Замкнутая цепь содержит: источник тока, сопротивления (потреби тока), приборы для контроля характеристик тока, провода, ключ. Приме может служить цепь, приведенная на рис.5. По отношению к источнику можно выделит внешнюю цепь, содержащую элементы, находящиеся данного источника, если проследить за током от одной его клеммы другой, и внутреннюю, к которой относят проводящую среду внутри источника обозначим сопротивление внешней цепи через R , внутреннее сопротивление источника r . Тогда ток в цепи определяется по закону для замкнутой цепи, который гласит, что ток в замкнутой цепи прямо пропорционален величине ЭДС и обратно пропорционален сумме внутреннего и внешнего сопротивления цепи, т.е.
Из этого закона вытекают следующие частные случаи:
Если R стремится к нулю (т.е. R << r ), то ток I стремится к максимально
возможному значению I к.з = , называемому током короткого
замыкания. Этот ток опасен для источников, поскольку вызывает перегрев источника и необратимые изменения проводящей среды внутри него.
Если R стремится к бесконечно большой величине (т.е. при условии, что R >> r ), ток I уменьшается, и падение напряжения внутри источника Ir становится намного меньше IR , следовательно IR . Значит, величину ЭДС источника можно практически измерить с помощью вольтметра, присоединенного к клеммам источника при условии, что сопротивление вольтметра R V >> r при разомкнутой внешней цепи.
Распределение энергии при работе источника постоянного тока
Пусть источник постоянного тока имеет ЭДС и внутреннее
сопротивление r и замкнут на сопротивление внешней нагрузки R .
Проанализируем несколько величин, характеризующих распределение энергии при работе источника постоянного тока.
а) Затраченная источником мощность Р.
Работа, совершаемая сторонними силами в замкнутой цепи по
перемещению заряда dq , равна:
dA = dq (9)
Исходя из определения, мощность, развиваемая сторонними силами в
источнике, равна:
(10)
Эта мощность расходуется источником во внешней и внутренней по отношению к источнику частях цепи. Используя закон Ома для замкнутой цепи, можно затраченную мощность представить в виде:
Если сопротивление нагрузки R уменьшается, стремясь к нулю, то Р зат P max = Если R увеличивается, стремясь в бесконечность, то Р зат . График зависимости затраченной сторонними силами мощности Р зат от величины внешнего сопротивления R показан на рисунке 5.
б) Полезная мощность Р под : _
Полезной по отношению к источнику мощностью Р под считается мощность, расходуемая источником во внешней цепи, т.е. на внешней нагрузке. Она равна:
Пользуясь законом Ома для замкнутой цепи, или заменив в последнем выражении I на /(R + r ), можно представить в виде
(13)
Если числитель и знаменатель этого выражения разделить на R , то получится выражение
(13a)
наглядно демонстрирующее то, что Р пол стремится к нулю как при уменьшении R до нуля, так и при его бесконечном увеличении, т.к. в обоих случаях знаменатель этого выражения стремится к бесконечности. Это означает, что при некотором оптимальном значении R полезная мощность достигает максимального значения
Определить оптимальное значение R , а также и значение , можно, приравняв нулю первую производную функции Р поя = f (R ) пo R :
(14)
Как видно, полученное равенство соблюдается при условии
Соединенный проводами с различными электроприборами и потребителями электри-ческой энергии, образует электрическую цепь.
Электрическую цепь принято изображать с помощью схем, в которых элементы электрической цепи (сопротивления , источники тока, включатели, лампы, при-боры и т. д.) обозначены специальными значками.
Направление тока в цепи — это направление от положи-тельного полюса источника тока к отрицательному. Это пра-вило было установлено в XIX в. и с тех пор соблюдается. Перемещение реальных зарядов может не совпадать с ус-ловным направлением тока. Так, в металлах носителями тока являются отрицательно заряжен-ные электроны, и движутся они от отрицательного полюса к положительному, т. е. в обратном направлении. В электролитах реальное перемещение зарядов может совпадать или быть противоположным направлению тока, в зависимости от того, какие ионы являются носителями заря-да — положительные или отрицательные.
Включение элементов в электрическую цепь может быть последовательным или параллельным .
Закон Ома для полной цепи.
Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника тока и ре-зистора R .
Закон Ома для полной цепи устанавливает связь между силой тока в цепи, ЭДС и полным сопротивлением цепи, состоя-щим из внешнего сопротивления R и внутреннего сопротивления источ-ника тока r .
Работа сторонних сил A ст источника тока, согласно определению ЭДС (ɛ ) равна A ст = ɛq , где q — заряд , перемещенный ЭДС. Согласно определе-нию тока q = It , где t — время, в течение которого переносился заряд. Отсюда имеем:
A ст = ɛ It .
Тепло, выделяемое при совершении работы в цепи, согласно закону Джоуля — Ленца , равно:
Q = I 2 Rt + I 2 rt .
Согласно закону сохранения энергии А = Q . Приравнивая (A ст = ɛ It ) и (Q = I 2 Rt + I 2 rt ), получим:
ɛ = IR + Ir.
Закон Ома для замкнутой цепи обычно записывается в виде:
.
Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.
Если цепь содержит несколько последовательно соединенных ис-точников с ЭДС ɛ 1 , ɛ 2 , ɛ 3 и т. д., то полная ЭДС цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных источников. Знак ЭДС источника определяется по отношению к направлению обхода контура, который выбирается произвольно, например, на рисунке ниже — против часовой стрелки.
Сторонние силы внутри источника совершают при этом по-ложительную работу . И наоборот, для цепи справедливо следующее уравнение:
ɛ = ɛ 1 + ɛ 2 + ɛ 3 = | ɛ 1 | - | ɛ 2 | -| ɛ 3 | .
В соответствии с сила тока положительна при положительной ЭДС — направление тока во внешней цепи совпадает с направлением обхода контура. Полное сопротивление цепи с несколькими источниками равно сумме внешнего и внутренних сопротивлений всех источников ЭДС, например, для рисунка выше:
R n = R + r 1 + r 2 + r 3 .
Рассмотрим простейшую замкнутую цепь, состоящую из источника (гальванического элемента, аккумулятора или генератора)
и резистора сопротивлением (рис. 161). Источник тока имеет и сопротивление Сопротивление источника часто называют внутренним сопротивлением в отличие от внешнего сопротивления цепи. В генераторе это сопротивление обмоток, а в гальваническом элементе - сопротивление раствора электролита и электродов
Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление цепи. Эта связь может быть установлена теоретически, если использовать закон сохранения энергии и закон Джоуля - Ленца (9.17).
Пусть за время через поперечное сечение проводника пройдет заряд Тогда работу сторонних сил по перемещению заряда можно записать так: Согласно определению силы тока Поэтому
При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых и выделяется некоторое количество теплоты. По закону Джоуля - Ленца оно равно:
Согласно закону сохранения энергии Приравнивая (9.20) и (9.21), получим:
Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи.
Обычно закон Ома для замкнутой цепи записывают в форме:
Сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.
Сила тока зависит от трех величин: сопротивлений и внешнего и внутреннего участков цепи. Внутреннее сопротивление источника тока не оказывает заметного влияния на силу тока, если оно мало по сравнению с сопротивлением внешней части цепи При этом напряжение на зажимах источника приблизительно равно
Но при коротком замыкании сила тока в цепи определяется именно внутренним сопротивлением источника и может при электродвижущей силе в несколько вольт быть очень большой, если мало (например, у аккумулятора Ом). Провода могут расплавиться, а сам источник - выйти из строя.
Если цепь содержит несколько последовательно соединенных элементов с то полная ЭДС цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных элементов. Для определения знака ЭДС любого источника нужно вначале условиться относительно выбора положительного направления обхода контура. На рисунке 162 положительным (произвольно) считает направление обхода против часовой стрелки.
Если при обходе цепи переходят от отрицательного полюса источника к положительному, то Сторонние силы внутри источника совершают при этом положительную работу. Если же при обходе цепи переходят от положительного полюса источника к отрицательному, ЭДС будет отрицательной. Сторонние силы внутри источника совершают отрицательную работу. Так, для цепи, изображенной на рисунке 162:
Если то согласно (9.23) сила тока т. е. направление тока совпадает с направлением обхода контура. При наоборот, направление тока противоположно направлению обхода контура. Полное сопротивление цепи равно сумме всех сопротивлений:
При параллельном соединении гальванических элементов с одинаковыми ЭДС (или других источников) ЭДС батареи равна ЭДС одного из элементов (рис. 163). Внутреннее же сопротивление батареи рассчитывают по обычному правилу параллельного соединения проводников. Для цепи, изображенной на рисунке 163, согласно закону Ома для замкнутой цепи сила тока определяется следующей формулой:
1. Почему электрическое поле заряженных частиц (кулоновское поле) не способно поддерживать постоянный электрический ток в цепи? 2. Что называют сторонними силами? 3. Что называют электродвижущей силой?
4. Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи. 5. От чего зависит знак ЭДС в законе Ома для замкнутой цепи?
Закон Ома
- физический закон, определяющий зависимость между электрическими величинами - напряжением, сопротивлением и током для проводников.
Впервые открыл и описал его в 1826 году немецкий физик Георг Ом, показавший (с помощью гальванометра) количественную связь между электродвижущей силой, электрическим током и свойствами проводника, как пропорциональную зависимость.
Впоследствии свойства проводника, способные противостоять электрическому току на основе этой зависимости,
стали называть электрическим сопротивлением (Resistance), обозначать в расчётах и на схемах буквой R
и измерять в Омах в честь первооткрывателя.
Сам источник электрической энергии также обладает внутренним сопротивлением, которое принято обозначать буквой r
.
Закон Ома для участка цепи
Со школьного курса физики всем хорошо известна классическая трактовка Закона Ома:
Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению.
Это значит, если к концам проводника сопротивлением R = 1 Ом приложено напряжение U = 1 Вольт, тогда величина тока I в проводнике будет равна 1/1 = 1 Ампер.
Отсюда следуют ещё два полезных соотношения:
Если в проводнике, сопротивлением 1 Ом, протекает ток 1 Ампер, значит на концах проводника напряжение 1 Вольт (падение напряжения).
Если на концах проводника есть напряжение 1 Вольт и по нему протекает ток 1 Ампер, значит сопротивление проводника равно 1 Ом.
Вышеописанные формулы в таком виде могут быть применимы для переменного тока лишь в том случае, если цепь состоит только из активного сопротивления R
.
Кроме того, следует помнить, что Закон Ома справедлив только для линейных элементов цепи.
Предлагается простой Онлайн-калькулятор для практических расчётов.
Закон Ома. Расчёт напряжения, сопротивления, тока, мощности.
После сброса ввести два любых известных параметра.
Закон Ома для замкнутой цепи
Если к источнику питания подключить внешнюю цепь сопротивлением R , в цепи пойдёт ток с учётом внутреннего сопротивления источника:
I
- Сила тока в цепи.
- Электродвижущая сила (ЭДС) - величина напряжения источника питания не зависящая от внешней цепи (без нагрузки).
Характеризуется потенциальной энергией источника.
r
- Внутреннее сопротивление источника питания.
Для электродвижущей силы внешнеее сопротивление R и внутреннее r соединены последовательно, значит величина тока в цепи определится значением ЭДС и суммой сопротивлений: I = /(R+r) .
Напряжение на выводах внешней цепи определится исходя из силы тока и сопротивления R
соотношением, которое уже рассматривалось выше:
U = IR
.
Напряжение U
, при подключении нагрузки R
, всегда будет меньше чем ЭДС на величину произведения I*r
, которую называют падением напряжения на внутреннем сопротивлении источника питания.
С этим явлением мы сталкиваемся достаточно часто, когда видим в работе частично разряженные батарейки или аккумуляторы.
По мере разряда, увеличивается их внутреннее сопротивление, следовательно, увеличивается падение напряжение внутри источника,
значит уменьшается внешнее напряжение U
= - I*r
.
Чем меньше ток и внутреннее сопротивление источника, тем ближе по значению его ЭДС и напряжение на его выводах U
.
Если ток в цепи равен нулю, следовательно, = U
. Цепь разомкнута, ЭДС источника равна напряжению на его выводах.
В случаях, когда внутренним сопротивлением источника можно пренебречь (r
≈ 0), напряжение на выводах источника будет равно ЭДС ( ≈ U
)
независимо от сопротивления внешней цепи R
.
Такой источник питания называют источником напряжения
.
Закон Ома для переменного тока
При наличии индуктивности или ёмкости в цепи переменного тока необходимо учитывать их реактивное сопротивление.
В таком случае запись Закона Ома будет иметь вид:
Здесь Z
- полное (комплексное) сопротивление цепи - импеданс
. В него входит активная R
и реактивная X
составляющие.
Реактивное сопротивление зависит от номиналов реактивных элементов, от частоты и формы тока в цепи.
Более подробно ознакомится с комплексным сопротивлением можно на страничке импеданс .
С учётом сдвига фаз φ
, созданного реактивными элементами, для синусоидального переменного тока обычно записывают Закон Ома в комплексной форме
:
Комплексная амплитуда тока.
= I amp e jφ
- комплексная амплитуда напряжения.
= U amp e jφ
- комплексное сопротивление. Импеданс.
φ
- угол сдвига фаз между током и напряжением.
e
- константа, основание натурального логарифма.
j
- мнимая единица.
I amp , U amp
- амплитудные значения синусоидального тока и напряжения.
Нелинейные элементы и цепи
Закон Ома не является фундаментальным законом природы и может быть применим в ограниченных случаях, например, для большинства проводников.
Его невозможно использовать для расчёта напряжения и тока в полупроводниковых или электровакуумных приборах, где эта зависимость не является пропорциональной и её можно определять только с помощью вольтамперной характеристики (ВАХ). К данной категории элементов относятся все полупроводниковые приборы (диоды, транзисторы, стабилитроны, тиристоры, варикапы и т.д.) и электронные лампы.
Такие элементы и цепи, в которых они используются, называют нелинейными.
Закон ома для замкнутой цепи говорит о том что. Величина тока в замкнутой цепи, которая состоит из источника тока обладающего внутренним сопротивлением, а также внешним нагрузочным сопротивлением. Будет равна отношению электродвижущей силы источника к сумме внешнего и внутреннего сопротивлений.
Формула 1 — Закон Ома для замкнутой цепи
Где R Сопротивление внешней цепи измеряется в Омах
r внутреннее сопротивление источника тока также измеряется в Омах
I Сила тока в цепи. Измеряется в Амперах
E Электродвижущая сила источника тока измеряется в Вольтах
Иногда возникают ситуации, когда необходимо найти силу тока в цепи, но при этом напряжение на ее концах не задано. Но всё же известно сопротивление цепи и электродвижущая сила источника тока. Применить в этом случае закон Ома для участка цепи невозможно.
В этом случае применяют закон Ома для замкнутой цепи. Для пояснения принципа действия этого закона проведем опыт. Для этого нам понадобится источник тока реостат вольтметр и амперметр.
Для начала построим цепь, состоящую из источника тока реостата и амперметра. Перед началом эксперимента реостат выведем в максимальное положение. После включения в цепи появится ток, который можно наблюдать по амперметру. Двигая ползунок реостата увидим, что при изменении внешнего сопротивления цепи изменяется ток.
Рисунок 1 — измерение тока в цепи
Далее оставив на реостате определённое сопротивление, подключим параллельно источнику тока еще один такой же. И мы увидим, что ток в цепи увеличится. Казалось бы, оба источника имеют одно и то же напряжение сопротивление внешней цепи не изменилось, почему же увеличился ток.
Произошло это по тому, что уменьшилось внутренне сопротивление источника тока. А поскольку в замкнутой цепи оно включено последовательно с внешним сопротивлением и источником тока. То это внутренне сопротивление также участвует в формировании тока в цепи.
Формула 2 — закон Ома для замкнутой цепи с n количеством параллельно включенных источников тока.
Исходя из выше сказанного, можно заключить, что в реальной замкнутой электрической цепи величина тока не способна возрасти бесконечно при возникновении короткого замыкания в источнике тока, так как эту величину ограничивает внутренне сопротивление источника тока.