Закон Ома для участка цепи | Основа / занятие №7

Тема сегодняшнего вебинара - Закон Ома, фундаментальное понятие в физике, которое многие из вас, возможно, помнят со школьных времен. Мы будем изучать этот закон и его применение в анализе цепей.

Понимание электрического тока и закона Ома Обсуждаем важность изучения электрического тока, уделяя особое внимание закону Ома и его значению в анализе электрических цепей. Исследуем эффекты и действия, производимые постоянным потоком тока.

Практическое применение схемотехнических концепций Изучение соединений проводников, представления элементов схемы, силы тока и практического применения с помощью заданий для закрепления знаний.

Понимание электрического тока Электрический ток - это движение заряженных частиц, таких как электроны или ионы, по направленной траектории. Свободные носители заряда в металлах демонстрируют хаотическое движение, но могут создавать электрическое поле, когда их направляют двигаться в определенном направлении.

Генерирование электрического тока с помощью проводников Поток заряженных частиц создает электрический ток, который включает передачу заряда из одной области в другую через проводники, подобные металлическим элементам. Подключение проводника к батарее создает электрическое поле и направляет движение свободных носителей заряда.

Загадка направленности: Поток положительных частиц Электрический ток определяется как направленное движение заряженных частиц, перемещающихся между различными областями пространства. Исторический выбор Ампера установил положительное направление частиц в качестве основы для определения потока тока, хотя электроны на самом деле являются отрицательно заряженными носителями в металлах.

Наша цель - найти количество электронов, проходящих через поперечное сечение проводника за определенный промежуток времени. Учитывая постоянный ток в 10 наноампер и понимая, что при постоянном токе равные заряды проходят через поперечное сечение через равные промежутки времени. Разделив общий заряд на элементарный заряд (1,6 х 10^-19°C), мы определяем, что приблизительно 4500 электронов пересекают поперечное сечение проводника за 0,72 микросекунды.

Понимание действия электрического тока Действие электрического тока включает тепловые, магнитные и химические эффекты. Тепловой эффект наблюдается в таких устройствах, как фены и утюги, которые нагреваются при подключении к электрической цепи. Магнитный эффект заставляет стрелку компаса двигаться перпендикулярно проводнику, по которому проходит ток.

Изучение магнитных эффектов Магнитное действие электрического тока включает намагничивание иглы, когда цепь замкнута. Это приводит к дальнейшему исследованию магнетизма с помощью экспериментов, таких как наблюдение движения из-за электромагнитного взаимодействия на высоких скоростях по сравнению со скоростью носителя заряда.

Изучение химических реакций Химическое действие электрического тока можно наблюдать при электролизе, когда ионы отделяются от соединений под действием внешнего электрического поля, вызывая осаждение на электродах, примером чего является нанесение ионов меди на один электрод.

Неправильное представление о "скорости": зависимость носителя заряда от скорости распространения сигнала Мгновенное освещение при включении лампочки демонстрирует воспринимаемую высокую скорость потока электричества; однако фактическая скорость носителя заряда значительно отличается от скорости распространения сигнала, которая возникает почти мгновенно внутри проводников, но с медленными скоростями дрейфа свободных зарядов, напоминающими скорость улитки или медлительность супергероя "Вспышки" по сравнению с молниеносным электромагнитным излучением. взаимодействия.

Эксперименты Фарадея и закон Ома Введение в понятие напряжения и тока. Эксперименты Фарадея по электромагнитной индукции заложили основу для понимания сопротивления и проводимости.

Закон Ома: Напряжение, ток, сопротивление Георг Ом заметил, что увеличение напряжения на проводнике приводит к увеличению протекания тока, определяя сопротивление как отношение напряжения к току. Константа пропорциональности - это проводимость, обратно пропорциональная сопротивлению.

Применение закона Ома локально Закон Ома гласит, что для сегмента цепи с сопротивлением R ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. Этот закон применяется конкретно в сегменте цепи, изолированном от всей сети.

Вольт-амперные характеристики проводников "Вольт-амперные характеристики" описывают, как изменение напряжения влияет на ток в линейной зависимости, характерной для каждого проводника. Понимание этих характеристик помогает анализировать поведение проводников при изменении напряжения.

Понимание сопротивления Сопротивление является естественным явлением из-за несовершенства материалов, приводящим к тому, что поток электрического тока сталкивается с препятствиями. Концепция сопротивления объясняется взаимодействием между электрическими полями и зарядами, приводящими к изменению скоростей и токов.

Влияние кристаллических структур на сопротивление В твердых структурах с кристаллическими решетками ионы создают сопротивление, препятствуя движению электронов. Неидеальные структуры решетки вызывают столкновения, которые препятствуют потоку электронов, способствуя общему сопротивлению материалов.

Влияние размеров проводника на сопротивление Ширина и длина проводника влияют на его сопротивление; более широкие площади поперечного сечения уменьшают сопротивление, в то время как большая длина увеличивает его. Специфические характеристики материала, такие как структура кристаллической решетки, определяют удельное сопротивление материала, выраженное в омах на квадратный метр.

Понимание сопротивления и преобразования единиц измерения Сопротивление является фундаментальным понятием в электрических цепях, определяемым удельным сопротивлением материала и его размерами. Преобразование единиц измерения из миллиметров в метры имеет решающее значение для точного расчета сопротивления.

Анализ единиц измерения для преобразования удельного сопротивления Для преобразования значений удельного сопротивления между различными единицами измерения, такими как ом на квадратный миллиметр в ом на квадратный метр, необходим анализ единиц измерения, включающий преобразование длины и площади. Правильное преобразование единиц измерения обеспечивает точный расчет сопротивления электрических компонентов.

Упрощение преобразования единиц измерения для расчетов сопротивления Анализ соотношения между миллиметрами и метрами помогает упростить расчеты удельного сопротивления за счет правильного манипулирования единицами измерения. Понимание того, как преобразовать маленькие единицы измерения в большие или наоборот, помогает определить точные значения сопротивления в электрической цепи.

Понимание роли резисторов в электрических цепях Обсуждаем концепцию резисторов в электрической цепи, которые представляют собой проводники с сопротивлением, обусловленным их геометрией. Исследуем два типа соединений: последовательные и параллельные. Представляем резисторы как компоненты, обозначаемые прямоугольными символами.

Анализ параллельных соединений Начнем с общего обзора одиночного проводника как резистора с сопротивлением R. Сосредоточимся на параллельных соединениях, прежде чем углубляться в них дальше, выделив разность потенциалов на концах проводника.

Разность напряжений и последовательное подключение Понимание концепции разности потенциалов в резисторах. Изменение потенциала вдоль проводника с резистором приводит к разнице напряжений, обозначаемой как U1 и U2. Когда резисторы подключены последовательно, напряжения последовательно суммируются.

Направление протекания тока и суммирование напряжений Объяснение направления тока от положительной клеммы к отрицательной. При последовательном соединении токи через каждый резистор равны (i1 = i2). Напряжение на нескольких резисторах линейно суммируется при подключении одного за другим.

Расчет сопротивления при последовательном соединении Вычисление сопротивления путем деления общего напряжения на силу тока для внешнего сегмента. Значения сопротивления для отдельных сегментов можно найти, используя закон Ома: R = V/I для каждого конкретного сегмента.

Параллельные соединения и постоянное напряжение Анализ параллельных соединений, в которых токи разделяются на стыках, но позже объединяются. Напряжение остается постоянным вдоль ответвлений; таким образом, общее напряжение на параллельных резисторах равно отдельным напряжениям (U1 = U2).

Расчет общего сопротивления - параллельные цепи Определение общего сопротивления в параллельных цепях включает взаимное суммирование значений отдельных сопротивлений: 1/R_total = 1/R_1 + 1/R_2.

Демонстрация нахождения общего сопротивления в сегменте цепи с двумя параллельными резисторами. Учитывая взаимные значения, мы вычисляем общее сопротивление как 2/3 R для двух резисторов по 1 Ом, подключенных параллельно. Обращение вспять и упрощение дробей приводит к R = 2,5 Ом для всего сегмента цепи.

Понимание сопротивления в цепи В цепи с резисторами 1 Ом общее сопротивление при замкнутом переключателе может быть упрощено путем учета протекания тока. Концепция сопротивления, приближающегося к нулю для простого провода, подчеркивает зависимость закона Ома от меньшего сопротивления, приводящего к большему току. Исключая незначительные разности потенциалов вдоль проводов, расчеты фокусируются на суммарном значении параллельных резисторов.

Распределение тока и разность потенциалов Анализ распределения тока показывает, что большинство токов протекает по путям с наименьшим сопротивлением из-за меньших значений резисторов. Подчеркивая практичность выбора путей по сравнению с "умными" токами, при расчете приоритет отдается областям с минимальным сопротивлением для эффективной передачи энергии.

Расчет эффективных сопротивлений в параллельных цепях Для параллельных цепей, подобных этой установке, объединение двух резисторов сопротивлением 1 Ом приводит к эффективному половинному сопротивлению (0,5 Ом) благодаря применению метода взаимного сложения. Пренебрежение верхними ветвями, где происходит незначительное воздействие, упрощает анализ в направлении доминирующих путей, оптимизирующих эффективность электропроводности.

В некоторых случаях, как в задаче 4/11, может наблюдаться аналогичная ситуация, когда ток протекает по нескольким путям. Когда переключатель замкнут, общее сопротивление минимизируется благодаря параллельным путям протекания тока.

Вычисление общего сопротивления сегмента цепи с резисторами, каждый из которых имеет значение 1 Ом. Когда переключатель замкнут, ток протекает через все резисторы в сегменте из-за минимального сопротивления в каждой точке. Общее сопротивление этого замкнутого контура незначительно, поскольку оно обеспечивает максимальный ток.

Вычисление коэффициента сопротивления в параллельной цепи Два резистора подключены параллельно со значениями тока 0,8 А и 0,2 А соответственно. Задача состоит в том, чтобы найти соотношение сопротивлений между ними, используя закон Ома.

Анализ разности потенциалов Анализируя разность потенциалов на обоих резисторах, определяется, что их потенциалы равны из-за параллельного подключения, что приводит к равным напряжениям. Используя токи для каждого резистора, R1 и R2 можно рассчитать как соотношения, основанные на формуле закона Ома.

Задача включает в себя определение общего сопротивления электрической цепи между точками A и B, при этом каждый резистор имеет сопротивление 1 Ом. Анализируя симметрию в цепи, можно заметить, что из-за идентичных резисторов и распределения потенциала некоторые резисторы можно исключить, поскольку они не влияют на протекание тока. Это упрощает схему до последовательно-параллельной комбинации, в которой два набора резисторов подключаются параллельно, что приводит к эквивалентному сопротивлению, равному 1.

Понимание использования напряжения и вольтметра Пять идентичных резисторов с сопротивлением 1 Ом соединены в электрическую цепь. Ток 4 А протекает через сегмент AB. Идеальный вольтметр, подключенный параллельно для измерения напряжения, показывает общее напряжение 6 В на резисторах.

Вычисление напряжений отдельных резисторов Чтобы найти напряжение на каждом резисторе: U1 = V1 - V2, U2 = V2 - V3, U3 = V3 - V4, U4 =V4-5 и, наконец, U5=V2-V5 . Сумма этих напряжений дает общее напряжение, измеренное вольтметром.

Определение распределения тока через резисторы Ток, протекающий через каждый резистор, определяется путем умножения его сопротивления на заданное значение тока (I). Понимание того, как распределяются токи между различными трактами, помогает эффективно рассчитать отдельные напряжения.

Влияние длины провода на сопротивление при параллельном соединении Металлический провод с сопротивлением 4 Ом сгибается в круг. Один конец фиксируется, в то время как другой может перемещаться по кругу без потери электрического контакта. Деление провода пополам уменьшает его длину и уменьшает сопротивление вдвое до 2 Ом из-за прямого влияния длины на сопротивление.

Распределение напряжения в параллельной цепи Разделенные сегменты провода создают параллельное соединение, при котором ток протекает через каждый сегмент независимо. Общее напряжение на обоих сегментах равно 1/2 + 1/2 = 1 Вольт, в результате чего общее эквивалентное сопротивление составляет всего 1 Ом.

Постоянство эквивалентного сопротивления Независимо от того, как вы расположите или измените конфигурацию схемы, когда два равных резистора подключены параллельно, их суммарное эквивалентное сопротивление остается постоянным на уровне одной единицы (в данном случае одного Ома).

Анализ изменения сопротивления при разомкнутом/замкнутом переключателе Задача включает в себя понимание изменения сопротивления при замыкании или размыкании переключателя. Первоначально, при замкнутом переключателе, общее сопротивление составляет 3 Ом из-за параллельного подключения резисторов. Когда выключатель разомкнут, все резисторы участвуют в формировании цепи, поскольку они подключены последовательно и параллельно.

Влияние положения переключателя на разность потенциалов в цепи Замыкающий и размыкающий переключатели влияют на разность потенциалов на резисторах. При разомкнутом переключателе каждый резистор участвует в формировании полного контура цепи. Два верхних резистора подключены последовательно, но параллельно нижним, что приводит к различным расчетам общего сопротивления.

Определение общего сопротивления после срабатывания выключателя Расчет общего сопротивления после переключения позиций включает в себя рассмотрение как последовательных, так и параллельных соединений резисторов в схеме схемы. Анализируя протекание тока через взаимосвязанные компоненты на основе разности потенциалов между узлами, можно определить точные значения сопротивления для различных конфигураций.

Чтобы найти напряжение на определенном резисторе, нам нужно определить ток, проходящий через него. Резисторы в схеме подключены последовательно и параллельно, причем сопротивление каждого из них равно 2R. Проанализировав схему, мы можем упростить ее до эквивалентного сопротивления R. Это упрощение позволяет нам рассчитать, что половина общего тока протекает через наш целевой резистор.

Определение сопротивлений колб на основе экспериментальных установок Студент провел эксперимент, подключив батарею и пронумерованные лампочки с незначительным сопротивлением в проводах. Сопротивление всех лампочек постоянно независимо от напряжения. Проанализировав различные настройки, студент последовательно рассчитал сопротивление каждой лампочки.

Расчет сопротивления с использованием последовательного соединения В одной установке он подключил батарею к лампочке 1 с током 2 А и напряжением 8 В, в результате чего было рассчитано сопротивление 4 Ом для этой лампы. Затем он подключил лампы 1 и 2 последовательно, чтобы определить ток через обе как равный из-за их типа подключения.

Определение сопротивления в параллельной конфигурации Затем, добавив еще одну лампу (bulb3) параллельно bulb2 с известными сопротивлениями для каждого компонента (4 Ом), он определил значение сопротивления для этой новой конфигурации, используя метод разделения тока, основанный на известных токах через другие компоненты.

Изучение электромонтажных работ и выработки энергии Понимание того, как формируются электрические цепи, и концепция электрической работы. Энергия генерируется путем перемещения зарядов через электрическое поле, что приводит к созданию энергии. Работа, выполняемая током, позволяет нам получать энергию.

Разъяснение роли электрического поля в работе Электричество включает в себя передачу заряда из одной точки в другую, создавая электрическое поле, которое перемещает заряды. Результатом этого процесса является производство энергии, обусловленное протеканием тока. Исторический термин "электрическая работа" более точно относится к роли электрического поля, а не просто тока.

Расчет электрической работы без источника питания Понятие "электрическая работа" относится к получению тепловой энергии посредством протекания тока в сегменте цепи без присутствия источника питания. Применяя закон Ома в таких сценариях, формулы для расчета этого типа работы могут быть получены на основе значений сопротивления и тока.

Текущая мощность тесно связана с понятием работы. Мощность определяется как работа в единицу времени. Деление текущей работы на время дает нам I ^ 2R, а затем мы получаем U ^ 2 / R, что приводит к тому, что I, умноженное на U, равно R.

Понимание закона Джоуля-Ленца и тепловыделения Закон Джоуля-Ленца связывает мощность тока с выделением тепла. Когда элемент подключен к источнику тока, он нагревается из-за теплового эффекта протекающего тока. Работа, выполняемая током, преобразуется в тепловую энергию в соответствии с законом Джоуля.

Расчет тепловыделения в проводниках с сопротивлением Формула для расчета теплоты в проводнике с сопротивлением R и силой тока I равна Q = I^ 2RT или Q = iut. Эта формула применяется повсеместно, даже когда задействована механическая работа, но обычно вся работа полностью преобразуется в тепло.

Распределение тепла при параллельном подключении резисторов При параллельном подключении резисторов большее сопротивление приводит к меньшему выделению тепла на каждом резисторе по сравнению с последовательными соединениями, где более высокое сопротивление приводит к большему выделению тепла на резистор. В формуле для общего нагрева параллельных резисторов используется U/R вместо IRt, как показано при последовательном подключении.

Эффективное кипячение воды при параллельном подключении Проблема связана с двумя электрическими чайниками, на вскипание воды в одном из которых уходит 2 минуты, а в другом - 3 минуты. При параллельном подключении они нагревают одинаковое количество воды за меньшее время.

Вывод уравнений сопротивления Расчет общего сопротивления для параллельного подключения имеет решающее значение. Применяя формулы для сопротивлений R1 и R2, мы получаем уравнение, включающее временные переменные T1 и T2.

Оптимизация времени варки за счет параллельного подключения Решение полученного уравнения показывает, что при параллельном подключении чайники могут вскипятить воду за 1,2 минуты вместо того, чтобы по отдельности тратить больше времени.

Чтобы уменьшить напряжение на двух лампочках, L1 и L2, с сопротивлениями R и 2R соответственно, подключенных параллельно. Разница в мощности между двумя лампочками при различном подключении рассчитывается путем сравнения их напряжений с использованием закона Ома.

Расчет максимального количества утюгов в электрической цепи Задача заключается в определении максимального количества утюгов, каждый мощностью 400 Вт, которые могут быть одновременно подключены к электрической цепи квартиры. Схема имеет предохранитель, который отключается при токе 20 А и работает при напряжении 220 В. Рассчитав ток, протекающий через каждый утюг, используя закон Ома (P = UI), оказалось, что он составляет приблизительно 1,8 А на утюг.

Ограничение на количество подключенных утюгов Учитывая предельный ток предохранителя и практические ограничения, можно безопасно подключать параллельно только до 10 утюгов, не превышая общую мощность тока в 20 А. Попытка подключить больше указанного предела приведет к срабатыванию предохранителя из-за превышения порогового значения номинального тока, что приведет к сбоям в электрической цепи.

Изучение электрических концепций на вебинаре Обсуждаем максимальное количество утюгов, которые можно подключить на сегодняшнем вебинаре, исследуем различные электрические концепции, такие как закон Ома, удельное сопротивление и элементы схемы. Углубляемся в работу токового мошенника, закон Джоуля и силу тока. Вводится понятие закона постоянного тока с дополнительными формулами для однородных участков без источника питания.

Понимание работы электрического тока Изучение соединений между проводниками, обсуждение работы и законов, связанных с электрическими токами, таких как закон Джоуля. Объяснение того, как тепло выделяется на резисторах из-за сопротивления R, приводит к дополнительным формулам для выходной тепловой мощности.

Практическое применение и будущие темы Поощряя понимание с помощью практических примеров, одновременно освещая сложные темы, такие как выработка тепловой энергии на резисторах за счет дополнительного сопротивления R. Намекая на будущие обсуждения по внедрению концепции источника тока для дальнейшего изучения на предстоящих вебинарах.