Определение закона ома, применяющегося для полной цепи

Как трактуется правило Ома

Так как обобщённая формула ома не считается основополагающей, правило применяется для описания разновидностей проводников в условиях приближения незначительной частоты, плотности тока и напряжения электрополя. Следует отметить, что в ряде случаев как первый закон, так и второй закон, применяемый для полной цепи, не соблюдаются.

Существует теория Друде, для выражения которой используются следующие величины:

• удельная электропроводимость;
• концентрированное размещение электронов;
• показатель элементарного заряда;
• время затихания по импульсам;
• эффективная масса электрона.

Перечень условий, при которых становится невозможным соблюдения правила Ома:

1. высокие частоты с чрезмерно большой скоростью изменения электротока;
2. пониженная температура сверхпроводимого вещества;
3. перегрев проводника проходящим электротоком;
4. в ситуации пробоя, возникшего в результате подсоединения к проводниковому элементу высокого напряжения;
5. в вакуумной или газонаполненной электролампе;
6. для гетерогенного полупроводникового прибора;
7. при образовании пространственного диэлектрического заряда в контакте металлического диэлектрика.

Зеленый тариф на электроэнергию

Для начала рассмотрим, что собой представляет зеленый тариф для возобновляемых источников электроэнергию. Этот тариф подразумевает покупку государством электрической энергии у частных лиц, а также коммерческих организаций. Электроэнергия должна быть произведена из возобновляемых источников энергии: солнца, воды, ветра и т.д. За продажу электричества государству частное лицо получает вознаграждение, это и завлекает многих хозяев частных жилых домов.

Дело в том, что на Украине зеленый тариф уже внедрен и активно используется гражданами. А вот Россия только приходит к этому. Итак, остановимся подробнее на данном вопросе.

Закон сохранения механической энергии

Е_k1+ Е_п1 = Е_k2+ Е_п2

Любое физическое тело, находящееся на какой-то высоте, имеет потенциальную энергию. Но при падении оно эту энергию начинает терять. Куда же она девается? Оказывается, она никуда не исчезает, а превращается в кинетическую энергию этого же тела.

Предположим, на какой-то высоте неподвижно закреплён груз. Его потенциальная энергия в этой точке равна максимальному значению. Если мы отпустим его, он начнёт падать с определённой скоростью. Следовательно, начнёт приобретать кинетическую энергию. Но одновременно начнёт уменьшаться его потенциальная энергия. В точке падения кинетическая энергия тела достигнет максимума, а потенциальная уменьшится до нуля.

Потенциальная энергия мяча, брошенного с высоты, уменьшается, а кинетическая энергия возрастает. Санки, находящиеся в состоянии покоя на вершине горы, обладают потенциальной энергией. Их кинетическая энергия в этот момент равна нулю. Но когда они начнут катиться вниз, кинетическая энергия будет увеличиваться, а потенциальная уменьшаться на такую же величину. А сумма их значений останется неизменной. Потенциальная энергия яблока, висящего на дереве, при падении превращается в его кинетическую энергию.

Эти примеры наглядно подтверждают закон сохранения энергии, который говорит о том, что полная энергия механической системы является величиной постоянной. Величина полной энергии системы не меняется, а потенциальная энергия переходит в кинетическую и наоборот.

На какую величину уменьшится потенциальная энергия, на такую же увеличится кинетическая. Их сумма не изменится.

Для замкнутой системы физических тел справедливо равенствоE_k1 + E_п1 = E_k2 + E_п2, где E_k1, E_п1 — кинетическая и потенциальная энергии системы до какого-либо взаимодействия, E_k2 , E_п2 — соответствующие энергии после него.

Процесс преобразования кинетической энергии в потенциальную и наоборот можно увидеть, наблюдая за раскачивающимся маятником.

Нажать на картинку

Находясь в крайне правом положении, маятник словно замирает. В этот момент его высота над точкой отсчёта максимальна. Следовательно, максимальна и потенциальная энергия. А кинетическая равна нулю, так как он не движется. Но в следующее мгновение маятник начинает движение вниз. Возрастает его скорость, а, значит, увеличивается кинетическая энергия. Но уменьшается высота, уменьшается и потенциальная энергия. В нижней точке она станет равной нулю, а кинетическая энергия достигнет максимального значения. Маятник пролетит эту точку и начнёт подниматься вверх налево. Начнёт увеличиваться его потенциальная энергия, а кинетическая будет уменьшаться. И т.д.

Для демонстрации превращений энергии Исаак Ньютон придумал механическую систему, которую называют колыбелью Ньютона или шарами Ньютона.

Нажать на картинку

Если отклонить в сторону, а затем отпустить первый шар, то его энергия и импульс передадутся последнему через три промежуточных шара, которые останутся неподвижными. А последний шар отклонится с такой же скоростью и поднимется на такую же высоту, что и первый. Затем последний шар передаст свою энергию и импульс через промежуточные шары первому и т. д.

Шар, отведенный в сторону, обладает максимальной потенциальной энергией. Его кинетическая энергия в этот момент нулевая. Начав движение, он теряет потенциальную энергию и приобретает кинетическую, которая в момент столкновения со вторым шаром достигает максимума, а потенциальная становится равной нулю. Далее кинетическая энергия передаётся второму, затем третьему, четвёртому и пятому шарам. Последний, получив кинетическую энергию, начинает двигаться и поднимается на такую же высоту, на которой находился первый шар в начале движения. Его кинетическая энергия в этот момент равна нулю, а потенциальная равна максимальному значению. Далее он начинает падать и точно так же передаёт энергию шарам в обратной последовательности.

Так продолжается довольно долго и могло бы продолжаться до бесконечности, если бы не существовало неконсервативных сил. Но в реальности в системе действуют диссипативные силы, под действием которых шары теряют свою энергию. Постепенно уменьшается их скорость и амплитуда. И, в конце концов, они останавливаются. Это подтверждает, что закон сохранения энергии выполняется только в отсутствии неконсервативных сил.

• < Назад
• Вперёд >

Закон кирхгофа для электрической цепи для чайников

По каждому проводнику, составляющему электрическую цепь, течет ток. В точке, где проводники сходятся, называемой узлом, справедливо правило: ток суммарный, подтекающий к нему, равняется сумме, оттекающих.

{ ArticleToC: enabled=yes }

Законы кирхгофа

Другими словами – сколько зарядов подтечет к этой точке за единицу времени, столько же оттечет. Если принять, что приходящий будет «+», а оттекающий – «-», то суммарная его величина будет нулевой.

Это и есть Первый закон кирхгофа для электрической цепи. Смысл его в том состоит, что заряд не накапливается.

Закон Второй, применим к цепи электрической разветвленной.

История

Пополнил ряды немецких ученых Кирхгоф в девятнадцатом столетии, когда в стране, находившаяся на пороге революции индустриальной, требовались новейших технологии. Ученые занимались поиском решений, которые могли бы ускорить развитие промышленности.

Активно занимались исследованиями в области электричества, поскольку понимали, что в будущем оно будет широко использоваться. Проблема состояла на тот момент не в том, как составлять электрические цепи из возможных элементов, а в проведении математических вычислений. Тут и появились законы, сформулированные физиком. Они очень помогли.

К узлу подходят 2 провода, а отходит один. Значение тока, текущего от узла, такое же, как сумма его, протекающего по двум остальным проводникам, т.е. идущим к нему. Правило Кирхгофа объясняет, что, при ином раскладе, накапливался бы заряд, но такого не бывает. Все знают, что всякую сложную цепь легко разделить на отдельные участки.

Но, при этом непросто определить путь, по которому он проходит. Тем более, что на различных участках сопротивления не одинаковы, поэтому и распределение энергии не будет равномерным.

В соответствие со Вторым правилом Кирхгофа, энергия электронов на каждом из замкнутых участков электрической цепи равняется нулю – нулю равняется всегда в таком контуре суммарное значение напряжений. Если бы нарушилось данное правило, энергия электронов при прохождении определенных участков, уменьшалась бы или увеличивалась. Но, этого не наблюдается.

Применение

Формула Первого закона такова:

Для схемы, приведенной ниже, справедливо:

I1 — I2 + I3 — I4 + I5 = 0

Плюсовые — это токи, идущие к точке, а те, что выходят из нее «-».

Записывается это так:

• k — количество ЭДС источников;
• m – ветви замкнутого контура;
• Ii,Ri – их сопротивление i-й и ток.

В данной схеме: Е1 — Е2 + Е3 = I1R1 — I2R2 + I3R3 — I4R4.

• ЭДС принимается «+» при совпадении ее направления с выбранным направлением обхода.
• При совпадении направления тока и обхода на резисторе, с плюсом будет также напряжение.

Расчет цепи

Проще говоря, количество ветвей совпадать должно с неизвестными величинами в системе. Вначале записывают их, исходя из первого правила: число их идентично с количеством узлов.

Но, независимыми будут (y – 1) выражений. Обеспечивается это выбором, а происходит он так, чтобы разнились они (последующий со смежными) минимум одной ветвью.

Далее, составляются уравнения с использованием второго закона: b — (y — 1) = b — y +1.

Независимым считают контур, содержащий одну (или больше) ветвь, которая в другие не входит.

В качестве примера можно рассмотреть такую схему:

Сдержит она:

узлов – 4;

ветвей –6.

По Первому закону записывают три выражения, т.е. y — 1 = 4 – 1=3.

И столько же на основании Второго, поскольку b — y + 1 = 6 — 4 + 1 = 3.

В ветвях выбирают плюсовое направление и путь обхода (у нас — по стрелке часовой).

Получается:

Осталось относительно токов решить получившуюся систему, понимая, что, когда в процессе решения он получается отрицательным, это свидетельствует о том, что направлен он будет в противоположную сторону.

Правило Кирхгофа применительно к синусоидальным токам

Правила для синусоидального, такие же, как для тока постоянного. Правда, учитываются величины напряжений с комплексными токами.

Первое звучит: «в электрической цепи нулю равна сумма алгебраическая комплексных токов в узле».

Второе правило выглядит так: «алгебраическая сумма ЭДС комплексных в контуре замкнутом равняется сумме алгебраической значений комплексных напряжений, имеющихся на пассивных составляющих данного контура.

Видео: Законы Кирхгофа

Импеданс цепи

Немецкий физик, проводя эксперименты, смог обнаружить зависимость между током и напряжением. Их связь определялась через постоянную величину, которая после была названа сопротивлением. Так, формула закона Ома для полной цепи может быть записана в виде выражения:

I = E/Z, где:

• I — сила тока цепи;
• E — электродвижущая сила, приложенная к цепи;
• Z — постоянная величина (полное сопротивление).

Полное сопротивление (импеданс) электрической цепи важный параметр, определяющий силу тока и полезную мощность. Состоит она из нескольких составляющих: внутреннего сопротивления источника тока и сопротивления элементов, из которых состоит схема.

Активная составляющая

Такое сопротивление называется активным, так как оно забирает на себя часть мощности, поступающей от источника питания. Эта забираемая энергия, проходя через проводник, превращается в тепло. При этом можно обнаружить, что если проводник подключить к переменному источнику сигнала, то его сопротивление будет немного больше. Связано это с тем, что индуцируемая ЭДС в материале в любой его точке неодинаковая. Ближе к центру она будет больше, чем у поверхности. То есть при переменном сигнале как бы происходит уменьшение полезного сечения проводника.

Сопротивление зависит от физических параметров материала. Математически это может быть описано выражением: R = p*L/S, где L — длина проводника, S — поперечное сечение, p — удельное сопротивление (табличное значение). Активное сопротивление слабо зависит от частоты сигнала, но при его увеличении возрастает.

Реактивное сопротивление

Индуктивное сопротивление связано с ЭДС самоиндукции. При протекании через элемент, обладающий индуктивностью, переменного тока, возникает магнитное поле, создающее ЭДС. Эта сила противодействует внешнему полю и препятствует его распространению. Затрачиваемая энергия увеличивает мощность магнитного поля. Как только ток уменьшается, значение магнитного поля начинает тоже снижаться, индуцируя ток самоиндукции. Его направление совпадает с убывающим током. В результате энергия, отобранная магнитным полем, начинает отдаваться обратно в цепь. То есть фактически, в отличие от активного сопротивления, потерь энергии не возникает.

Величина индуктивного сопротивления находится по формуле X L = 2 p * f * L, где: f — частота сигнала, L — значение индуктивности. Напряжение, приложенное к индуктивности и ток, поступающий от источника энергии, сдвинуты относительно друг друга по фазе на 90, при этом ток отстаёт от напряжения.

Ёмкостное же сопротивление обусловлено возникновением электродвижущей силы. При прохождении через ёмкость энергия, поступающая от источника питания должна преодолеть ёмкостное сопротивление, затрачивая часть мощности для её заряда. Но как только подаваемый сигнал изменит знак, весь накопленный заряд ёмкостью начнёт возвращаться в цепь, увеличивая энергию электрического поля.

Другими словами, ёмкость становится источником ЭДС. Ёмкостное сопротивление описывается выражением: X c = 1/ (2 p * f * C), где: C — величина ёмкости. При таком роде сопротивления ток будет опережать напряжение по фазе на 90.

Таким образом, реактивное сопротивление зависит от частоты сигнала. Общий же импеданс определяется не как сумма всех сопротивлений, а по формуле Z = (R2+ X l2+ X c2)½.