Как найти напряжение на участке цепи?

Закон Ома для участка цепи: формула, сила тока на цепи

Закон Ома связывает сопротивление цепи с напряжением и током. Применение правил цепи этого закона дает возможность определить показатели для проектирования электроцепей. Электричество течет через материал, переносимый электронами, крошечными заряженными частицами внутри атомов. В металлах атомы заключены в твердую кристаллическую структуру. Хотя большинство электронов внутри этих атомов зафиксированы, некоторые могут проникать сквозь нее. Металлы оказывающие относительно небольшое сопротивление походящим через него электронам являются хорошими проводниками.

Формулировка закона

Закон относится к базовому положению в электротехнике.

Формула Ома для участка цепи:

V = IR, где:

• V — напряжение между 2-мя точками, В;
• R — сопротивление, свойство материала, используемого для описания противодействия потоку тока, Ом;
• I — сила тока на участке цепи — поток электронов или электронно-дефицитных атомов, определяемая в А.

Закон Ома

Преобразование пропорциональности в уравнение, приводит к постоянной «R» — сопротивлению.

Зависимость тока и сопротивления

В 1-м случае, закон Ома для участка цепи выражается формулой: I = V/R, понятно, что электроток рассчитывают делением V на R. 2-й вариант утверждает, что V рассчитывают, если известны I и R в цепи. Из уравнения очевидно, что если растут I или R, в то время как другой не изменяется, напряжение также должно возрасти.

Зависимость тока и напряжения

Третий вариант подтверждает, что можно рассчитать R в цепи, перед тем, как найти сопротивление участка цепи по формуле нужно знать два других показателя. Если ток поддерживается постоянным, то рост напряжения приведет к увеличению сопротивления.

Замкнутая сеть

Для замкнутой цепи

Замкнутая цепь означает закрытое электросоединение, по которому циркулирует ток. Когда существует ряд проводов, соединяющих друг с другом и замыкающих цепь так, что I проходит от одного конца круга к другому, это будет замкнутая цепь.

ЭДС (Е) — обозначается и измеряется в вольтах и имеет отношение к напряжению, генерируемому батареей или магнитной силой по закону Фарадея, утверждающего, что изменяющееся во времени магнитное поле будет индуцировать электроток.

Тогда: Е = IR + Ir

Е = I(R + r)

I = Е/(R + r)

Где: r — сопротивление источника тока.

Это выражение известно, как закон Ома цепей с замкнутым контуром.

Неоднородная цепь

Для неоднородного участка цепи

Возможно применение омовских расчетов для неоднородных цепей:

I = (V+E)/R=VAB/R

Если Еcт и Екул совпадут по направлению — ЭДС и напряжение будут иметь одинаковый знак.
Фактически в замкнутом участке сети V=0, поскольку кулоновское поле неактивно.

Вам это будет интересно  Особенности конденсатора

В связи с чем: I = E /(R+r), где: r — показатель относится источнику тока.

В дифференциальной форме

Формулу очень часто представляют в дифференциальном виде, поскольку проводник обычно неоднородный и потребуется разбить его на минимально возможные участки. Ток, проходящий через него, связан с величиной и направлением, поэтому считается скалярной величиной.

Всякий раз, когда нужно найти результирующий ток через провод, берут алгебраическую сумму всех отдельных токов. Поскольку это правило действует только для скалярных величин, ток принимают также в качестве скалярной величины. Известно, через сечение проходит ток dI = jdS.

Напряженье, на нем равняется Еdl, тогда для провода с постоянным сечением и равной протяженности будет верно соотношение:

Дифференциальная форма

Поэтому, выражение тока в векторном виде будет: j = E.

Важно! В случае металлических проводников с ростом температуры проводимость падает, а для полупроводников — растет. Омовский закон не демонстрирует строгую пропорциональность. Сопротивление большой группы металлов и сплавов исчезает при температуре, близкой к абсолютному нулю, а процесс называется сверхпроводимостью.

Для переменного тока

Нужно понимать, что закон не применим напрямую к переменным цепям, например, с катушками индуктивности, конденсаторами или линиям передач. Закон может использоваться только для чисто резистивных цепей переменного тока без каких-либо изменений. В цепи RLC противодействие току является импедансом Z, который образует комбинацию двух ортогональных частей сопротивления.

Переменный ток

Im=Vm/Z

В этом случае Vm связано с Im с помощью константы пропорциональности Z (импеданса) и константы пропорциональности R. Для чисто резистивных линий, где (Z = R).

Vm = ImZ и Vm = ImR

Z — это общее сопротивление участка к переменному току, состоящее из реальной части — сопротивления и мнимой — реактивности.

Формула ее определяется теоремой Пифагора, поскольку угол Ф зависит от реактивной составляющей.

Интегральная форма

В интегральной форме

Данную форму можно получить из дифференциального выражения с использованием
теоремы Гаусса (дивергенции) к закону сохранения заряда. Для того чтобы вывести интегральный закон Ома для конкретной неоднородного проводника, показывают направление вектора плотности I, сам I и потенциалы на входе/ выходе.

Участок с положительной ЭДС (Е) источник, а с отрицательной — потребитель. Поэтому в записи закона Ома, его нужно писать в арифметическом выражении:

I = Е/(r + R).

Единицы измерения

При выполнении расчетов по закону Ома используют совместимые единицы в СИ. Если отличны от «Ом»- для сопротивления, «Ампер» — для тока и «Вольт» — для напряжения, то перед выполнением расчетов выполняют преобразование единиц измерения. Например, килоомы должны быть переведены в омы, а микроамперы — в амперы.

Сопротивление — это свойство любого объекта или материала сопротивляться, или противостоять потоку электротока. Единицей его принят «Ом». Аббревиатура для электросопротивления — R, а символ — греческая буква омега. Для некоторых электрорасчетов используется его обратная величина проводимость — 1/R, символ, которой имеет обратное значение омеги.

Вам это будет интересно  Что такое удельное сопротивление

Вольт — это энергия в 1 Дж, потребляемая, когда в цепи протекает электрозаряд в 1 кулон: 1 В = 1 Дж / 1С.
Ампер измеряет количество электрического заряда, который течет в электроцепи за 1 секунду: 1А = 1С / 1сек.

Треугольник Ома

Взаимосвязь между величинами легко получить по треугольнику Ома. Это простой способ запомнить отношения напряжения, тока и сопротивления. Он служит уловкой, чтобы найти любую из трех величин, учитывая, что две другие известны.

При этом величины U, I и R расположены в виде треугольника, как показано на рисунке выше. Напряжение (U) находится наверху, а две другие величины, то есть ток (I) и сопротивление ®, расположены ниже рядом друг с другом горизонтально. Разделение между верхней и нижней частями указывает на деление, а линия, разделяющая левую и правую части на умножение.

I — сила тока

Единица тока — количества заряда ©, которое перемещается за единицу времени. Ампер (A) является общей единицей тока, равной 1 С/сек, а символом его — «I». Ток — внутреннее свойство, поскольку зависит от других аспектов, таких как размер системы. Чтобы точно сравнить величину тока для разных систем, ток нормализуется по площади или массе системы. Это описано следующими выражениями:

J = I / S;
J = I / m

Где:

• J — плотность тока в мм2 или гр;
• I — сила тока (A);
• S — площадь сечения провода мм2;
• m — масса (гр).

Обратите внимание! Часто «J» используется как ток вместо «I». Для того чтобы предотвратить путаницу с мнимыми числами, нужно уточнять символы, так как они могут варьироваться в зависимости от конкретного случая.

U — напряжение

Напряжение является еще одной важной единицей закона Ома, которая устанавливает объем работы, необходимой для перемещения заряда. Напряжение «V» измеряет электрический потенциал «Вольт», которым объект обладает по отношению к заряду. Подавая напряжение, выполняется работа, которая обеспечивает движение заряда. Количество заряда, известный как точечный заряд, его определение может быть выполнено следующим образом:

V = kq / (r • r), где:

• V — электрический потенциал (V);
• k — кулоновская постоянная = 8,99 × 10 9Н • м 2 • С −2;
• q — заряд точки©;
• r — расстояние от точечного заряда (м).

Вам это будет интересно  Измерение изоляции

R — электрическое сопротивление

Сопротивление — величина обратная напряжению, ее можно сравнить с эффектом перемещения тела против движения в проточной воде. Единицей R принят «Ом», который обозначается заглавной греческой буквой «Омега».

Обратная величина сопротивления (1 /R) известна как проводимость, которая измеряет способность объекта проводить заряд, выраженную в единицах Siemens.

Используемая геометрически независимая величина называется удельным сопротивлением и обычно обозначается греческим символом r.

Дополнительная информация. Закон Ома помогает установить три важные показателя работы электросети, что упрощает расчет мощности. Он не применим к односторонним сетям имеющих такие элементы, как диод, транзистор и аналогичные им. И также он не применим к нелинейным элементам, примерами которых являются тиристоры, поскольку значение сопротивления этих элементов изменяется при разных данных напряжения и тока.

На более высоких частотах распределенное поведение становится доминирующим. То же самое происходит с очень длинными линиями электропередач. Даже на такой низкой частоте, как 60 Гц, очень длинная линия электропередачи, например, 30 км имеет распределенную природу.

Основная причина заключается в том, что действующие электрические сигналы, распространяющиеся в цепях, представляют собой электромагнитные волны, а не вольт и ампер, которые инфицируются электромагнитной волной. Проводники просто действуют как направляющие для волн.

Так, например, коаксиальный кабель будет показывать Z = 75 Ом, даже если его сопротивление постоянному току незначительно.

Наиболее распространённые примеры применения закона Ома:

1. Мощность, подаваемая на электрический нагреватель. При условии сопротивления катушки нагревателя и приложенного напряжения, можно рассчитать мощность, подаваемую на этот нагреватель.
2. Выбор предохранителей. Они являются компонентами защиты, которые соединяются последовательно с электронными устройствами. Предохранители/ CB рассчитаны в амперах. Текущий рейтинг предохранителя рассчитывается по закону Ома.
3. Дизайн электронных устройств. Для электронных устройств, таких как ноутбук и мобильные телефоны, требуется источник питания постоянного тока сопределенным номинальным током. Типичные аккумуляторы для мобильных телефонов требуют 0,7-1 А. Резистор используется для контроля скорости тока, протекающего через эти компоненты. Закон Ома используется для расчета номинального тока в типовой схеме.

В свое время выводы Ома стали катализатором новых исследований в области электричества и сегодня они не утратили свою значимость, поскольку на них базируется современная электротехника. В 1841 году Ом был удостоен высшей награды Королевского общества, медали Копли, а термин «Ом» был признан единицей сопротивления еще в 1872 году.

Источник: https://rusenergetics.ru/ustroistvo/zakon-oma-dlya-uchastka-tsepi-formula

Напряжение участке электрической цепи — Студопедия

Участок электрической цепи, по которому проходит ток одного и того же значения называют ветвью.

Место соединения трех и более ветвей называют узлом.

Замкнутую электрическую цепь, образованную одной или несколькими ветвями называют контуром.

Под напряжением на некотором участке электрической цепи понимают разность потенциалов между крайними точками этого участка.

На рис. 2.1 изображен участок цепи, содержащий только резистивный элемент, крайние точки которого обозначены буквами a и b. Пусть ток направлен от точки a к точке b (от более высокого потенциала к более низкому).

Рис. 2.1

Следовательно, потенциал точки а () выше потенциала точки b () на значение, равное произведению тока на сопротивление R:

.

В соответствии с определением напряжение между точками а и b

.

Следовательно

т. е. напряжение на сопротивлении равно произведению тока, протекающего по резистивному элементу, на значение его сопротивления. Последнее выражение называют законом Ома для участка цепи.

В электротехнике разность потенциалов на концах резистивного элемента (сопротивления) называют либо напряжением на сопротивлении, либо падением напряжения. Положительное направление падения напряжения на каком-либо участке (направление отсчета этого напряжения), указываемое на рисунках стрелкой, совпадает с положительным направлением отсчета тока, протекающего по данному сопротивлению.

Рассмотрим вопрос о напряжении на участке цепи, содержащем не только резистивный элемент, но и ЭДС. На рис. 2.2 показан участок цепи, в которой существует ток . Найдем разность потенциалов (напряжение) между точками a и c для этих участков. По определению,

.

Рис. 2.2

Выразим потенциал точки а через потенциал точки f. При перемещении от точки f к точке d встречно направлению ЭДС источника Е2 (рис. 2.2) потенциал точки d оказывается ниже (меньше), чем потенциал точки f, на значение ЭДС  источника Е2. При перемещении от точки d к точке c согласно направлению ЭДС источника Е1 (рис. 2.2) потенциал точки c оказывается выше (больше), чем потенциал точки d, на значение ЭДС  источника Е1. При перемещении от точки c к точке b и далее к точке a потенциал точки a оказывается выше (больше) на величину падения напряжения на резисторах R2 и R1, соответственно, т.е.

.

Таким образом с учетом вышеизложенного:

,

напряжение на участке цепи между точками a и f равно:

В общем случае напряжение на участке цепи равно сумме падений напряжения на резистивных элементах цепи и сумме ЭДС источников.

Положительное направление напряжения  показывают стрелкой от а к f. Согласно определению , поэтому  т.е. изменение чередования (последовательности) индексов равносильно изменению знака этого напряжения.

Законы Кирхгофа

Первый закон Кирхгофа (уравнение электрического состояния для узла) можно сформулировать двояко:

1) алгебраическая сумма токов, входящих в любой узел схемы (рис.2.3,а), равна нулю:

2) сумма токов, входящих в любой узел схемы (рис.2.3,б), равна сумме токов выходящих из этого узла:

Рис.2.3,а Рис.2.3,б

Физически первый закон Кирхгофа означает, что движение зарядов в цепи происходит так, что ни в одном из узлов они не скапливаются.

Второй закон Кирхгофа (уравнение электрического состояния контура) также можно сформулировать двояко:

(в каждую из сумм соответствующие слагаемые входят со знаком плюс, если они совпадают с направлением обхода контура, и со знаком минус, если они не совпадают с ним);

2) алгебраическая сумма напряжений (не падений напряжения!) вдоль любого замкнутого контура равна нулю:

Напряжения участков цепи включают и падения напряжения на резистивных элементах и напряжения на источниках ЭДС.

Рис.2.4

Для левого контура схемы рис.2.4

или

.

Законы Кирхгофа справедливы для линейных и нелинейных цепей при любом характере изменения во времени токов и напряжений.

Параллельное и последовательное соединение двухполюсников

Последовательное соединение резистивных элементов

Результирующее падение напряжения на цепи (рис. 2.5) из n последовательно включенных резистивных элементов:

.

В цепи существует общий ток .

Рис.2.5

Для линейных резистивных элементов:

,

где эквивалентное сопротивление цепи из n последовательно соединенных резистивных элементов:

.

Для нелинейных резистивных элементов НЭ1 и НЭ2 результирующая ВАХ эквивалентного резистивного элемента определяется графическим способом (рис. 2.6).

Рис. 2.6

.

На уровне каждой из ординат откладывают найденные значения абсцисс . Результирующую ВАХ получают, проводя линию через найденные точки.

Параллельное соединение резистивных элементов

При параллельном соединении двухполюсных элементов (рис. 2.7) на их полюсах будет общее падение напряжения .

Рис.2.7

Общий ток , для n параллельно включенных двухполюсных элементов

.

Для линейных двухполюсных элементов ток через k-тый резистивный элемент , где  – проводимость k-того резистивного элемента. Таким образом общий ток

,

В частном случае для двух элементов эквивалентная проводимость , или эквивалентное сопротивление

.

Для нелинейных резистивных элементов НЭ1 и НЭ2 результирующая ВАХ эквивалентного резистивного элемента определяется графическим способом (рис. 2.8).

Рис. 2.8

В интересующем диапазоне напряжений (соответствующем участку ВАХ нелинейного элемента) задаются несколькими значениями напряжений (). Для каждого из выбранных значений напряжения, например , определяют результирующий (суммарный) ток через параллельно включенные элементы:

.

На уровне каждой из абсцисс откладывают найденные значения ординат . Результирующую ВАХ получают проводя линию через найденные точки.

Последовательное и параллельное соединение линейных индуктивных элементов

При последовательном соединении n линейных индуктивных элементов их результирующая индуктивность определяется

.

При параллельном соединении n линейных индуктивных элементов их результирующая индуктивность определяется

, или .

.

Последовательное и параллельное соединение линейных емкостных элементов

При последовательном соединении n линейных емкостных элементов их результирующая емкость определяется

, или .

При параллельном соединении n линейных емкостных элементов их результирующая емкость определяется

Источник: https://studopedia.ru/2_26281_napryazhenie-uchastke-elektricheskoy-tsepi.html

Закон Ома для участка цепи простым языком для чайников

Вся прикладная электротехника базируется на одном догмате — это закон Ома для участка цепи. Без понимания принципа этого закона невозможно приступать к практике, поскольку это приводит к многочисленным ошибкам. Имеет смысл освежить эти знания, в статье мы напомним трактовку закона, составленного Омом, для однородного и неоднородного участка и полной цепи.

Диаграмма, упрощающая запоминание

Классическая формулировка

Этот простой вариант трактовки, известный нам со школы.

Однородный открытый участок электроцепи

Формула в интегральной форме будет иметь следующий вид:

Формула в интегральной форме

То есть, поднимая напряжение, мы тем самым увеличиваем  ток. В то время, как увеличение такого параметра, как «R», ведет к снижению «I».  Естественно, что на рисунке сопротивление цепи показано одним элементом, хотя это может быть последовательное, параллельное (вплоть до произвольного)соединение нескольких проводников.

В дифференциальной форме закон мы приводить не будем, поскольку в таком виде он применяется, как правило, только в физике.

Принятые единицы измерения

Необходимо учитывать, что все расчеты должны проводиться в следующих единицах измерения:

• напряжение – в вольтах;
• ток в амперах
• сопротивление в омах.

Если вам встречаются другие величины, то их необходимо будет перевести к общепринятым.

Формулировка для полной цепи

Трактовка для полной цепи будет несколько иной, чем для участка, поскольку в законе, составленном Омом, еще учитывает параметр «r», это сопротивление источника ЭДС. На рисунке ниже проиллюстрирована подобная схема.

Схема с подключенным с источником

Учитывая «r» ЭДС, формула предстанет в следующем виде:

Заметим, если «R» сделать равным 0, то появляется возможность рассчитать «I», возникающий во время короткого замыкания.

Напряжение будет  меньше ЭДС, определить его можно по формуле:

Собственно, падение напряжения характеризуется параметром «I*r». Это свойство характерно многим гальваническим источникам питания.

Неоднородный участок цепи постоянного тока

Под таким типом подразумевается участок, где помимо электрического заряда производится воздействие других сил. Изображение такого участка показано на рисунке ниже.

Схема неоднородного участка

Формула для такого участка (обобщенный закон) будет иметь следующий вид:

Формула для неоднородного участка цепи

Переменный ток

Если в схема, подключенная к переменному току снабжена емкостью и/или индуктивностью (катушкой), расчет производится с учетом величин их реактивных сопротивлений. Упрощенный вид закона будет выглядеть следующим образом:

Где «Z» представляет  собой импеданс, это комплексная величина, состоящая из активного (R) и пассивного (Х) сопротивлений.

Практическое использование

: Закон Ома для участка цепи — практика расчета цепей.

Собственно, к любому участку цепи можно применить этот закон. Пример приведен на рисунке.

Применяем закон к любому участку цепи

Используя такой план, можно вычислить все необходимые характеристики для неразветвленного участка. Рассмотрим более детальные примеры.
Находим силу тока
Рассмотрим теперь более определенный пример, допустим, возникла необходимость узнать ток, протекающий через лампу накаливания. Условия:

• Напряжение – 220 В;
• R нити накала – 500 Ом.

Решение задачи будет выглядеть следующим образом: 220В/500Ом=0,44 А.

Рассмотрим еще одну задачу со следующими условиями:

В этом случае, в первую очередь, потребуется выполнить преобразование: 0,2 МОм = 200000 Ом,после чего можно приступать к решению: 400 В/200000 Ом=0,002 А (2 мА).
Вычисление напряжения
Для решения мы также воспользуемся законом, составленным Омом. Итак задача:

Преобразуем исходные данные:

• 20 кОм = 20000 Ом;
• 10 мА=0,01 А.

Решение: 20000 Ом х 0,01 А = 200 В.

Незабываем преобразовывать значения, поскольку довольно часто ток может быть указан в миллиамперах.

Сопротивление.

Несмотря на то, что общий вид способа для расчета параметра «R» напоминает нахождение значения «I», между этими вариантами существуют принципиальные различия. Если ток может меняться в зависимости от двух других параметров, то R (на практике) имеет постоянное значение. То есть по своей сути оно представляется в виде неизменной константы.

Если через два разных участка проходит одинаковый ток (I), в то время как приложенное напряжение (U) различается, то, опираясь на рассматриваемый нами закон, можно с уверенностью сказать, что там где низкое напряжение «R» будет наименьшим.

Рассмотрим несколько примеров.

Допустим, имеется цепь, к которой подведено напряжение U=50 В, а потребляемый ток I=100 мА. Чтобы найти недостающий параметр, следует 50 В / 0,1 А (100 мА), в итоге решением будет – 500 Ом.

Вольтамперная характеристика позволяет наглядно продемонстрировать пропорциональную (линейную) зависимость закона. На рисунке ниже составлен график для участка с сопротивлением равным одному Ому (почти как математическое представление закона Ома).

Изображение вольт-амперной характеристики, где R=1 Ом

Изображение вольт-амперной характеристики

Вертикальная ось графика отображает ток I (A), горизонтальная – напряжение U(В). Сам график представлен в виде прямой линии, которая наглядно отображает зависимость от сопротивления, которое остается неизменным. Например, при 12 В и 12 А «R» будет равно одному Ому (12 В/12 А).

Обратите внимание, что на приведенной вольтамперной характеристике отображены только положительные значения. Это указывает, что цепь рассчитана на протекание тока в одном направлении. Там где допускается обратное направление, график будет продолжен на отрицательные значения.

Заметим, что оборудование, вольт-амперная характеристика которого отображена в виде прямой линии, именуется — линейным. Этот же термин используется для обозначения и других параметров.

Помимо линейного оборудования, есть различные приборы, параметр «R» которых может меняться в зависимости от силы тока или приложенного напряжения. В этом случая для расчета зависимости нельзя использовать закон Ома. Оборудование такого типа называется нелинейным, соответственно, его вольт-амперные характеристики не будут отображены в виде прямых линий.

Вывод

Как уже упоминалось в начале статьи, вся прикладная электротехника базируется на законе, составленном Омом. Незнание этого базового догмата может привести к неправильному расчету, который, в свою очередь, станет причиной аварии.

Подготовка электриков как специалистов начинается с изучения теоретических основ электротехники. И первое, что они должны запомнить – это закон составленный Омом, поскольку на его основе производятся практически все расчеты параметров электрических цепей различного назначения.

Понимание основного закона электротехники поможет лучше разбираться в работе электрооборудования и его основных компонентов. Это положительно отразится на техническом обслуживании в процессе эксплуатации.

Источник: https://www.asutpp.ru/zakon-oma-dlya-uchastka-cepi.html