Напряжение, ток, сопротивление и закон Ома: 5 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:54

Рассмотрено в этом руководстве

Как электрический заряд соотносится с напряжением, током и сопротивлением.

Что такое напряжение, сила тока и сопротивление.

Что такое закон Ома и как его использовать, чтобы понять электричество.

Простой эксперимент для демонстрации этих концепций.

Шаг 1. Электрический заряд

Электрический заряд - это физическое свойство вещества, которое заставляет его испытывать силу при помещении в электромагнитное поле. Есть два типа электрических зарядов: положительный и отрицательный (обычно переносятся протонами и электронами соответственно). Подобные заряды отталкивают, а непохожие - притягивают. Отсутствие чистой оплаты считается нейтральным. Объект заряжен отрицательно, если он имеет избыток электронов, и в противном случае заряжен положительно или не заряжен. Производной единицей электрического заряда в системе СИ является кулон (Кл). В электротехнике также принято использовать ампер-час (Ач); в химии обычно используется элементарный заряд (е) как единое целое. Символ Q часто обозначает заряд. Ранние знания о том, как взаимодействуют заряженные вещества, теперь называют классической электродинамикой, и они по-прежнему актуальны для задач, не требующих учета квантовых эффектов.

Электрический заряд - это фундаментальное сохраняющееся свойство некоторых субатомных частиц, определяющее их электромагнитное взаимодействие. Электрически заряженная материя находится под влиянием электромагнитных полей или производит их. Взаимодействие между движущимся зарядом и электромагнитным полем является источником электромагнитной силы, которая является одной из четырех фундаментальных сил (см. Также: магнитное поле).

Эксперименты двадцатого века показали, что электрический заряд квантуется; то есть, он представлен в виде целых кратных отдельных малых единиц, называемых элементарным зарядом, e, приблизительно равным 1,602 × 10-19 кулонов (за исключением частиц, называемых кварками, которые имеют заряды, кратные 1 / 3e). Протон имеет заряд + e, а электрон имеет заряд −e. Изучение заряженных частиц и того, как их взаимодействия опосредуются фотонами, называется квантовой электродинамикой.

Шаг 2: Напряжение ：

Напряжение, разность электрических потенциалов, электрическое давление или электрическое напряжение (формально обозначаемые как ∆V или ∆U, но чаще упрощаются как V или U, например, в контексте законов цепи Ома или Кирхгофа) - это разница в электрической потенциальной энергии между двумя баллов на единицу электрического заряда. Напряжение между двумя точками равно работе, совершаемой на единицу заряда против статического электрического поля для перемещения тестового заряда между двумя точками. Это измеряется в вольтах (джоуль на кулон).

Напряжение может быть вызвано статическими электрическими полями, электрическим током через магнитное поле, изменяющимися во времени магнитными полями или некоторой комбинацией этих трех. [1] [2] Вольтметр можно использовать для измерения напряжения (или разности потенциалов) между двумя точками в системе; часто в качестве одной из точек используется общий опорный потенциал, такой как земля системы. Напряжение может представлять собой либо источник энергии (электродвижущая сила), либо потерянная, используемая или сохраненная энергия (падение потенциала).

При описании напряжения, тока и сопротивления общей аналогией является резервуар для воды. В этой аналогии заряд представлен количеством воды, напряжение представлено давлением воды, а ток представлен потоком воды. Поэтому для этой аналогии запомните:

Вода = Заряд

Давление = Напряжение

Расход = Текущий

Рассмотрим резервуар для воды на определенной высоте над землей. Внизу этого бака есть шланг.

Таким образом, в баке с большим сопротивлением ток ниже.

Шаг 3: Электричество ：

Электричество - это наличие и поток электрического заряда. Его самая известная форма - это поток электронов через проводники, такие как медные провода.

Электричество - это форма энергии, которая имеет положительную и отрицательную формы, которая возникает естественным образом (как в случае молнии) или вырабатывается (как в генераторе). Это форма энергии, которую мы используем для питания машин и электрических устройств. Когда заряды неподвижны, электричество называется статическим электричеством. Когда заряды движутся, они представляют собой электрический ток, иногда называемый «динамическим электричеством». Молния - самый известный и опасный вид электричества в природе, но иногда статическое электричество заставляет предметы слипаться.

Электричество может быть опасным, особенно вокруг воды, потому что вода является проводником. С девятнадцатого века электричество использовалось во всех сферах нашей жизни. До этого это было просто любопытство, увиденное во время грозы.

Электричество может возникнуть, если магнит проходит близко к металлической проволоке. Это метод, используемый генератором. Самые большие генераторы находятся на электростанциях. Электричество также можно получить, объединив химические вещества в банке с двумя разными видами металлических стержней. Это метод, используемый в батарее. Статическое электричество создается за счет трения между двумя материалами. Например, шерстяная шапка и пластиковая линейка. Если протереть их вместе, может возникнуть искра. Электричество также может быть создано с использованием энергии солнца, как в фотоэлектрических элементах.

Электроэнергия поступает в дома по проводам от места, где она вырабатывается. Он используется в электрических лампах, электрических обогревателях и т. Д. Многие бытовые приборы, такие как стиральные машины и электрические плиты, используют электричество. На заводах есть машины, приводящие в действие электричество. Людей, которые имеют дело с электричеством и электрическими устройствами в наших домах и на фабриках, называют «электриками».

Предположим теперь, что у нас есть два резервуара, каждый из которых имеет шланг, идущий снизу. В каждом резервуаре одинаковое количество воды, но шланг одного резервуара уже, чем шланг другого.

Мы измеряем одинаковое давление на конце любого шланга, но когда вода начинает течь, расход воды в баке с более узким шлангом будет меньше, чем расход воды в баке с более узким шлангом. более широкий шланг. С точки зрения электричества, ток через более узкий шланг меньше, чем ток через более широкий шланг. Если мы хотим, чтобы поток через оба шланга был одинаковым, мы должны увеличить количество воды (заряд) в резервуаре с помощью более узкого шланга.

Шаг 4: электрическое сопротивление и проводимость

В гидравлической аналогии ток, протекающий через провод (или резистор), подобен воде, протекающей по трубе, а падение напряжения на проводе подобно перепаду давления, которое проталкивает воду через трубу. Электропроводность пропорциональна тому, какой поток возникает при заданном давлении, а сопротивление пропорционально тому, сколько давления требуется для достижения заданного потока. (Проводимость и сопротивление взаимны.)

Падение напряжения (то есть разница между напряжениями на одной стороне резистора и другой), а не само напряжение, обеспечивает движущую силу, проталкивающую ток через резистор. В гидравлике это похоже: разница давлений между двумя сторонами трубы, а не само давление определяет поток через нее. Например, над трубой может быть большое давление воды, которая пытается протолкнуть воду вниз по трубе. Но под трубой может быть такое же большое давление воды, которое пытается протолкнуть воду обратно по трубе. Если эти давления равны, вода не течет. (На изображении справа давление воды под трубой равно нулю.)

Сопротивление и проводимость провода, резистора или другого элемента в основном определяется двумя свойствами:

• геометрия (форма) и
• материал

Геометрия важна, потому что по длинной узкой трубе труднее протолкнуть воду, чем по широкой короткой трубе. Точно так же длинный тонкий медный провод имеет более высокое сопротивление (более низкую проводимость), чем короткий толстый медный провод.

Материалы тоже важны. Труба, заполненная волосами, ограничивает поток воды больше, чем чистая труба той же формы и размера. Точно так же электроны могут свободно и легко течь через медную проволоку, но не могут так же легко проходить через стальную проволоку той же формы и размера, и они, по сути, вообще не могут проходить через изолятор, такой как резина, независимо от его формы. Разница между медью, сталью и резиной связана с их микроскопической структурой и электронной конфигурацией и количественно определяется свойством, называемым удельным сопротивлением.

Помимо геометрии и материала, существуют различные другие факторы, которые влияют на сопротивление и проводимость.

Само собой разумеется, что мы не можем протолкнуть через узкую трубу такой же объем, как более широкая, при том же давлении. Это сопротивление. Узкая труба «сопротивляется» потоку воды через нее, даже если вода находится под тем же давлением, что и резервуар с более широкой трубой.

С электрической точки зрения это представлено двумя цепями с одинаковым напряжением и разным сопротивлением. Цепь с более высоким сопротивлением позволит протекать меньшему количеству заряда, то есть в цепи с более высоким сопротивлением будет меньше тока, протекающего через нее.

Шаг 5: Закон Ома ：

Закон Ома гласит, что ток через проводник между двумя точками прямо пропорционален напряжению в этих двух точках. Вводя константу пропорциональности, сопротивление, приходим к обычному математическому уравнению, описывающему эту взаимосвязь:

где I - ток через проводник в единицах ампер, V - напряжение, измеренное на проводнике в единицах вольт, а R - сопротивление проводника в единицах Ом. Более конкретно, закон Ома гласит, что R в этом отношении постоянно, независимо от тока.

Закон был назван в честь немецкого физика Георга Ома, который в трактате, опубликованном в 1827 году, описал измерения приложенного напряжения и тока через простые электрические цепи, содержащие провода различной длины. Ом объяснил свои экспериментальные результаты немного более сложным уравнением, чем современная форма, приведенная выше (см. Историю).

В физике термин закон Ома также используется для обозначения различных обобщений закона, первоначально сформулированного Омом.