Ohms lag för en komplett kedja och för en del av en kedja: formelalternativ, beskrivning och förklaring

För sluten krets

En sluten krets betyder en sluten elektrisk anslutning genom vilken ström cirkulerar. När det finns en serie ledningar som ansluter till varandra och fullbordar kretsen så att jag går från ena änden av cirkeln till den andra, blir det en sluten krets.

EMF (E) - betecknas och mäts i volt och hänvisar till spänningen som genereras av ett batteri eller magnetisk kraft enligt Faradays lag, som säger att ett tidsvarierande magnetfält kommer att inducera en elektrisk ström.

Då: E = IR + Ir

E \u003d I (R + r)

I \u003d E / (R + r)

Där: r är resistansen för strömkällan.

Detta uttryck är känt som Ohms lag för slutna kretsar.

Heterogen kedja

Separat sektion och komplett elektrisk krets

Ohms lag, som tillämpas på en sektion eller hela kretsen, kan övervägas i två beräkningsalternativ:

• Separat kort avsnitt. Det är en del av en krets utan en EMF-källa.
• En komplett kedja bestående av en eller flera sektioner. Detta inkluderar även en EMF-källa med eget inre motstånd.

Beräkning av strömsektionen av den elektriska kretsen

I det här fallet tillämpas den grundläggande formeln I \u003d U / R, där I är strömstyrkan, U är spänningen, R är motståndet. Enligt den kan man formulera den allmänt accepterade tolkningen av Ohms lag:

Denna formulering är grunden för många andra formler som presenteras på den så kallade "kamomill" i grafisk design. I sektor P - bestäms effekt, i sektorer I, U och R - utförs åtgärder relaterade till strömstyrka, spänning och motstånd.

Varje uttryck - både grundläggande och extra, låter dig beräkna de exakta parametrarna för de element som är avsedda för användning i kretsen.

Specialister som arbetar med elektriska kretsar utför en snabb bestämning av någon av parametrarna med hjälp av triangelmetoden som visas i figuren.

Beräkningarna bör ta hänsyn till motståndet hos ledarna som förbinder elementen i sektionen. Eftersom de är gjorda av olika material kommer denna parameter att vara olika i varje enskilt fall.Om det är nödvändigt att bilda en komplett krets, kompletteras huvudformeln med parametrarna för en spänningskälla, till exempel ett batteri.

Beräkningsmöjlighet för en komplett kedja

En komplett krets består av individuella sektioner, kombinerade till en enda helhet tillsammans med en spänningskälla (EMF). Således kompletteras sektionernas befintliga resistans med den anslutna källans inre resistans. Därför kommer den huvudsakliga tolkningen som diskuterats tidigare att lyda som följer: I = U / (R + r). Här har den resistiva indikatorn (r) för EMF-källan redan lagts till.

Ur ren fysiks synvinkel anses denna indikator vara ett mycket litet värde. Men i praktiken, när man beräknar komplexa kretsar och kretsar, tvingas specialister att ta hänsyn till det, eftersom ytterligare motstånd påverkar noggrannheten i arbetet. Dessutom är strukturen för varje källa mycket heterogen, som ett resultat kan motståndet i vissa fall uttryckas med ganska höga hastigheter.

Ovanstående beräkningar utförs i förhållande till DC-kretsar. Åtgärder och beräkningar med växelström görs enligt ett annat schema.

Lagens effekt på en variabel

Med växelström kommer kretsens resistans att vara den så kallade impedansen, bestående av aktivt motstånd och reaktiv resistiv belastning. Detta beror på närvaron av element med induktiva egenskaper och ett sinusformigt strömvärde. Spänning är också en variabel, som fungerar enligt sina egna kopplingslagar.

Därför beräknas Ohms lag AC-kretsdesign med hänsyn till specifika effekter: ledande eller eftersläpande storleken på strömmen från spänningen, såväl som närvaron av aktiv och reaktiv effekt.I sin tur inkluderar reaktans induktiva eller kapacitiva komponenter.

Alla dessa fenomen kommer att motsvara formeln Z \u003d U / I eller Z \u003d R + J * (XL - XC), där Z är impedansen; R - aktiv belastning; XL, XC - induktiva och kapacitiva laster; J är korrigeringsfaktorn.

EMF-källa i en komplett krets

För uppkomsten av elektrisk ström i en sluten krets måste denna krets innehålla minst ett speciellt element i vilket arbetet med att överföra laddningar mellan dess poler kommer att ske. Krafterna som bär laddningar inuti detta element gör det mot det elektriska fältet, vilket innebär att deras natur måste vara annorlunda än elektriska. Därför kallas sådana krafter för tredje part.

Ris. 1. Yttre krafter i fysiken.

Ett element i en elektrisk krets där yttre krafter arbetar för att överföra laddningar mot inverkan av ett elektriskt fält kallas en strömkälla. Dess huvudsakliga egenskap är storleken på yttre krafter. För att karakterisera den introduceras ett speciellt mått - Electromotive Force (EMF), den betecknas med bokstaven $\mathscr{E}$.

Värdet på strömkällans EMF är lika med förhållandet mellan externa krafter för överföring av laddning till värdet av denna laddning:

$$\mathscr{E}={A_{st}\över q}$$

Eftersom betydelsen av EMF ligger mycket nära betydelsen av elektrisk spänning (återkallelse, spänning är förhållandet mellan arbetet som utförs av det elektriska fältet som bär laddningen och värdet av denna laddning), så mäts EMF, liksom spänning, i Volt:

$$1B={J\overCl}$$

Den näst viktigaste elektriska egenskapen hos en verklig strömkälla är dess inre resistans.När laddningar överförs mellan terminalerna interagerar de med substansen i EMF-källan, och därför uppvisar källan för elektrisk ström också ett visst motstånd. Internt motstånd, liksom vanligt motstånd, mäts i ohm, men betecknas med den lilla latinska bokstaven $r$.

Ris. 2. Exempel på aktuella källor.

R - elektriskt motstånd

Motstånd är spänningens ömsesidighet och kan jämföras med effekten av att röra en kropp mot rörelse i rinnande vatten. Enheten för R är Om, vilket betecknas med den stora grekiska bokstaven Omega.

Motståndets reciproka (1/R) är känd som konduktivitet, vilket mäter ett objekts förmåga att leda en laddning, uttryckt i Siemens-enheter.

Den geometriskt oberoende storheten som används kallas resistivitet och betecknas vanligtvis med den grekiska symbolen r.

Ytterligare information. Ohms lag hjälper till att fastställa tre viktiga indikatorer för driften av det elektriska nätverket, vilket förenklar beräkningen av effekt. Det är inte tillämpbart på ensidiga nätverk med element som diod, transistor och liknande. Och det är inte heller tillämpligt på icke-linjära element, varav tyristorer är exempel, eftersom motståndsvärdet för dessa element ändras med olika given spänning och ström.

Vid högre frekvenser blir distribuerat beteende dominerande. Samma sak händer med mycket långa kraftledningar. Även vid en så låg frekvens som 60 Hz har en mycket lång transmissionsledning, till exempel 30 km, en distribuerad karaktär.Det främsta skälet är att de effektiva elektriska signalerna som utbreder sig i kretsar är elektromagnetiska vågor, inte volt och ampere, som är infekterade av en elektromagnetisk våg. Ledarna fungerar helt enkelt som guider för vågorna. Så till exempel kommer en koaxialkabel att visa Z = 75 ohm, även om dess DC-resistans är försumbar.

Ohms lag är den grundläggande lagen för elektroteknik. Den har ett stort antal praktiska tillämpningar i alla elektriska kretsar och elektroniska komponenter.

De vanligaste exemplen på tillämpningen av Ohms lag:

1. Strömmen som tillförs elvärmaren. Med tanke på värmarens resistans och den pålagda spänningen kan den effekt som tillförs den värmaren beräknas.
2. Val av säkringar. De är skyddskomponenter som är seriekopplade med elektroniska enheter. Säkringar/CB är klassade i ampere. Den aktuella säkringen beräknas med Ohms lag.
3. Design av elektroniska apparater. Elektroniska enheter som bärbara datorer och mobiltelefoner kräver en DC-strömförsörjning med en specifik strömstyrka. Typiska mobiltelefonbatterier kräver 0,7-1 A. Ett motstånd används för att kontrollera hastigheten på strömmen som flyter genom dessa komponenter. Ohms lag används för att beräkna märkströmmen i en typisk krets.

En gång i tiden blev Ohms slutsatser en katalysator för ny forskning inom elområdet, och idag har de inte förlorat sin betydelse, eftersom modern elektroteknik bygger på dem. 1841 tilldelades Om Royal Societys högsta utmärkelse, Copley-medaljen, och termen "Om" erkändes som en motståndsenhet redan 1872.

Olikformig sektion av DC-kretsen

En heterogen struktur har en sådan sektion av kretsen, där det förutom ledare och element finns en strömkälla. Dess EMF måste beaktas vid beräkning av den totala strömstyrkan i detta område.

Det finns en formel som definierar huvudparametrarna och processerna för en heterogen plats: q = q0 x n x V. Dess indikatorer kännetecknas enligt följande:

• I processen att flytta laddningar (q) får de en viss densitet. Dess prestanda beror på strömstyrkan och tvärsnittsarean för ledaren (S).
• Under förhållanden med en viss koncentration (n) är det möjligt att exakt ange antalet enhetsladdningar (q0) som flyttades under en enda tidsperiod.
• För beräkningar anses ledaren villkorligt vara en cylindrisk sektion med viss volym (V).

När du ansluter ledaren till batteriet kommer det senare att laddas ur efter ett tag. Det vill säga att elektronernas rörelse saktar ner gradvis och i slutändan stannar de helt. Detta underlättas av ledarens molekylära gitter, som motverkar kollision av elektroner med varandra och andra faktorer. För att övervinna ett sådant motstånd måste vissa tredjepartskrafter dessutom appliceras.

Under beräkningar läggs dessa krafter till Coulomb. Dessutom, för att överföra en enhetsladdning q från den första punkten till den andra, kommer det att vara nödvändigt att utföra arbetet A1-2 eller helt enkelt A12. För detta ändamål skapas en potentialskillnad (ϕ1 - ϕ2). Under inverkan av en likströmskälla uppstår en EMF som flyttar laddningar längs kretsen. Storleken på den totala spänningen kommer att bestå av alla krafter som anges ovan.

Polariteten för anslutningen till DC-försörjningen måste beaktas i beräkningarna. När terminalerna ändras kommer EMF också att förändras, accelerera eller sakta ner laddningarnas rörelse.

Seriell och parallellkoppling av element

För element i en elektrisk krets (sektion av en krets) är ett karakteristiskt moment en serie- eller parallellkoppling.

Följaktligen åtföljs varje typ av anslutning av en annan karaktär av strömflödet och spänningsförsörjningen. På detta konto tillämpas också Ohms lag på olika sätt, beroende på möjligheten att inkludera element.

En kedja av seriekopplade resistiva element

När det gäller en seriekoppling (sektion av en krets med två komponenter) används formuleringen:

• Jag = jag₁ = jag₂ ;
• U = U₁ + U₂ ;
• R=R₁ + R₂

Denna formulering visar tydligt att, oavsett antalet resistiva komponenter kopplade i serie, strömmen som flyter i en sektion av kretsen inte ändrar värde.

Anslutning av resistiva element i en kretssektion i serie med varandra. Detta alternativ har sin egen beräkningslag. I diagrammet: I, I1, I2 - strömflöde; R1, R2 - resistiva element; U, U1, U2 - pålagd spänning

Mängden spänning som appliceras på de aktiva resistiva komponenterna i kretsen är summan och summeras till värdet på EMF-källan.

I detta fall är spänningen på varje enskild komponent: Ux = I * Rx.

Det totala motståndet bör betraktas som summan av värdena för alla resistiva komponenter i kretsen.

En kedja av parallellkopplade resistiva element

I fallet när det finns en parallell koppling av resistiva komponenter anses formuleringen vara rättvis med hänsyn till lagen från den tyska fysikern Ohm:

• Jag = jag₁ + jag₂ … ;
• U = U₁ = U₂ … ;
• 1/R = 1/R₁ + 1 / R₂ + …

Alternativ för att kompilera kretssektioner av "blandad" typ är inte uteslutna när parallella och seriella anslutningar används.

Anslutning av resistiva element i en kretssektion parallellt med varandra. För detta alternativ tillämpas en egen beräkningslag. I diagrammet: I, I1, I2 - strömflöde; R1, R2 - resistiva element; U - applicerad spänning; A, B - in-/utgångspunkter

För sådana alternativ utförs beräkningen vanligtvis genom den initiala beräkningen av parallellkopplingens resistiva betyg. Därefter läggs värdet på det seriekopplade motståndet till resultatet.

Integrerade och differentiella former av lagen

Alla ovanstående punkter med beräkningar är tillämpliga på förhållanden när ledare av en "homogen" struktur, så att säga, används som en del av elektriska kretsar.

Samtidigt måste man i praktiken ofta ta itu med konstruktionen av ett schema, där ledarnas struktur förändras i olika områden. Till exempel används ledningar med ett större tvärsnitt eller, omvänt, mindre som är gjorda på basis av olika material.

För att ta hänsyn till sådana skillnader finns det en variant av den så kallade "differentiella-integralen Ohms lag". För en oändligt liten ledare beräknas strömtäthetsnivån beroende på intensiteten och konduktivitetsvärdet.

Under differentialberäkningen tas formeln: J = ό * E

För integralberäkningen, respektive formuleringen: I * R = φ1 - φ2 + έ

Dessa exempel är dock ganska närmare skolan för högre matematik och används faktiskt inte i den verkliga praktiken av en enkel elektriker.

Förstå ström och motstånd

Låt oss börja med begreppet elektrisk ström.Kort sagt, elektrisk ström i förhållande till metaller är den riktade rörelsen av elektroner - negativt laddade partiklar. De är vanligtvis representerade som små cirklar. I ett lugnt tillstånd rör de sig slumpmässigt och ändrar hela tiden riktning. Under vissa förhållanden - uppkomsten av en potentiell skillnad - börjar dessa partiklar en viss rörelse i någon riktning. Denna rörelse är den elektriska strömmen.

För att göra det tydligare kan vi jämföra elektroner med vatten som spills ut på något plan. Så länge planet står stilla rör sig inte vattnet. Men så snart en sluttning dök upp (en potentiell skillnad uppstod) började vattnet röra på sig. Det är samma sak med elektroner.

Så här kan en elektrisk ström föreställas

Nu måste vi förstå vad motstånd är och varför de har återkoppling med strömstyrka: ju högre motstånd, desto lägre ström. Som ni vet rör sig elektroner genom en ledare. Vanligtvis är dessa metalltrådar, eftersom metaller har en god förmåga att leda elektricitet. Vi vet att metallen har ett tätt kristallgitter: många partiklar som är nära och sammankopplade. Elektroner, som tar sig fram mellan metallatomer, kolliderar med dem, vilket gör det svårt för dem att röra sig. Detta hjälper till att illustrera motståndet som en ledare utövar. Nu blir det tydligt varför ju högre motstånd, desto lägre strömstyrka - ju fler partiklar, desto svårare är det för elektroner att övervinna vägen, de gör det långsammare. Detta verkar ha lösts.

Om du har en önskan att testa detta beroende empiriskt, hitta ett variabelt motstånd, anslut i serie ett motstånd - en amperemeter - en strömkälla (batteri).Det är också önskvärt att sätta in en omkopplare i kretsen - en vanlig vippströmbrytare.

Krets för testning av strömberoende på resistans

Genom att vrida på motståndsratten ändras motståndet. Samtidigt ändras också avläsningarna på amperemetern, som mäter strömstyrkan. Dessutom, ju större motstånd, desto mindre avviker pilen - desto mindre ström. Ju lägre motstånd desto mer avviker pilen - strömmen är större.

Strömmens beroende av resistans är nästan linjär, det vill säga den reflekteras på grafen som en nästan rak linje. Varför nästan - detta bör diskuteras separat, men det är en annan historia.

Ohms lag för växelström

Vid beräkning av AC-kretsar introduceras istället för begreppet resistans begreppet "impedans". Impedansen betecknas med bokstaven Z, den inkluderar det aktiva motståndet för belastningen R_a och reaktans X (eller R_r). Detta beror på formen på den sinusformade strömmen (och strömmar av alla andra former) och parametrarna för de induktiva elementen, såväl som omkopplingslagarna:

1. Strömmen i en induktiv krets kan inte ändras omedelbart.
2. Spänningen i en krets med kapacitans kan inte ändras omedelbart.

Således börjar strömmen att släpa eller leda spänningen, och den skenbara effekten delas in i aktiv och reaktiv.

U=I/Z

X_L och X_C är lastens reaktiva komponenter.

I detta avseende introduceras värdet cosФ:

Här - Q - reaktiv effekt på grund av växelström och induktiv-kapacitiva komponenter, P - aktiv effekt (försvinner i aktiva komponenter), S - skenbar effekt, cosФ - effektfaktor.

Du kanske har märkt att formeln och dess representation korsar Pythagoras sats. Detta är sant och vinkeln Ф beror på hur stor den reaktiva komponenten av lasten är - ju större den är, desto större är den.I praktiken leder detta till att strömmen som faktiskt flyter i nätet är större än vad en hushållsmätare tar med i beräkningen, medan företag betalar för full effekt.

I det här fallet presenteras motståndet i komplex form:

Här är j en imaginär enhet, som är typisk för den komplexa formen av ekvationer. Mindre vanligt kallad i, men inom elektroteknik betecknas också det effektiva värdet av växelströmmen, därför, för att inte bli förvirrad, är det bättre att använda j.

Den imaginära enheten är √-1. Det är logiskt att det inte finns något sådant tal vid kvadrering, vilket kan resultera i ett negativt resultat på "-1".

När Ohms lag inträffar

Att skapa idealiska förhållanden är inte lätt. Även i rena ledare varierar det elektriska motståndet med temperaturen. Dess minskning minimerar aktiviteten hos molekylerna i kristallgittret, vilket förenklar förflyttningen av fria laddningar. Vid en viss nivå av "frysning" uppstår effekten av supraledning. Den motsatta effekten (försämring av konduktiviteten) observeras vid uppvärmning.

Samtidigt behåller elektrolyter, metaller och vissa typer av keramik det elektriska motståndet oavsett strömtätheten. Parametrarnas stabilitet samtidigt som en viss temperaturregim bibehålls gör det möjligt att tillämpa formlerna för Ohms lag utan ytterligare korrigeringar.

Halvledarmaterial och gaser kännetecknas av varierande elektriskt motstånd. Denna parameter påverkas avsevärt av den aktuella intensiteten i kontrollvolymen. För att beräkna prestandaegenskaperna måste specialiserade beräkningsmetoder tillämpas.

Om växelström beaktas korrigeras beräkningsmetoden.I detta fall måste närvaron av reaktiva komponenter beaktas. Med motståndets resistiva natur är det möjligt att tillämpa de övervägda beräkningsteknikerna baserade på formlerna i Ohms lag.

Kirchhoffs lagar.

Distribution
strömmar i grenarna av den elektriska kretsen
lyder Kirchhoffs första lag,
och fördelningen av spänningar över sektioner
kedjan lyder Kirchhoffs andra lag.

Kirchhoffs lagar
tillsammans med Ohms lag är de viktigaste
i teorin om elektriska kretsar.

Den första
Kirchhoffs lag:

Algebraisk
summan av strömmarna i noden är noll:

_i
= 0 (19)

Var
i
är antalet grenar som konvergerar vid en given nod.

Det vill säga summering
sträcker sig till strömmarna i grenarna,
som konvergerar i betraktad
nod.

Fig. 17. Illustration
till Kirchhoffs första lag.

siffra
ekvationer sammanställda enligt den första
Kirchhoffs lag bestäms av formeln:

Nup
= Nu
– 1,

Var
Nu
är antalet noder i den betraktade kedjan.

Tecken på strömmar in
ekvationer tas med hänsyn till de valda
positiv riktning. Skyltar kl
strömmarna är desamma om strömmarna är desamma
orienterad i förhållande till detta
nod.

Till exempel,
för noden som visas i fig. 17:
vi tilldelar tecken till strömmarna som flyter till noden
"+", och till strömmarna som flyter från noden - tecken
«-».

Sedan ekvationen
enligt Kirchhoffs första lag kommer det att skrivas
Så:

jag₁
– jag₂
+ jag₃
– jag₄
= 0.

ekvationer,
sammanställd enligt Kirchhoffs första lag,
kallas noder.

Detta
lagen uttrycker det faktum att i noden
elektrisk laddning ackumuleras inte
och konsumeras inte. Mängden elektrisk
avgifter som kommer till webbplatsen är lika med summan
laddningar som lämnar noden i en och samma
samma tidsrymd.

Andra
Kirchhoffs lag:

Algebraisk
summan av emf i valfri sluten krets
kedjan är lika med den algebraiska summan av fallen
spänning på elementen i denna krets:

Ui
= 
Ei

IiRi=Ei(20)

Var
i
- elementnummer (motstånd eller
spänningskälla) i den övervägda
kontur.

**Siffra
ekvationer sammanställda enligt den andra
Kirchhoffs lag bestäms av formeln:

Nup
= Nb
- Nu
+ 1 – Ned.s.

Var
Obs
- antalet grenar av den elektriska kretsen;

Nu
— Antal noder;

Ned.s.
är antalet ideala emk-källor.

Fig. 18. Illustration
till Kirchhoffs andra lag.

För,
att skriva den andra lagen korrekt
Kirchhoff för en given kontur, följer
följa följande regler:

1. godtyckligt
   välj riktning för konturbypass,
   till exempel medurs (fig. 18).

2. emf
   och spänningsfall som matchar
   i riktningen med den valda riktningen
   bypass skrivs i ett uttryck med
   tecken "+"; om e.f.s. och spänningsfall
   matchar inte riktningen
   kontur, sedan föregås de av ett tecken
   «-».

Till exempel,
för konturen av fig. 18, Kirchhoffs andra lag
kommer att skrivas enligt följande:

U₁
– U₂
+ U₃
=E₁
– E₃
– E₄
(21)

Ekvation (20) kan vara
skriv om som:

 (Ui
– Ei)
= 0 (22)

Var
(U
– E)
- spänning på grenen.

Följaktligen,
Kirchhoffs andra lag kan formuleras
på följande sätt:

Algebraisk
summan av spänningarna på grenarna i ev
sluten slinga är noll.

Potential
diagrammet som diskuterats tidigare tjänar
grafisk tolkning av den andra
Kirchhoffs lag.

Uppgift nummer 1.

PÅ
kretsen i fig. 1 ges strömmar I₁
och jag₃,
motstånd och emf Bestäm strömmar
jag₄,
jag₅,
jag₆
; spänning mellan punkterna a
och b
om jag₁
= 10mA,
jag₃
= -20 mA,
R₄
= 5kOhm,
E₅
= 20B,
R₅
= 3kOhm,
E₆
= 40B,
R₆
= 2kOhm.

Figur 1

Lösning:

1. För en given
   kontur, komponerar vi två ekvationer enligt
   Kirchhoffs första lag och en - enl
   andra. Konturriktning
   indikeras med en pil.

PÅ
som ett resultat av lösningen vi får: I₆
= 0; jag₄
= 10mA;
jag₅
= -10mA

1. fråga
   spänningsriktning mellan punkter
   a
   och b
   från punkt "a"
   till punkt "b"
   — U_ab.
   Denna spänning kan hittas från ekvationen
   Kirchhoffs andra lag:

jag₄R₄
+ U_ab
+ jag₆R₆
= 0

U_ab
= -50V.

Uppgift nummer 2.

För
diagram i fig. 2 rita upp ekvationer enligt
Kirchhoffs lagar och bestämmer det okända
poäng.

Given:
jag₁
= 20mA;
jag₂
= 10mA

R₁
= 5kOhm,
R₃
= 4kOhm,
R₄
= 6kOhm,
R₅
= 2kOhm,
R₆
= 4kΩ.

Fig.2

Lösning:

Antal noder
ekvationer - 3, antalet konturekvationer
– 1.

Kom ihåg!
När man sammanställer ekvationen enligt den andra
Kirchhoffs lag väljer vi konturen, i
som inte omfattar aktuella källor.
Konturens riktning anges i figuren.

PÅ
i denna krets, strömmarna för grenarna I₁
och jag₂.
Okänd
strömmar
jag₃,
jag₄,
jag₅,
jag₆.

Beslutar
systemet får vi: I₃
= 13,75 mA;
jag₄
= -3,75mA;
jag₅
= 6,25mA;
jag₆
= 16,25mA.

Grundläggande koncept

Elektrisk ström flyter när en sluten krets tillåter elektroner att flytta från en hög potential till en lägre i kretsen. Med andra ord kräver strömmen en elektronkälla som har energin för att sätta dem i rörelse, såväl som en punkt för deras återkomst av negativa laddningar, som kännetecknas av deras brist. Som ett fysiskt fenomen kännetecknas strömmen i en krets av tre grundläggande storheter:

• Spänning;
• strömstyrka;
• motståndet hos en ledare genom vilken elektroner rör sig.

Styrka och spänning

Strömstyrkan (I, mätt i ampere) är volymen av elektroner (laddning) som rör sig genom en plats i kretsen per tidsenhet.Med andra ord, mätning I är bestämningen av antalet elektroner i rörelse

Det är viktigt att förstå att termen endast hänvisar till rörelse: statiska laddningar, till exempel på polerna på ett oanslutet batteri, har inte ett mätbart värde på I. Ström som flyter i en riktning kallas direkt (DC), och periodiskt ändrad riktning kallas alternerande (AC). Spänning kan illustreras av ett sådant fenomen som tryck, eller som skillnaden i den potentiella energin hos föremål under påverkan av gravitationen

För att skapa denna obalans måste du först förbruka energi, som kommer att realiseras i rörelse under lämpliga omständigheter. Till exempel, när en last faller från en höjd, utförs arbete för att lyfta den, i galvaniska batterier bildas potentialskillnaden vid terminalerna på grund av omvandlingen av kemisk energi, i generatorer - som ett resultat av exponering för ett elektromagnetiskt fält

Stress kan illustreras av ett sådant fenomen som tryck eller som skillnaden i den potentiella energin hos föremål under påverkan av gravitationen. För att skapa denna obalans måste du först förbruka energi, som kommer att realiseras i rörelse under lämpliga omständigheter. Till exempel, när en last faller från en höjd, realiseras arbetet med att lyfta den, i galvaniska batterier bildas potentialskillnaden vid terminalerna på grund av omvandlingen av kemisk energi, i generatorer - som ett resultat av exponering för en elektromagnetiskt fält.

Ledarmotstånd

Oavsett hur bra en vanlig ledare är, kommer den aldrig att tillåta elektroner att passera utan något motstånd mot deras rörelse.Det är möjligt att betrakta motstånd som en analog av mekanisk friktion, även om denna jämförelse inte kommer att vara perfekt. När ström flyter genom en ledare omvandlas en viss potentialskillnad till värme, så det blir alltid ett spänningsfall över motståndet. Elektriska värmare, hårtorkar och andra liknande enheter är utformade enbart för att avleda elektrisk energi i form av värme.

Förenklat motstånd (betecknat som R) är ett mått på hur mycket elektronflödet fördröjs i en krets. Det mäts i ohm. Konduktiviteten hos ett motstånd eller annat element bestäms av två egenskaper:

• geometri;
• material.

Formen är av yttersta vikt, vilket framgår av den hydrauliska analogin: att trycka vatten genom ett långt och smalt rör är mycket svårare än att trycka vatten genom ett kort och brett. Material spelar en avgörande roll. Till exempel kan elektroner röra sig fritt i en koppartråd, men kan inte strömma alls genom isolatorer som gummi, oavsett deras form. Förutom geometri och material finns det andra faktorer som påverkar konduktiviteten.

Ohms lagtolkning

För att säkerställa rörelsen av laddningar måste du stänga kretsen. I avsaknad av ytterligare kraft kan strömmen inte existera under lång tid. Potentialerna kommer snabbt att bli lika. För att upprätthålla kretsens driftläge behövs en extra källa (generator, batteri).

Hela kretsen kommer att innehålla det totala elektriska motståndet för alla komponenter. För korrekta beräkningar beaktas förluster i ledare, resistiva element och en strömkälla.

Hur mycket spänning som behöver appliceras för en viss strömstyrka beräknas med formeln:

U=I*R.

På liknande sätt, med hjälp av de övervägda relationerna, bestäms andra parametrar i kretsen.

Parallell och seriell anslutning

I el är element kopplade antingen i serie - efter varandra, eller parallellt - det är när flera ingångar är anslutna till en punkt, och utgångar från samma element ansluts till en annan.

Ohms lag för parallell- och seriekoppling

seriell anslutning

Hur fungerar Ohms lag för dessa fall? När den är seriekopplad kommer strömmen som flyter genom kedjan av element att vara densamma. Spänningen för en sektion av en krets med element kopplade i serie beräknas som summan av spänningarna i varje sektion. Hur kan detta förklaras? Strömflödet genom ett element är överföringen av en del av laddningen från en del av den till en annan. Jag menar, det är lite jobb. Storleken på detta arbete är spänning. Detta är den fysiska innebörden av stress. Om detta är tydligt går vi vidare.

Seriell anslutning och parametrar för denna del av kretsen

Vid seriekoppling är det nödvändigt att överföra laddningen i sin tur genom varje element. Och på varje element är detta en viss "volym" av arbete. Och för att hitta mängden arbete på hela delen av kedjan måste du lägga till arbetet på varje element. Så det visar sig att den totala spänningen är summan av spänningarna på vart och ett av elementen.

På samma sätt - med hjälp av addition - hittas också kretssektionens totala resistans. Hur kan du föreställa dig det? Strömmen som flyter genom kedjan av element övervinner sekventiellt alla motstånd. En och en. Det vill säga, för att hitta det motstånd som han övervann, är det nödvändigt att lägga ihop motstånden. Mer eller mindre så här.Den matematiska härledningen är mer komplicerad, och det är lättare att förstå mekanismen för denna lag.

Parallellkoppling

En parallellkoppling är när början av ledarna/elementen konvergerar vid en punkt, och i en annan är deras ändar anslutna. Vi kommer att försöka förklara de lagar som är giltiga för föreningar av denna typ. Låt oss börja med ström. En ström av någon storlek matas till elementens anslutningspunkt. Den separerar, flyter genom alla ledarna. Av detta drar vi slutsatsen att den totala strömmen i sektionen är lika med summan av strömmen i vart och ett av elementen: I = I1 + I2 + I3.

Nu till spänningen. Om spänningen är arbete för att flytta en laddning, kommer arbetet som behövs för att flytta en laddning att vara detsamma på alla element. Det vill säga, spänningen på varje parallellkopplat element kommer att vara densamma. U=U1=U2=U3. Inte lika roligt och visuellt som i fallet med förklaringen av Ohms lag för en kedjesektion, men du kan förstå.

Lagar för parallellkoppling

För motstånd är saker och ting lite mer komplicerade. Låt oss introducera begreppet konduktivitet. Detta är en egenskap som indikerar hur lätt eller svårt det är för en laddning att passera genom denna ledare. Det är klart att ju lägre motstånd desto lättare blir det för strömmen att passera. Därför beräknas konduktiviteten - G - som resistansens reciproka. I formeln ser det ut så här: G = 1/R.

Varför pratar vi om konduktivitet? Eftersom den totala ledningsförmågan för en sektion med en parallellkoppling av element är lika med summan av ledningsförmågan för var och en av sektionerna. G = G1 + G2 + G3 - lätt att förstå. Hur lätt strömmen kommer att övervinna denna nod av parallella element beror på konduktiviteten hos vart och ett av elementen. Så det visar sig att de måste vikas.

Nu kan vi gå vidare till motstånd.Eftersom ledningsförmågan är den reciproka resistansen kan vi få följande formel: 1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3.

Vad ger oss en parallell och seriell anslutning?

Teoretiska kunskaper är bra, men hur tillämpar man dem i praktiken? Element av vilken typ som helst kan kopplas parallellt och i serie. Men vi övervägde bara de enklaste formlerna som beskriver linjära element. Linjära element är resistanser, som också kallas "motstånd". Så här kan du använda det du har lärt dig:

Om det inte finns något stort motstånd tillgängligt, men det finns flera mindre, kan önskat motstånd erhållas genom att seriekoppla flera motstånd. Som du kan se är detta en användbar teknik.
För att förlänga livslängden på batterierna kan de kopplas parallellt. Spänningen i det här fallet, enligt Ohms lag, kommer att förbli densamma (du kan säkerställa genom att mäta spänningen med en multimeter). Och "livslängden" för ett dubbelbatteri kommer att vara mycket längre än för två element som kommer att ersätta varandra

Observera bara: endast nätaggregat med samma potential kan parallellkopplas. Dvs ett dött och ett nytt batteri kan inte anslutas.

Om du fortfarande ansluter kommer batteriet som har en högre laddning att tendera att ladda ett mindre laddat. Som ett resultat kommer deras totala laddning att sjunka till ett lågt värde.

I allmänhet är dessa de vanligaste användningsområdena för dessa föreningar.

Idealisk EMF-källa

Den elektromotoriska kraften (E) är en fysisk storhet som bestämmer graden av påverkan av yttre krafter på rörelsen i en sluten krets av laddningsbärare. Med andra ord, hur starkt strömmen tenderar att flyta genom ledaren kommer att bero på EMF.

När man förklarar sådana obegripliga fenomen, gillar inhemska skollärare att vända sig till metoden för hydrauliska analogier. Om en ledare är ett rör och elektrisk ström är mängden vatten som strömmar genom den, så är EMF det tryck som en pump utvecklar för att pumpa vätska.

Termen elektromotorisk kraft är relaterad till ett sådant begrepp som spänning. Hon, EMF, mäts också i volt (enhet - "V"). Varje strömkälla, vare sig det är ett batteri, en generator eller en solpanel, har sin egen elektromotoriska kraft. Ofta är denna EMF nära utgångsspänningen (U), men alltid något mindre än den. Detta orsakas av källans inre motstånd, på vilken en del av spänningen oundvikligen sjunker.

Av denna anledning är den ideala källan till EMF snarare ett abstrakt koncept eller en fysisk modell som inte har någon plats i den verkliga världen, eftersom det interna motståndet hos batteriet Rin, även om det är mycket lågt, fortfarande skiljer sig från absolut noll.

Idealisk och verklig källa till emf

I differentiell form

Formeln presenteras mycket ofta i en differentiell form, eftersom ledaren vanligtvis är inhomogen och det kommer att vara nödvändigt att dela upp den i minsta möjliga sektioner. Strömmen som passerar genom den är associerad med storlek och riktning, så den anses vara en skalär kvantitet. Närhelst den resulterande strömmen genom en tråd ska hittas, tas den algebraiska summan av alla individuella strömmar. Eftersom denna regel endast gäller skalära storheter, tas även strömmen som en skalär kvantitet. Det är känt att strömmen dI = jdS går genom sektionen. Spänningen på den är lika med Edl, sedan för en tråd med konstant tvärsnitt och lika längd kommer förhållandet att vara sant:

Differentiell form

Därför kommer uttrycket av strömmen i vektorform att vara: j = E.

Viktig! När det gäller metalliska ledare minskar konduktiviteten med ökande temperatur, medan den för halvledare ökar. Omovs lag visar inte på strikt proportionalitet

Motståndet hos en stor grupp metaller och legeringar försvinner vid en temperatur nära absolut noll, och processen kallas supraledning.