Рубрики: #электрофизика (inznan) , #основы физики (inznan) , #школьникам (inznan)
Один из фундаментальных законов, который всегда изучают в курсе физике - это закон Ома. Он относительно простой, но при этом весьма важен для корректного понимания. Давайте изучим его в режиме "для чайников".
С пониманием как такового физического явления, обуславливающего появление закона Ома, обычно проблем не возникает. Но вот с вариантами формулировки и записи самого закона, а также аспектами, связанными с особенностями его применения в разных случаях, сложности частенько появляются.
В основе закона Ома лежит некая физическая штука, которая называется сопротивление.
Понятие сопротивление доходчиво
Электрическое сопротивление - это величина, которая определяет способность проводника пропускать электрический ток. Полезно также освежить знания про электрический ток (писали в этой статье).
Представить это проще всего, исходя из строения металлов.
По классической теории металл состоит из кристаллической решетки, а между структурными элементами этой решетки путешествуют свободные электроны.
Внешнее электрическое поле заставляет их перемещаться и образуется электрический ток, т.е. направленное упорядоченное движение частиц.
Решетка металла мешает им двигаться по своему объему. Электроны трутся об её узлы и не могут протиснуться. Вот это явление и образует сопротивление. Это "сила", которая мешает перемещению.
Ситуация аналогично ситечку на раковине. Вода проходит, но медленнее, чем проходила бы без ситечка.
Аналогичная ситуация присутствует во всех материалах, правда род и тип частичек может меняться. Тип строения тоже разный. Но условно можно принять, что всегда структура мешает им двигаться что в дереве, что в металле.
В некоторых телах вообще таких частичек не будет, там сопротивление бесконечное (некоторые виды резин, например).
Обратите внимание, что мы не рассматриваем тут понятие электрического тока и напряжения, т.к. это отдельные темы и если есть непонимание, обязательно напишите об этом в комментариях. Правда про электрический ток есть наше видео. Эти вещи нужно четко понимать.
Ну и из сказанного очевидно, что сопротивление будет зависеть от геометрических параметров проводника (т.е. площадь сечения S, длина l) и типа проводника (который тут описывается понятием удельное сопротивление и является табличной величиной). Ещё оно зависит от температуры (чем выше тем больше для большинства тел), но это мы совсем от самого закона уходим... Для задачек на закон Ома знаний уже вполне достаточно.
Формулировка закона Ома
В результате множества экспериментов Ом вывел зависимость, которая определяет связь между силой тока в проводнике, напряжением и тем самым сопротивлением, которое мы описали выше.
Звучит закон так: Cила тока на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению
Вроде как все слова тут понятные, если знать все определения. Сопротивление мы разобрали. Сила тока - это, грубо говоря, количество частичек, которое окажется в проводнике. Понятие сила тока подробно я разбирал в этой статье, обязательно прочитайте её.
Напряжение - это "поток", который эти частицы несет. Вот вроде бы всё и увязали.
Если рассматривать цепь, то сопротивление по элементам распределяется согласно их техническим характеристикам и вычисляется согласно закону Ома. Т.е. мы не можем утверждать, что на каждом элементе есть одинаковое сопротивление.
Например, если в цепи с последовательным подключением две лампочки, т омы помним что сила тока во всей цепи при таком соединении одинаковая, а вот напряжение на элементах разное. Замеряем его на точках подключения лампочек, записываем и запихиваем в закон Ома. Вот всё и посчитали :)...
Закон Ома для участка цепи
Когда закон ома записан в такой форме, как мы привели выше, то он называется закон ома для участка цепи.
Почему для участка цепи? Для участка, потому что тут не учитывается сопротивление всей цепи. Можно измерить сопротивление на каждом участке исходя из приведенных характеристик.
Закон Ома для полной цепи
Полной цепью (в отличие от участка цепи, применительно к которому мы излагали всё выше) называется цепь с учетом источника тока.
Почему это важно?
Именно потому, что если мы представим себе электрическую цепь условно как систему труб для воды, то участок цепи это будет незамкнутый кусок трубы, а полная цепь - зацикленная система.
Из примера может показаться, что участок цепи есть незамкнутая в электрическом смысле цепь. Нет, пример приведен не для этого. И там, и там электрическая цепь замкнута.
Просто нам нужно обозначить, что без учета источника тока и его внутреннего сопротивления (r) цепь не полная, а расчёт не всегда способен учитывать все значимые характеристики.
Ну а внутреннее сопротивление, как вы наверное догадались - это то сопротивление, которым обладает источник тока. Да, току в цепи сложно проходить и через сам источник! Даже сам источник провоцирует энергетические потери. А вот считать его аналогично расчёту для участка цепи нельзя.
Получается, что в закон Ома добавится ещё и внутренне сопротивление. И всё! Ничего страшного.
Формулировка закона Ома для полной цепи немного изменится. Теперь у нас слово напряжение заменится словом ЭДС (электродвижущая сила), а слово сопротивление заменится суммой внешнего сопротивления цепи и внутреннего сопротивления источника тока. Ну и формула будет такая:
Добавилось понятие электродвижущая сила (ЭДС), обозначенная в формуле E прописное. Что это за зверь?
ЭДС - это, по сути дела, и есть напряжение.
Разница в том, что если мы опять сравним напряжение с напором воды в водопроводе, то напряжением будет являться разница напора между двумя произвольными точками в водопроводе, а ЭДС - это напор на насосе, который качает воду.
При использовании термина ЭДС мы вспоминаем, что у источника есть внутреннее сопротивление, как оно есть и у насоса, который препятствует движению воды через самого себя. Если же мы считали бы именно напряжение источника, то мы бы приняли, что система идеальная и источник движению тока сам не препятствует.
Закон Ома в дифференциальной и интегральной формах
При изучении закона Ома могут выплывать ещё и такие понятия, как закон Ома в дифференциальной и интегральной формах.
Всё это большие темы, поэтому мы рассмотрим их в отдельных статьях.
Тут отметим лишь то, что в дифференциальной форме закон Ома применяется для определения параметров для ничтожно малого участка цепи. Ведь превалирует слово дифференциал или производная.
В интегральной же форме мы рассматриваем цепь с учетом источника тока или без него. Аналогично тому, как мы писали выше. Помним, что интеграл по своей сути - есть сумма.
Если статья оказалась для вас полезной, то обязательно поддержите наш проект лайком и подпиской ;)!
Советую прочитать:
- Про интеграл просто
- Сработала бы маскировку Арни из хищника
- Интересная физика, выпуск 5
