьма дорого.
Иногда, встречаются среди электриков конструктора - любители, они же, чаще всего - рационализаторы. Эти люди, время от времени, используют имеющиеся у них теоретические знания с пользой для дела, разрабатывая и конструируя разнообразные устройства, как в личных целях, так и во благо родного производства. Без знания законов Ома и Кирхгофа, расчеты электрических цепей, составляющих схему будущего устройства совершенно невозможны.
В целом, можно сказать, что законы Ома и Кирхгофа являются в большей степени "инструментом" инженера - конструктора, нежели электромонтера.
Подключение элементов может быть последовательным, параллельным и смешанным. Сделаем расчет величин для всех трех вариантов. Чтобы рассчитать значения этих величин, применим закон Ома для участка цепи, всем известный закон со школьной скамьи: I=U/R; U=I*R; R=U/I .
Простая цепь
Здесь закон Ома для участка цепи рассматривает параметры одного потребителя (будь то двигатель или лампочка), который имеет сопротивление R
. Встречаясь с ним, электричество совершает работу. На этой преграде и создается разность потенциалов
. В качестве потребителя возьмем R=10 Ом.
Подключив батарейку 9 В к R, определяем силу тока: I=U/R=9/10=0,9 А
.
Если известно R
, замерив I
, можно узнать, сколько падает на резисторе: I*R=0,9*10=9 B
. I*R
называется падением напряжения
.
R можно вычислить, замерив вольты на нем и амперы, проходящие через него. R=U/I=9B/0,9A=10
.
Часто появляется необходимость определить потребляемую мощность R, чтобы быть уверенным в способности рассеивать выделяемое им тепло, образующееся в результате работы электричества. Потребляемая мощность Р=I 2 *R=0,9 2 A*10=8,1Bт
. Надо выбрать мощность рассеивания не меньше расчетной, иначе дым пойдет. В нашем случае выбираем стандартные 10 Вт, меньший бывает только 7,5 Вт.
Параллельное подключение
Теперь повысим сложность участка. Потребителей представим как R1 (10 Oм) и R2 (5 Oм). Изменилось значение R, и появилось два пути. Остались неизменными только 9 В.
Чтобы вычислить амперы, приходящие к ветвям, надо знать суммарное R. При параллельном соединении R вычисляется по формуле 1/R=1/R1+1/R2+1/Rn
… Для двух элементов она выглядит так: R=R1*R2/(R1+R2); R=10*5/(10+5)=3,3
. Обращаю внимание: в такой схеме полученное R всегда меньше наименьшего.
Находим I=9/3,3=2,7 А
. Суммарное R определяется и с помощью замера общего тока (замер показал 2,7 А). Тогда R=9/2,7=3,3
.
Рассчитаем каждую ветвь в отдельности. На всех резисторах 9 В. Зная R n
, можем вычислить амперы ветки. Для первой ветки — I1=9В/R1=9/10=0,9 А
. Для второй — I2=9В/R2=9В/5=1,8
. Важная деталь: сумма токов всех ветвей равна общему току. Отсюда, I1=I-I2
. Значения R1 и R2 определяются исходя из амперов, протекающих в них, и подключенных вольт: R1=9В/I1
и т.д.
Теперь посмотрим, как отвечает закон на
Последовательное подключение нагрузки.
Чтобы найти ток в последовательной цепочке, надо знать, сколько в ней Ом? Для данного участка R находим так: R=R1+R2; R=10+5=15
. Определяем I=U/R; I=9/15=0,6 А
. Теперь поинтересуемся падением напряжения на резисторах. На R1 — U1=I*R1=0,6*10=6 В
.
Смотрите: на R1 упало 6 В, а общее — 9 В. Значит, на R2 должно остаться 3 В (U2=9B-6B=3B)
. Проверим законом: U2=I*R2=0,6A*5=3 В
. Все верно.
Попутно узнали значение потенциала в точке А относительно минуса питания — 3 В. Такая схема называется делителем напряжения
: из одного получаем два, и оба можно использовать для питания других схем. Конечно, надо учесть их входные данные, но это уже из другой песни, хотя тоже без закона Ома для участка цепи не обойтись.
Смешанное подключение нагрузки
Смешанное соединение — это совокупность параллельного и последовательного. Для расчетов применяется тот же алгоритм, который рассмотрели в предыдущих вариантах. Просто надо разделить ветви по соответствующим вариантам.
Закону Ома для участка цепи вторит
Закон Ома для полной цепи.
Он требует включения в расчеты параметров источника питания
. Сначала разберемся с особенностями устройства. Выпрямитель, аккумулятор, гальванический элемент (обычная батарейка), фотоэлемент (основа солнечной батареи) — во всех источниках присутствует внутреннее сопротивление. В выпрямителе — обмотки трансформатора и сопутствующие , в аккумуляторе — электролит и степень эмиссии электродов.
Когда-нибудь замечали, как зарядку аккумулятора контролирует не обычный вольтметр, а нагрузочная вилка? Для чего эта вилка? Аккумулятор вырабатывает вольты, но они выдаются не полностью: часть (Ir
— читай ниже) падает на его внутреннем барьере. Нагрузочная вилка — это что-то вроде нашей исследованной схемы, которая состоит из резистора и вольтметра, соединенных параллельно. сам не способен создать падение на внутреннем сопротивлении аккумуляторной батареи. Поэтому параллельно ему подключается низкоомный шунт, создающий Ir
. Именно таким образом можем судить о полноте зарядки. Замеряя зарядку аккумуляторной батареи только вольтметром, мы не получим требуемого результата, так как не учтется потеря в батарее.
То, что способен вырабатывать любой генератор, называется электродвижущей силой (ЭДС)
, а что поступило в электрическую сеть — напряжением
. Связаны величины таким образом: ЭДС=Ir+IR. r
— внутреннее сопротивление источника, остальные величины нам уже известны. U получили отсюда: U=ЭДС-Ir
. Эти две формулы определяют закон Ома для полной цепи.
Измерение сопротивления проводника: R =U/I→ 1 Ом = 1 В/1 А.
Электрическое сопротивление (R) - свойство электрической цепи (проводника) противодействовать протекающему по ней электрическому току, измеряемое при постоянном напряжении на его концах отношением этого напряжения к силе тока.
Природа электрического сопротивления на основе электронных представлений о строении вещества: "потеря" упорядоченного движения свободными заряженными частицами в проводнике при их взаимодействии с ионами кристаллической решетки.
Зависимость электрического сопротивления проводника от его длины (реостаты), поперечного сечения и материала. Удельное сопротивление материала проводника: .
Вопрос : Почему сопротивление проводника зависит от его длины, площади поперечного сечения и материала?
Для провода = 
, где - удельная электрическая проводимость.
- (закон Ома в дифференциальной форме) - устанавливает связь между величинами для каждой точки проводника.
Демонстрация зависимости сопротивления проводника от его температуры (малый накал). Температурный коэффициент сопротивления.
Границы применимости закона Ома.
IV. Задачи:
- Определите электрический заряд, прошедший через поперечное сечение проводника сопротивлением 3 Ом при равномерном нарастании напряжения на концах проводника от 2 В до 4 В в течение 20 с.
2. Определить площадь поперечного сечения и длину проводник из алюминия, если его сопротивление 0,1 Ом, а масса 54 г.
Вопросы:
1. Объясните, позему сопротивление проволоки зависит от его материала, длины и площади поперечного сечения.
2. Как отрезать кусок провода сопротивлением 5 Ом?
3. Длину медной проволоки вытягиванием увеличили вдвое. Как изменилось ее сопротивление?
4. Почему сопротивление кожи человека зависит от ее состояния, площади контакта, приложенного напряжения, длительности протекания тока?
5. Изменится ли сопротивление вольфрамового волоска электрической лампы, рассчитанной на 120 В, если присоединить ее к источнику тока с напряжением 4 В?
6. Высота плотины – электрическое напряжение, расход воды из отверстия у основании плотины – сила тока. Удачна ли эта аналогия?
V . § 54 Упр. 10 № 3
1. Предложите конструкцию и рассчитайте параметры реостата (материал провода, длина, площадь поперечного сечения), сопротивление которого можно плавно изменять от 0 до 100 Ом при максимальной силе электрического тока до 2 А.
2. Как изменяется сопротивление проволоки при ее растяжении? Попробуйте установить эту зависимость в пределах упругих деформаций. Предложите конструкцию и рассчитайте параметры прибора (тензодатчика), предназначенного для измерения механического напряжения.
Дополнительная информация: Тензорезистивный эффект – изменение сопротивления материала при деформации (недавно созданные материалы из алюминия и кремния изменяют свое сопротивление при ударе почти в 900 раз).
3. Предложите конструкцию и опишите электрическую схему прибора для установления зависимости удельного сопротивления проводника от температуры (можно с реостатом).
4. Измерьте удельное сопротивление воды при комнатной температуре и при температуре кипения.
"Непосредственный опыт всегда очевиден, и из него в кратчайшее время можно извлечь пользу".
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 "ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПРОВОДНИКА"
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Научить учеников с заданной точностью измерять удельное сопротивление материала проводника.
ТИП УРОКА: лабораторная работа.
ОБОРУДОВАНИЕ: Источник тока, амперметр и вольтметр лабораторные, ключ, реостат, линейка ученическая, проводник на колодке, соединительные провода, штангенциркуль (микрометр).
ПЛАН УРОКА: 1. Вступительная часть 1-2 мин
2. Вводный инструктаж 5 мин
3. Выполнение работы 30 мин
4. Задание на дом 2-3 мин
II . Схема лабораторной установки на доске. Как измерить сопротивление проводника; площадь поперечного сечения проволоки; длину проводника?
Относительная и абсолютная погрешность при измерении удельного сопротивления:
III . Выполнение работы.
