Ohmov zakon za cijeli lanac i za dio lanca: opcije formule, opis i objašnjenje

Za zatvoreni krug

Zatvoreni krug označava zatvorenu električnu vezu kroz koju cirkulira struja. Kada postoji niz žica koje se međusobno povezuju i dovršavaju krug tako da se kreće od jednog kraja kruga do drugog, to će biti zatvoreni krug.

EMF (E) - označava se i mjeri u voltima i odnosi se na napon koji generira baterija ili magnetsku silu prema Faradayevom zakonu, koji kaže da će vremenski promjenjivo magnetsko polje inducirati električnu struju.

Tada je: E = IR + Ir

E \u003d I (R + r)

I \u003d E / (R + r)

Gdje je: r otpor izvora struje.

Ovaj izraz je poznat kao Ohmov zakon sklopova zatvorene petlje.

Heterogeni lanac

Odvojeni dio i kompletan električni krug

Ohmov zakon, primijenjen na dio ili cijeli krug, može se razmotriti u dvije opcije izračuna:

• Odvojeni kratki dio. Dio je kruga bez EMF izvora.
• Potpuni lanac koji se sastoji od jednog ili više dijelova. To također uključuje EMF izvor s vlastitim unutarnjim otporom.

Proračun strujnog presjeka električnog kruga

U ovom slučaju primjenjuje se osnovna formula I \u003d U / R, u kojoj je I jačina struje, U je napon, R je otpor. Prema njemu se može formulirati općeprihvaćeno tumačenje Ohmovog zakona:

Ova formulacija je osnova za mnoge druge formule predstavljene na takozvanoj "kamilici" u grafičkom dizajnu. U sektoru P - određuje se snaga, u sektorima I, U i R - provode se radnje koje se odnose na jačinu struje, napon i otpor.

Svaki izraz - i osnovni i dodatni, omogućuje vam izračunavanje točnih parametara elemenata namijenjenih uporabi u krugu.

Stručnjaci koji rade s električnim krugovima izvode brzo određivanje bilo kojeg od parametara metodom trokuta prikazanom na slici.

Izračuni trebaju uzeti u obzir otpor vodiča koji povezuju elemente presjeka. Budući da su izrađeni od različitih materijala, ovaj će parametar u svakom slučaju biti drugačiji.Ako je potrebno formirati potpuni krug, tada se glavna formula nadopunjuje parametrima izvora napona, na primjer, baterije.

Opcija izračuna za kompletan lanac

Kompletan krug sastoji se od pojedinačnih dijelova, spojenih u jednu cjelinu zajedno s izvorom napona (EMF). Dakle, postojeći otpor sekcija nadopunjuje se unutarnjim otporom priključenog izvora. Stoga će glavno tumačenje o kojem smo ranije raspravljali glasiti kako slijedi: I = U / (R + r). Ovdje je već dodan eksponent otpora (r) EMF izvora.

Sa stajališta čiste fizike, ovaj se pokazatelj smatra vrlo malom vrijednošću. Međutim, u praksi, prilikom izračunavanja složenih krugova i krugova, stručnjaci su prisiljeni uzeti u obzir, jer dodatni otpor utječe na točnost rada. Osim toga, struktura svakog izvora je vrlo heterogena, zbog čega se otpor u nekim slučajevima može izraziti prilično visokim stopama.

Navedeni proračuni se izvode u odnosu na istosmjerne krugove. Radnje i proračuni s izmjeničnom strujom izvode se prema drugoj shemi.

Učinak zakona na varijablu

Uz izmjeničnu struju, otpor kruga bit će takozvana impedancija, koja se sastoji od aktivnog otpora i reaktivnog otpornog opterećenja. To je zbog prisutnosti elemenata s induktivnim svojstvima i sinusoidnom strujnom vrijednošću. Napon je također varijabla, koja djeluje prema svojim zakonima preklapanja.

Stoga se dizajn izmjeničnog kruga Ohmovog zakona izračunava uzimajući u obzir specifične učinke: povećanje ili zaostajanje veličine struje od napona, kao i prisutnost aktivne i jalove snage.Zauzvrat, reaktancija uključuje induktivne ili kapacitivne komponente.

Svi ovi fenomeni će odgovarati formuli Z = U / I ili Z = R + J * (XL - XC), u kojoj je Z impedancija; R - aktivno opterećenje; XL, XC - induktivna i kapacitivna opterećenja; J je faktor korekcije.

EMF izvor u kompletnom krugu

Za pojavu električne struje u zatvorenom krugu ovaj krug mora sadržavati barem jedan poseban element u kojem će se odvijati rad prijenosa naboja između njegovih polova. Sile koje nose naboje unutar ovog elementa čine to protiv električnog polja, što znači da njihova priroda mora biti drugačija od električne. Stoga se takve snage nazivaju trećim stranama.

Riža. 1. Vanjske sile u fizici.

Element električnog kruga u kojem djeluju vanjske sile za prijenos naboja protiv djelovanja električnog polja naziva se izvor struje. Njegova glavna karakteristika je veličina vanjskih sila. Za njegovu karakterizaciju uvodi se posebna mjera - Elektromotorna sila (EMF), označava se slovom $\mathscr{E}$.

Vrijednost EMF-a izvora struje jednaka je omjeru vanjskih sila za prijenos naboja i vrijednosti ovog naboja:

$$\mathscr{E}={A_{st}\preko q}$$

Budući da je značenje EMF-a vrlo blisko značenju električnog napona (podsjetimo, napon je omjer rada električnog polja koje nosi naboj i vrijednosti tog naboja), tada se EMF, kao i napon, mjeri u volti:

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

Druga najvažnija električna karakteristika stvarnog izvora struje je njegov unutarnji otpor.Kada se naboji prenose između terminala, oni stupaju u interakciju s tvari izvora EMF-a, te stoga izvor električne struje također ima određeni otpor. Unutarnji otpor, kao i obični otpor, mjeri se u omima, ali se označava malim latiničnim slovom $r$.

Riža. 2. Primjeri izvora struje.

R - električni otpor

Otpor je recipročan napon i može se usporediti s učinkom kretanja tijela protiv kretanja u tekućoj vodi. Jedinica za R je Om, što je označeno velikim grčkim slovom Omega.

Recipročna vrijednost otpora (1/R) poznata je kao vodljivost, koja mjeri sposobnost objekta da provodi naboj, izražena u Siemensovim jedinicama.

Korištena geometrijski neovisna veličina naziva se otpornost i obično se označava grčkim simbolom r.

Dodatne informacije. Ohmov zakon pomaže uspostaviti tri važna pokazatelja rada električne mreže, što pojednostavljuje izračun snage. Ne primjenjuje se na jednostrane mreže s elementima kao što su dioda, tranzistor i slično. Također nije primjenjivo na nelinearne elemente, od kojih su tiristori primjeri, jer se vrijednost otpora tih elemenata mijenja s različitim zadanim naponom i strujom.

Na višim frekvencijama, distribuirano ponašanje postaje dominantno. Ista stvar se događa s vrlo dugim dalekovodima. Čak i na frekvenciji od čak 60 Hz, vrlo dugi dalekovod, poput 30 km, ima distribuiranu prirodu.Glavni razlog je taj što su učinkoviti električni signali koji se šire u krugovima elektromagnetski valovi, a ne volti i amperi, koji su zaraženi elektromagnetskim valom. Vodiči jednostavno djeluju kao vodiči za valove. Tako će, na primjer, koaksijalni kabel pokazati Z = 75 ohma, čak i ako je njegov istosmjerni otpor zanemariv.

Ohmov zakon je temeljni zakon elektrotehnike. Ima veliki broj praktičnih primjena u svim električnim krugovima i elektroničkim komponentama.

Najčešći primjeri primjene Ohmovog zakona:

1. Snaga koja se dovodi do električnog grijača. S obzirom na otpor svitka grijača i primijenjeni napon, može se izračunati snaga dovedena tom grijaču.
2. Izbor osigurača. To su zaštitne komponente koje su serijski spojene s elektroničkim uređajima. Osigurači/CB-ovi su ocijenjeni u amperima. Trenutna snaga osigurača izračunava se primjenom Ohmovog zakona.
3. Projektiranje elektroničkih uređaja. Elektronički uređaji kao što su prijenosna računala i mobilni telefoni zahtijevaju napajanje istosmjernom strujom određene jakosti struje. Tipične baterije mobilnih telefona zahtijevaju 0,7-1 A. Otpornik se koristi za kontrolu brzine struje koja teče kroz ove komponente. Ohmov zakon koristi se za izračunavanje nazivne struje u tipičnom krugu.

Svojedobno su Ohmovi zaključci postali katalizator za nova istraživanja u području električne energije, a danas nisu izgubili na značaju budući da se na njima temelji suvremena elektrotehnika. Godine 1841. Om je dobio najvišu čast Kraljevskog društva, Copley medalju, a izraz "Om" je prepoznat kao jedinica otpora već 1872. godine.

Neujednačeni presjek istosmjernog kruga

Heterogena struktura ima takav dio kruga, gdje se, osim vodiča i elemenata, nalazi izvor struje. Njegov EMF se mora uzeti u obzir pri izračunu ukupne jakosti struje u ovom području.

Postoji formula koja definira glavne parametre i procese heterogenog mjesta: q = q0 x n x V. Njegovi pokazatelji karakterizirani su na sljedeći način:

• U procesu pomicanja naboja (q), oni dobivaju određenu gustoću. Njegov učinak ovisi o jakosti struje i površini poprečnog presjeka vodiča (S).
• U uvjetima određene koncentracije (n) moguće je točno naznačiti broj jediničnih naboja (q0) koji su pomaknuti u jednom vremenskom razdoblju.
• Za izračune, vodič se uvjetno smatra cilindričnim presjekom s nekim volumenom (V).

Prilikom spajanja vodiča na bateriju, potonja će se nakon nekog vremena isprazniti. Odnosno, kretanje elektrona postupno se usporava i, na kraju, potpuno prestaje. To olakšava molekularna rešetka vodiča, koja se suprotstavlja međusobnom sudaru elektrona i drugim čimbenicima. Za prevladavanje takvog otpora potrebno je dodatno primijeniti određene sile treće strane.

Tijekom proračuna te se sile zbrajaju s Coulombovim. Osim toga, za prijenos jediničnog naboja q iz 1. točke u 2., bit će potrebno izvesti rad A1-2 ili jednostavno A12. U tu svrhu stvara se razlika potencijala (ϕ1 - ϕ2). Pod djelovanjem izvora istosmjerne struje nastaje EMF koji pomiče naboje duž strujnog kruga. Veličina ukupnog naprezanja sastojat će se od svih gore navedenih sila.

U izračunima se mora uzeti u obzir polaritet priključka na DC napajanje. Kada se terminali mijenjaju, EMF će se također promijeniti, ubrzavajući ili usporavajući kretanje naboja.

Serijsko i paralelno spajanje elemenata

Za elemente električnog kruga (presjek kruga) karakterističan moment je serijski ili paralelni spoj.

Sukladno tome, svaku vrstu veze prati različita priroda protoka struje i napona. Zbog toga se Ohmov zakon također primjenjuje na različite načine, ovisno o mogućnosti uključivanja elemenata.

Lanac serijski spojenih otpornih elemenata

S obzirom na serijski spoj (dio kruga s dvije komponente), koristi se formulacija:

• ja = ja₁ = ja₂ ;
• U = U₁ + U₂ ;
• R=R₁ + R₂

Ova formulacija jasno pokazuje da, bez obzira na broj serijski spojenih otpornih komponenti, struja koja teče u dijelu kruga ne mijenja vrijednost.

Spajanje otpornih elemenata u krugu u seriji jedan s drugim. Ova opcija ima svoj zakon izračuna. Na dijagramu: I, I1, I2 - strujni tok; R1, R2 - otporni elementi; U, U1, U2 - primijenjeni napon

Količina napona primijenjenog na aktivne otporne komponente kruga je zbroj i zbraja se vrijednosti EMF izvora.

U ovom slučaju napon na svakoj pojedinoj komponenti je: Ux = I * Rx.

Ukupni otpor treba smatrati zbrojem vrijednosti svih otpornih komponenti kruga.

Lanac paralelno povezanih otpornih elemenata

U slučaju kada postoji paralelna veza otpornih komponenti, formulacija se smatra pravednom u odnosu na zakon njemačkog fizičara Ohma:

• ja = ja₁ + ja₂ … ;
• U = U₁ = U₂ … ;
• 1/R = 1/R₁ + 1 / R₂ + …

Mogućnosti za sastavljanje dionica kruga "mješovitog" tipa nisu isključene kada se koriste paralelne i serijske veze.

Spajanje otpornih elemenata u krugu paralelno jedan s drugim. Za ovu opciju primjenjuje se vlastiti zakon izračuna. Na dijagramu: I, I1, I2 - strujni tok; R1, R2 - otporni elementi; U - primijenjeni napon; A, B - ulazne / izlazne točke

Za takve opcije, izračun se obično provodi početnim izračunom otpornosti paralelne veze. Tada se rezultatu dodaje vrijednost serijski spojenog otpornika.

Integralni i diferencijalni oblici prava

Sve gore navedene točke s izračunima primjenjive su na uvjete kada se vodiči "homogene" strukture, da tako kažem, koriste kao dio električnih krugova.

U međuvremenu, u praksi se često mora nositi s konstrukcijom sheme, gdje se struktura vodiča mijenja u različitim područjima. Na primjer, koriste se žice većeg presjeka ili, naprotiv, manje, izrađene na temelju različitih materijala.

Kako bi se uzele u obzir takve razlike, postoji varijacija takozvanog "diferencijalno-integralnog Ohmovog zakona". Za beskonačno mali vodič, razina gustoće struje izračunava se ovisno o intenzitetu i vrijednosti vodljivosti.

Za diferencijalni izračun uzima se formula: J = ό * E

Za integralni izračun, odnosno, formulacija: I * R = φ1 - φ2 + έ

Međutim, ovi su primjeri prilično bliži školi više matematike i zapravo se ne koriste u stvarnoj praksi jednostavnog električara.

Razumijevanje struje i otpora

Počnimo s pojmom električne struje.Ukratko, električna struja u odnosu na metale je usmjereno kretanje elektrona – negativno nabijenih čestica. Obično su predstavljeni kao mali krugovi. U mirnom stanju, kreću se nasumično, neprestano mijenjajući smjer. Pod određenim uvjetima – pojavom razlike potencijala – te čestice započinju određeno kretanje u nekom smjeru. Ovo kretanje je električna struja.

Da bi bilo jasnije, možemo usporediti elektrone s vodom prolivenom po nekoj ravnini. Sve dok avion miruje, voda se ne miče. Ali, čim se pojavio nagib (nastala je potencijalna razlika), voda se počela kretati. Isto je i s elektronima.

Ovako se može zamisliti električna struja

Sada moramo razumjeti što je otpor i zašto imaju povratnu informaciju o jakosti struje: što je veći otpor, to je niža struja. Kao što znate, elektroni se kreću kroz vodič. Obično su to metalne žice, budući da metali imaju dobru sposobnost provođenja struje. Znamo da metal ima gustu kristalnu rešetku: mnoge čestice koje su bliske i međusobno povezane. Elektroni, probijajući se između atoma metala, sudaraju se s njima, što im otežava kretanje. Ovo pomaže ilustrirati otpor koji vodi vodič. Sada postaje jasno zašto što je veći otpor, to je niža jačina struje - što je više čestica, to je elektronima teže prevladati put, oni to rade sporije. Čini se da je ovo riješeno.

Ako želite empirijski ispitati ovu ovisnost, pronađite promjenjivi otpornik, spojite u seriju otpornik - ampermetar - izvor struje (baterija).Također je poželjno umetnuti prekidač u krug - obični prekidač.

Krug za ispitivanje ovisnosti struje o otporu

Okretanjem gumba otpornika mijenja se otpor. Istodobno se mijenjaju i očitanja na ampermetru, koji mjeri jačinu struje. Štoviše, što je veći otpor, to manje odstupa strelica - manja je struja. Što je otpor manji, strelica više odstupa - struja je veća.

Ovisnost struje o otporu je gotovo linearna, odnosno odražava se na grafikonu kao gotovo ravna crta. Zašto skoro - o tome treba posebno razgovarati, ali to je druga priča.

Ohmov zakon za izmjeničnu struju

Pri proračunu izmjeničnih krugova umjesto pojma otpora uvodi se pojam "impedancije". Impedancija je označena slovom Z, uključuje aktivni otpor opterećenja R_a i reaktanciju X (ili R_r). To je zbog oblika sinusoidne struje (i struja bilo kojeg drugog oblika) i parametara induktivnih elemenata, kao i zakona prebacivanja:

1. Struja u induktivnom krugu ne može se mijenjati trenutno.
2. Napon u krugu s kapacitivnošću ne može se mijenjati trenutno.

Dakle, struja počinje zaostajati ili voditi napon, a prividna snaga se dijeli na aktivnu i reaktivnu.

U=I/Z

x_L i X_C su reaktivne komponente opterećenja.

S tim u vezi, uvodi se vrijednost cosF:

Ovdje - Q - jalova snaga zbog izmjenične struje i induktivno-kapacitivnih komponenti, P - aktivna snaga (dispitirana u aktivnim komponentama), S - prividna snaga, cosF - faktor snage.

Možda ste primijetili da se formula i njezin prikaz sijeku s Pitagorinim teoremom. To je točno i kut F ovisi o tome koliko je velika reaktivna komponenta opterećenja – što je veća, to je veća.U praksi to dovodi do činjenice da je struja koja stvarno teče u mreži veća od one koju uzima u obzir kućno brojilo, dok poduzeća plaćaju punu snagu.

U ovom slučaju, otpor je predstavljen u složenom obliku:

Ovdje je j imaginarna jedinica, što je tipično za složeni oblik jednadžbi. Rjeđe se naziva i, ali u elektrotehnici se također označava efektivna vrijednost izmjenične struje, stoga je, da ne bude zabune, bolje koristiti j.

Imaginarna jedinica je √-1. Logično je da kod kvadriranja nema tog broja, što može rezultirati negativnim rezultatom "-1".

Kad nastupi Ohmov zakon

Stvaranje idealnih uvjeta nije lako. Čak i u čistim vodičima, električni otpor varira s temperaturom. Njegovo smanjenje minimizira aktivnost molekula kristalne rešetke, što pojednostavljuje kretanje slobodnih naboja. Na određenoj razini "zamrzavanja" javlja se učinak supravodljivosti. Pri zagrijavanju se opaža suprotan učinak (pogoršanje vodljivosti).

Istodobno, elektroliti, metali i određene vrste keramike zadržavaju električni otpor bez obzira na gustoću struje. Stabilnost parametara uz održavanje određenog temperaturnog režima omogućuje primjenu formula Ohmovog zakona bez dodatnih korekcija.

Poluvodički materijali i plinovi karakterizirani su različitim električnim otporom. Na ovaj parametar značajno utječe jačina struje u kontrolnom volumenu. Za izračun karakteristika izvedbe moraju se primijeniti specijalizirane metode izračuna.

Ako se uzme u obzir izmjenična struja, metoda izračuna se korigira.U tom slučaju morat će se uzeti u obzir prisutnost reaktivnih komponenti. Uz otpornu prirodu otpora, moguće je primijeniti razmatrane tehnologije izračuna temeljene na formulama Ohmovog zakona.

Kirchhoffovi zakoni.

Distribucija
struje u granama električnog kruga
poštuje prvi Kirchhoffov zakon,
te raspodjela naprezanja po presjecima
lanac poštuje drugi Kirchhoffov zakon.

Kirchhoffovi zakoni
uz Ohmov zakon su glavni
u teoriji električnih krugova.

Prvi
Kirchhoffov zakon:

Algebarski
zbroj struja u čvoru je nula:

_i
= 0 (19)

Gdje
i
je broj grana koje konvergiraju u danom čvoru.

Odnosno, zbrajanje
proteže se na struje u granama,
koji se konvergiraju u razmatranim
čvor.

sl.17. Ilustracija
prema prvom Kirchhoffovom zakonu.

Broj
jednadžbe sastavljene prema prvom
Kirchhoffov zakon određuje se formulom:

Nup
= Nu
– 1,

Gdje
Nu
je broj čvorova u razmatranom lancu.

Znakovi strujanja u
uzimaju se jednadžbe uzimajući u obzir odabrane
pozitivnog smjera. Znakovi na
struje su iste ako su struje iste
orijentiran u odnosu na ovo
čvor.

Na primjer,
za čvor prikazan na slici 17:
dodjeljujemo znakove strujama koje teku u čvor
"+", a na struje koje teku iz čvora - znakovi
«-».

Zatim jednadžba
prema prvom Kirchhoffovom zakonu bit će napisan
Tako:

ja₁
– ja₂
+ ja₃
– ja₄
= 0.

jednadžbe,
sastavljen prema prvom Kirchhoffovom zakonu,
nazivaju se čvorovi.

Ovaj
zakon izražava činjenicu da u čvoru
električni naboj se ne akumulira
i ne konzumira se. Količina električne
naknade koje dolaze na stranicu jednake su zbroju
naboja koji napuštaju čvor u jednom te istom
isti vremenski raspon.

Drugi
Kirchhoffov zakon:

Algebarski
zbroj emf u bilo kojem zatvorenom krugu
lanac jednak je algebarskom zbroju padova
napon na elementima ovog kola:

Ui
= 
Ei

IiRi=Ei(20)

Gdje
i
- broj elementa (otpor ili
izvor napona) u razmatranom
kontura.

**Broj
jednadžbe sastavljene prema drugom
Kirchhoffov zakon određuje se formulom:

Nup
= Nb
- Ne
+ 1 – Ned.s.

Gdje
Nb
- broj grana električnog kruga;

Nu
— broj čvorova;

Ned.s.
je broj idealnih izvora emf.

sl.18. Ilustracija
na drugi Kirchhoffov zakon.

Za,
da pravilno napišem drugi zakon
Kirchhoff za zadanu konturu, slijedi
pridržavati se sljedećih pravila:

1. proizvoljno
   odaberite smjer obilaznice konture,
   na primjer, u smjeru kazaljke na satu (slika 18).

2. emf
   i padovi napona koji odgovaraju
   u smjeru s odabranim smjerom
   zaobići su napisani u izrazu sa
   znak "+"; ako e.f.s. i pad napona
   ne odgovaraju smjeru
   konture, tada im prethodi znak
   «-».

Na primjer,
za konturu slike 18, drugi Kirchhoffov zakon
bit će napisano kako slijedi:

U₁
– U₂
+ U₃
= E₁
–E₃
–E₄
(21)

Jednadžba (20) može biti
prepisati kao:

 (Ui
– Ei)
= 0 (22)

Gdje
(U
– E)
- napetost na grani.

posljedično,
Drugi Kirchhoffov zakon se može formulirati
na sljedeći način:

Algebarski
zbroj napona na granama u bilo kojem
zatvorena petlja je nula.

Potencijal
dijagram o kojem smo ranije govorili služi
grafička interpretacija drugog
Kirchhoffov zakon.

Zadatak broj 1.

NA
krugu na slici 1. zadane su struje I₁
i ja₃,
otpor i emf Odredite struje
ja₄,
ja₅,
ja₆
; napon između točaka a
i b
ako ja₁
= 10 mA,
ja₃
= -20 mA,
R₄
= 5 kOhm,
E₅
= 20B,
R₅
= 3 kOhm,
E₆
= 40B,
R₆
= 2 kOhm.

Sl. 1

Riješenje:

1. Za dano
   konture, sastavljamo dvije jednadžbe prema
   Prvi Kirchhoffov zakon i jedan – prema
   drugi. Smjer konture
   označeno strelicom.

NA
kao rezultat rješenja dobivamo: I₆
= 0; ja₄
= 10 mA;
ja₅
= -10mA

1. pitati
   smjer napona između točaka
   a
   i b
   od točke "a"
   do točke "b"
   — U_ab.
   Taj se napon može naći iz jednadžbe
   Kirchhoffov drugi zakon:

ja₄R₄
+ U_ab
+ ja₆R₆
= 0

U_ab
= - 50V.

Zadatak broj 2.

Za
dijagrami na slici 2 sastavljaju jednadžbe prema
Kirchhoffovi zakoni i određuju nepoznanice
bodova.

dano:
ja₁
= 20mA;
ja₂
= 10 mA

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

sl.2

Riješenje:

Broj čvorova
jednadžbe - 3, broj jednadžbi konture
– 1.

Zapamtiti!
Prilikom sastavljanja jednadžbe prema drugom
Kirchhoffov zakon, biramo konturu, u
što ne uključuje izvore struje.
Smjer konture je prikazan na slici.

NA
ovog kola, struje grana I₁
i ja₂.
nepoznato
struje
ja₃,
ja₄,
ja₅,
ja₆.

Odlučujući
sustav, dobivamo: I₃
= 13,75 mA;
ja₄
= -3,75 mA;
ja₅
= 6,25 mA;
ja₆
= 16,25 mA.

Osnovni koncepti

Električna struja teče kada zatvoreni krug dopušta elektronima da se kreću od visokog potencijala do nižeg u krugu. Drugim riječima, struja zahtijeva izvor elektrona koji ima energiju da ih pokrene, kao i točku njihovog povratka negativnih naboja, koju karakterizira njihov nedostatak. Kao fizikalni fenomen, struju u strujnom krugu karakteriziraju tri osnovne veličine:

• napon;
• jačina struje;
• otpor vodiča kroz koji se kreću elektroni.

Snaga i napetost

Jačina struje (I, mjerena u Amperima) je volumen elektrona (naboja) koji se kreću kroz mjesto u krugu u jedinici vremena.Drugim riječima, mjerenje I je određivanje broja elektrona u kretanju

Važno je razumjeti da se pojam odnosi samo na kretanje: statički naboji, na primjer, na stezaljkama nepovezane baterije, nemaju mjerljivu vrijednost I. Struja koja teče u jednom smjeru naziva se izravna (DC), a periodično mijenjanje smjera naziva se izmjeničnim (AC). Napon se može ilustrirati pojavom kao što je tlak ili kao razlika potencijalne energije objekata pod utjecajem gravitacije

Da biste stvorili ovu neravnotežu, prvo morate potrošiti energiju koja će se pod odgovarajućim okolnostima ostvariti u pokretu. Na primjer, pri padu tereta s visine izvodi se rad na njegovom podizanju, u galvanskim baterijama razlika potencijala na stezaljkama nastaje zbog pretvorbe kemijske energije, u generatorima - kao rezultat izloženosti elektromagnetsko polje

Naprezanje se može ilustrirati pojavom kao što je pritisak, ili kao razlika potencijalne energije objekata pod utjecajem gravitacije. Da biste stvorili ovu neravnotežu, prvo morate potrošiti energiju koja će se pod odgovarajućim okolnostima ostvariti u pokretu. Na primjer, pri padu tereta s visine ostvaruje se rad podizanja, u galvanskim baterijama razlika potencijala na stezaljkama nastaje zbog pretvorbe kemijske energije, u generatorima - kao posljedica izlaganja elektromagnetsko polje.

Otpor vodiča

Bez obzira koliko je dobar običan vodič, nikada neće dopustiti da elektroni prođu bez otpora njihovom kretanju.Otpor je moguće smatrati analogom mehaničkog trenja, iako ova usporedba neće biti savršena. Kada struja teče kroz vodič, neka razlika potencijala se pretvara u toplinu, tako da će uvijek doći do pada napona na otporniku. Električni grijači, sušila za kosu i drugi slični uređaji dizajnirani su isključivo za rasipanje električne energije u obliku topline.

Pojednostavljeni otpor (označen kao R) mjera je koliko je protok elektrona usporen u krugu. Mjeri se u omima. Vodljivost otpornika ili drugog elementa određena je s dva svojstva:

• geometrija;
• materijal.

Oblik je od najveće važnosti, što je vidljivo iz hidrauličke analogije: guranje vode kroz dugu i usku cijev mnogo je teže nego guranje vode kroz kratku i široku. Materijali igraju odlučujuću ulogu. Na primjer, elektroni se mogu slobodno kretati u bakrenoj žici, ali ne mogu uopće teći kroz izolatore poput gume, bez obzira na njihov oblik. Osim geometrije i materijala, postoje i drugi čimbenici koji utječu na vodljivost.

Tumačenje Ohmovog zakona

Da biste osigurali kretanje naboja, morate zatvoriti krug. U nedostatku dodatne snage, struja ne može postojati dugo vremena. Potencijali će brzo postati jednaki. Za održavanje načina rada kruga potreban je dodatni izvor (generator, baterija).

Cijeli krug će sadržavati ukupni električni otpor svih komponenti. Za točne izračune uzimaju se u obzir gubici u vodičima, otpornim elementima i izvoru napajanja.

Koliki napon treba primijeniti za određenu jačinu struje izračunava se po formuli:

U=I*R.

Slično, uz pomoć razmatranih relacija, određuju se ostali parametri kruga.

Paralelna i serijska veza

U elektrici, elementi su spojeni ili serijski - jedan za drugim, ili paralelno - to je kada je nekoliko ulaza spojeno na jednu točku, a izlazi iz istih elemenata spojeni na drugu.

Ohmov zakon za paralelno i serijsko povezivanje

serijska veza

Kako Ohmov zakon funkcionira u ovim slučajevima? Kada se spoje u seriju, struja koja teče kroz lanac elemenata bit će ista. Napon dijela strujnog kruga s elementima spojenim u seriju izračunava se kao zbroj napona u svakom dijelu. Kako se to može objasniti? Protok struje kroz element je prijenos dijela naboja s jednog njegovog dijela na drugi. Mislim, to je neki posao. Veličina ovog rada je napetost. Ovo je fizičko značenje stresa. Ako je ovo jasno, idemo dalje.

Serijski spoj i parametri ovog dijela kruga

Kada je spojen u seriju, potrebno je naizmjence prenositi naboj kroz svaki element. I na svakom elementu, ovo je određeni "volumen" posla. A da biste pronašli količinu posla na cijelom dijelu lanca, morate dodati rad na svakom elementu. Dakle, ispada da je ukupni napon zbroj napona na svakom od elemenata.

Na isti način - uz pomoć dodavanja - nalazi se i ukupni otpor dijela strujnog kruga. Kako to možete zamisliti? Struja koja teče kroz lanac elemenata uzastopno svladava sve otpore. Jedan po jedan. Odnosno, da bi se pronašao otpor koji je on svladao, potrebno je zbrojiti otpore. Manje-više ovako.Matematičko izvođenje je složenije i lakše je razumjeti mehanizam ovog zakona.

Paralelna veza

Paralelna veza je kada se počeci vodiča/elemenata u jednoj točki konvergiraju, a u drugoj su njihovi krajevi povezani. Pokušat ćemo objasniti zakone koji vrijede za spojeve ove vrste. Krenimo od struje. Na spojnu točku elemenata dovodi se struja određene veličine. Odvaja se, teče kroz sve vodiče. Iz ovoga zaključujemo da je ukupna struja u presjeku jednaka zbroju struje u svakom od elemenata: I = I1 + I2 + I3.

Sada za napon. Ako je napon rad za pomicanje naboja, tada će rad koji je potreban za pomicanje jednog naboja biti isti na bilo kojem elementu. To jest, napon na svakom paralelno spojenom elementu bit će isti. U=U1=U2=U3. Ne tako zabavno i vizualno kao u slučaju objašnjenja Ohmovog zakona za dio lanca, ali možete razumjeti.

Zakoni za paralelnu vezu

Što se tiče otpora, stvari su malo kompliciranije. Uvedimo pojam vodljivosti. Ovo je karakteristika koja pokazuje koliko je lako ili teško da naboj prođe kroz ovaj vodič. Jasno je da što je otpor manji, struja će lakše proći. Stoga se vodljivost - G - izračunava kao recipročna vrijednost otpora. U formuli to izgleda ovako: G = 1/R.

Zašto govorimo o vodljivosti? Budući da je ukupna vodljivost presjeka s paralelnim spojem elemenata jednaka zbroju vodljivosti za svaki od presjeka. G = G1 + G2 + G3 - lako razumljivo. Koliko će struja lako prevladati ovaj čvor paralelnih elemenata ovisi o vodljivosti svakog od elemenata. Dakle, ispada da ih treba presavijati.

Sada možemo prijeći na otpor.Budući da je vodljivost recipročna vrijednost otpora, možemo dobiti sljedeću formulu: 1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3.

Što nam daje paralelnu i serijsku vezu?

Teorijsko znanje je dobro, ali kako ga primijeniti u praksi? Elementi bilo koje vrste mogu se spojiti paralelno i serijski. Ali razmotrili smo samo najjednostavnije formule koje opisuju linearne elemente. Linearni elementi su otpori, koji se također nazivaju "otpornici". Dakle, evo kako možete upotrijebiti ono što ste naučili:

Ako nema dostupnog otpornika visoke vrijednosti, ali ima nekoliko manjih, željeni otpor se može dobiti spajanjem nekoliko otpornika u nizu. Kao što vidite, ovo je korisna tehnika.
Kako bi se produžio vijek trajanja baterija, mogu se spojiti paralelno. Napon će u ovom slučaju, prema Ohmovom zakonu, ostati isti (u to se možete uvjeriti mjerenjem napona multimetrom). A "životni vijek" dvostruke baterije bit će mnogo duži od dva elementa koji će se međusobno zamijeniti

Samo imajte na umu: samo izvori napajanja s istim potencijalom mogu se spojiti paralelno. To jest, mrtva i nova baterija ne mogu se spojiti.

Ako se i dalje povezujete, baterija koja ima veći napunjenost težit će puniti manje napunjenu. Kao rezultat toga, njihov će ukupni naboj pasti na nisku vrijednost.

Općenito, ovo su najčešće uporabe ovih spojeva.

Idealan izvor EMF

Elektromotorna sila (E) je fizikalna veličina koja određuje stupanj utjecaja vanjskih sila na kretanje u zatvorenom krugu nositelja naboja. Drugim riječima, koliko jako struja teži protjecanju kroz vodič ovisit će o EMF-u.

Objašnjavajući takve nerazumljive pojave, domaći školski učitelji vole se obratiti metodi hidrauličkih analogija. Ako je vodič cijev, a električna struja je količina vode koja teče kroz nju, tada je EMF tlak koji pumpa razvija da bi pumpala tekućinu.

Pojam elektromotorne sile povezan je s konceptom kao što je napon. Ona, EMF, također se mjeri u voltima (jedinica - "V"). Svaki izvor energije, bilo da je to baterija, generator ili solarna ploča, ima svoju elektromotornu silu. Često je ovaj EMF blizu izlaznog napona (U), ali uvijek nešto manji od njega. To je uzrokovano unutarnjim otporom izvora, na kojem dio napona neizbježno pada.

Iz tog razloga, idealan izvor EMF-a je prije apstraktan koncept ili fizički model kojemu nije mjesto u stvarnom svijetu, jer se unutarnji otpor baterije Rin, iako vrlo nizak, ipak razlikuje od apsolutne nule.

Idealan i pravi izvor emf

U diferencijalnom obliku

Formula je vrlo često predstavljena u diferencijalnom obliku, budući da je vodič obično nehomogen i bit će potrebno razbiti ga na najmanje moguće dijelove. Struja koja prolazi kroz njega povezana je s veličinom i smjerom, pa se smatra skalarnom veličinom. Kad god se želi pronaći rezultantna struja kroz žicu, uzima se algebarski zbroj svih pojedinačnih struja. Budući da ovo pravilo vrijedi samo za skalarne veličine, struja se također uzima kao skalarna veličina. Poznato je da kroz presjek prolazi struja dI = jdS. Napon na njemu je Edl, tada će za žicu konstantnog presjeka i jednake duljine omjer biti istinit:

Diferencijalni oblik

Stoga će izraz struje u vektorskom obliku biti: j = E.

Važno! Kod metalnih vodiča vodljivost opada s porastom temperature, dok se kod poluvodiča povećava. Omov zakon ne pokazuje strogu proporcionalnost

Otpor velike skupine metala i legura nestaje na temperaturi blizu apsolutne nule, a proces se naziva supravodljivost.