Напряжение обратно пропорционально площади

Постоянный электрический ток. Сила тока. Напряжение. Электрическое сопротивление. Закон Ома для участка электрической цепи

Для того чтобы в проводнике существовал электрический ток, необходимы два условия: наличие свободных заряженных частиц и электрического поля, которое создаёт их направленное движение.

При существовании тока в разных средах: в металлах, жидкостях, газах — электрический заряд переносится разными частицами. В металлах этими частицами являются электроны, в жидкостях заряд переносится ионами, в газах — электронами, положительными и отрицательными ионами.

Дистиллированная вода не проводит электрический ток, поскольку она не содержит свободных зарядов. Если в воду добавить поваренную соль или медный купорос, то в ней появятся свободные заряды, и она станет проводником электрического тока. В растворе поваренной соли в воде происходит электролитическая диссоциация — процесс разложения молекулы поваренной соли на положительный ион натрия и отрицательный ион хлора. Если в сосуд с раствором поваренной соли поместить две металлические пластины, соединённые с источником тока (рис. 79), то положительный ион натрия в электрическом поле будет двигаться к пластине, соединенной с отрицательным полюсом источника тока, называемым катодом, а отрицательный ион хлора — с положительным полюсом источника тока, называемым анодом.

Газы в обычных условиях тоже не проводят электрический ток, так как в них нет свободных зарядов. Однако если в воздушный промежуток между двумя металлическими пластинами, соединёнными с источником тока, внести зажжённую спичку или спиртовку, то газ станет проводником и гальванометр зафиксирует протекание тока но цепи. При внесении пламени в воздушный промежуток между пластинами происходит ионизация газа (рис. 80). При этом от атома «отрываются» электроны и образуется положительный ион. Во время движения электрон может присоединиться к нейтральному атому и образовать отрицательный ион. Положительные ионы движутся к отрицательному электроду, а отрицательные ионы и электроны — к положительному электроду.

2. Направленное движение зарядов обеспечивается электрическим полем. Электрическое поле в проводниках создаётся и поддерживается источником тока. В источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц. Эти частицы накапливаются на полюсах источника тока. Один полюс источника заряжается положительно, другой — отрицательно. Между полюсами источника образуется электрическое поле, под действием которого заряженные частицы начинают двигаться упорядоченно.

В источнике тока совершается работа при разделении заряженных частиц. При этом различные виды энергии превращаются в электрическую энергию. В электрофорной машине в электрическую энергию превращается механическая энергия, в гальваническом элементе — химическая.

3. Электрический ток, проходя по цепи, производит различные действия. Тепловое действие электрического тока заключается в том, что при его прохождении по проводнику в нём выделяется некоторое количество теплоты. Пример применения теплового действия тока — электронагревательные элементы чайников, электроплит, утюгов и пр. В ряде случаев температура проводника нагревается настолько сильно, что можно наблюдать его свечение. Это происходит в электрических лампочках накаливания.

Магнитное действие электрического тока проявляется в том, что вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое, действуя на магнитную стрелку, расположенную рядом с проводником, заставляет её поворачиваться (рис. 81).

Благодаря магнитному действию тока можно превратить железный гвоздь в электромагнит, намотав на него провод, соединённый с источником тока. При пропускании по проводу электрического тока гвоздь будет притягивать железные предметы.

Химическое действие электрического тока проявляется в том, что при его прохождении в жидкости на электроде выделяется вещество. Если в стакан с раствором медного купороса поместить угольные электроды и присоединить их к источнику тока, то, вынув через некоторое время эти электроды из раствора, можно обнаружить на электроде, присоединённом к отрицательному полюсу источника (на катоде), слой чистой меди.

Это происходит потому, что между электродами существует электрическое поле, в котором ионы (положительно заряженные ионы меди и отрицательно заряженные ионы кислотного остатка) движутся к соответствующим электродам. Достигнув отрицательного электрода, ионы меди получают недостающие электроны, при этом восстанавливается чистая медь.

4. Характеристикой тока в цепи служит величина, называемая силой тока ​ \( (I) \) ​. Силой тока называют физическую величину, равную отношению заряда ​ \( q \) ​, проходящего через поперечное сечение проводника за промежуток времени ​ \( t \) ​, к этому промежутку времени: ​ \( I=q/t \) ​.

Определение единицы силы тока основано на магнитном действии тока, в частности на взаимодействии параллельных проводников, по которым идёт электрический ток. Такие проводники притягиваются, если ток по ним идёт в одном направлении, и отталкиваются, если направление тока в них противоположное.

За единицу силы тока принимают такую силу тока, при которой отрезки параллельных проводников длиной 1 м, находящиеся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 2·10 -7 Н.

Эта единица называется ампером (1 А).

Зная формулу силы тока, можно получить единицу электрического заряда: 1 Кл = 1 А · 1 с.

5. Прибор, с помощью которого измеряют силу тока в цепи, называется амперметром. Его работа основана на магнитном действии тока. Основные части амперметра магнит и катушка. При прохождении по катушке электрического тока она в результате взаимодействия с магнитом, поворачивается и поворачивает соединённую с ней стрелку. Чем больше сила тока, проходящего через катушку, тем сильнее она взаимодействует с магнитом, тем больше угол поворота стрелки. Амперметр включается в цепь последовательно с тем прибором, силу тока в котором нужно измерить (рис. 82), и потому он имеет малое внутреннее сопротивление, которое практически не влияет на сопротивление цепи и на силу тока в цепи.

У клемм амперметра стоят знаки «+» и «-», при включении амперметра в цепь клемма со знаком «+» присоединяется к положительному полюсу источника тока, а клемма со знаком «-» к отрицательному полюсу источника тока.

6. Источник тока создаёт электрическое поле, которое приводит в движение электрические заряды. Характеристикой источника тока служит величина, называемая напряжением. Чем оно больше, тем сильнее созданное им поле. Напряжение характеризует работу, которую совершает электрическое поле по перемещению электрического заряда, равного 1 Кл.

Напряжением ​ \( U \) ​ называют физическую величину, равную отношению работы ​ \( (A) \) ​ электрического поля по перемещению электрического заряда к заряду ​ \( (q) \) ​: ​ \( U=A/q \) ​.

Возможно другое определение понятия напряжения. Если числитель и знаменатель в формуле напряжения умножить на время движения заряда ​ \( (t) \) ​, то получим: ​ \( U=At/qt \) ​. В числителе этой дроби стоит мощность тока ​ \( (P) \) ​, а в знаменателе — сила тока ​ \( (I) \) ​: ​ \( U=P/I \) ​, т.е. напряжение — физическая величина, равная отношению мощности электрического тока к силе тока в цепи.

Единица напряжения: ​ \( [U]=[A]/[q] \) ​; ​ \( [U] \) ​ = 1 Дж/1 Кл = 1 В (один вольт).

Напряжение измеряют вольтметром. Он имеет такое же устройство, что и амперметр и такой же принцип действия, но он подключается параллельно тому участку цепи, напряжение на котором хотят измерить (рис. 83). Внутреннее сопротивление вольтметра достаточно большое, соответственно проходящий через него ток мал по сравнению с током в цепи.

У клемм вольтметра стоят знаки «+» и «-», при включении вольтметра в цепь клемма со знаком «+» присоединяется к положительному полюсу источника тока, а клемма со знаком «-» к отрицательному полюсу источника тока.

7. Собрав электрическую цепь, состоящую из источника тока, резистора, амперметра, вольтметра, ключа (рис. 83), можно показать, что сила тока ​ \( (I) \) ​, протекающего через резистор, прямо пропорциональна напряжению ​ \( (U) \) ​ на его концах: ​ \( I\sim U \) ​. Отношение напряжения к силе тока ​ \( U/I \) ​ — есть величина постоянная. Если заменить резистор, включённый в цепь, другим резистором и повторить опыт, получим тот же результат: сила тока в резисторе прямо пропорциональна напряжению на его концах, а отношение напряжения к силе тока есть величина постоянная. Только в этом случае значение отношения напряжения к силе тока будет отличаться от отношения этих величин в первом опыте. Причиной этого является то, что в цепь включались разные резисторы. Следовательно, существует физическая величина, характеризующая свойства проводника (резистора), по которому течёт электрический ток. Эту величину называют электрическим сопротивлением проводника, или просто сопротивлением. Обозначается сопротивление буквой ​ \( R \) ​.

Сопротивлением проводника ​ \( (R) \) ​ называют физическую величину, равную отношению напряжения ​ \( (U) \) ​ на концах проводника к силе тока ​ \( (I) \) ​ в нём. ​ \( R=U/I \) ​.

За единицу сопротивления принимают Ом (1 Ом).

Один Ом — сопротивление такого проводника, в котором сила тока равна 1 А при напряжении на его концах 1 В: 1 Ом = 1 В/1 А.

Причина того, что проводник обладает сопротивлением, заключается в том, что направленному движению электрических зарядов в нём препятствуют ионы кристаллической решетки, совершающие беспорядочное движение. Соответственно, скорость направленного движения зарядов уменьшается.

8. Электрическое сопротивление ​ \( R \) ​ прямо пропорционально длине проводника ​ \( (l) \) ​, обратно пропорционально площади его поперечного сечения ​ \( (S) \) ​ и зависит от материала проводника. Эта зависимость выражается формулой: ​ \( R=\rho\frac \) ​. ​ \( \rho \) ​ — величина, характеризующая материал, из которого сделан проводник. Эта величина называется удельным сопротивлением проводника, её значение равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 .

Единицей удельного сопротивления проводника служит: ​ \( [\rho]=\frac \) ​; ​ \( [\rho]=\frac \) ​. Часто площадь поперечного сечения измеряют в мм 2 , поэтому в справочниках значения удельного сопротивления проводника приводятся как в Ом·м, так и в ​ \( \frac \) ​.

Изменяя длину проводника, а следовательно его сопротивление, можно регулировать силу тока в цепи. Прибор, с помощью которого это можно сделать, называется реостатом (рис. 84).

9. Как показано выше, сила тока в проводнике зависит от напряжения на его концах. Если в опыте менять проводники, оставляя напряжение на них неизменным, то можно показать, что при постоянном напряжении на концах проводника сила тока обратно пропорциональна его сопротивлению. Объединив зависимость силы тока от напряжения и его зависимость от сопротивления проводника, можно записать: ​ \( I=\frac \) ​. Этот закон, установленный экспериментально, называется законом Ома (для участка цепи): сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИЙ

Часть 1

1. На рисунке приведена схема электрической цепи, состоящей из источника тока, ключа и двух параллельно соединённых резисторов. Для измерения напряжения на резисторе ​ \( R_2 \) ​ вольтметр можно включить между точками

1) только Б и В
2) только А и В
3) Б и Г или Б и В
4) А и Г или А и В

2. На рисунке представлена электрическая цепь, состоящая из источника тока, резистора и двух амперметров. Сила тока, показываемая амперметром А1, равна 0,5 А. Амперметр А2 покажет силу тока

1) меньше 0,5 А
2) больше 0,5 А
3) 0,5 А
4) 0 А

3. Ученик исследовал зависимость силы тока в электроплитке от приложенного напряжения и получил следующие данные.

Проанализировав полученные значения, он высказал предположения:

А. Закон Ома справедлив для первых трёх измерений.
Б. Закон Ома справедлив для последних трёх измерений.

Какая(-ие) из высказанных учеником гипотез верна(-ы)?

1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б

4. На рисунке изображён график зависимости силы тока в проводнике от напряжения на его концах. Чему равно сопротивление проводника?

1) 0,25 Ом
2) 2 Ом
3) 4 Ом
4) 8 Ом

5. На диаграммах изображены значения силы тока и напряжения на концах двух проводников. Сравните сопротивления этих проводников.

1) ​ \( R_1=R_2 \) ​
2) \( R_1=2R_2 \) ​
3) \( R_1=4R_2 \) ​
4) \( 4R_1=R_2 \) ​

6. На рисунке приведена столбчатая диаграмма. На ней представлены значения мощности тока для двух проводников (1) и (2) одинакового сопротивления. Сравните значения напряжения ​ \( U_1 \) ​ и ​ \( U_2 \) ​ на концах этих проводников.

1) ​ \( U_2=\sqrtU_1 \) ​
2) \( U_1=3U_2 \)
3) \( U_2=9U_1 \)
4) \( U_2=3U_1 \)

7. Необходимо экспериментально обнаружить зависимость электрического сопротивления круглого угольного стержня от его длины. Какую из указанных пар стержней можно использовать для этой цели?

1) А и Г
2) Б и В
3) Б и Г
4) В и Г

8. Два алюминиевых проводника одинаковой длины имеют разную площадь поперечного сечения: площадь поперечного сечения первого проводника 0,5 мм 2 , а второго проводника 4 мм 2 . Сопротивление какого из проводников больше и во сколько раз?

1) Сопротивление первого проводника в 64 раза больше, чем второго.
2) Сопротивление первого проводника в 8 раз больше, чем второго.
3) Сопротивление второго проводника в 64 раза больше, чем первого.
4) Сопротивление второго проводника в 8 раз больше, чем первого.

9. В течение 600 с через потребитель электрического тока проходит заряд 12 Кл. Чему равна сила тока в потребителе?

1) 0,02 А
2) 0,2 А
3) 5 А
4) 50 А

10. В таблице приведены результаты экспериментальных измерений площади поперечного сечения ​ \( S \) ​, длины ​ \( L \) ​ и электрического сопротивления ​ \( R \) ​ для трёх проводников, изготовленных из железа или никелина.

На основании проведённых измерений можно утверждать, что электрическое сопротивление проводника

1) зависит от материала проводника
2) не зависит от материала проводника
3) увеличивается при увеличении его длины
4) уменьшается при увеличении его площади поперечного сечения

11. Для изготовления резисторов использовался рулон нихромовой проволоки. Поочередно в цепь (см. рисунок) включали отрезки проволоки длиной 4 м, 8 м и 12 м. Для каждого случая измерялись напряжение и сила тока (см. таблицу).

Какой вывод можно сделать на основании проведённых исследований?

1) сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения
2) сопротивление проводника прямо пропорционально его длине
3) сопротивление проводника зависит от силы тока в проводнике
4) сопротивление проводника зависит от напряжения на концах проводника
5) сила тока в проводнике обратно пропорциональна его сопротивлению

12. В справочнике физических свойств различных материалов представлена следующая таблица.

Используя данные таблицы, выберите из предложенного перечня два верных утверждения. Укажите их номера.

1) При равных размерах проводник из алюминия будет иметь меньшую массу и большее электрическое сопротивление по сравнению с проводником из меди.
2) Проводники из нихрома и латуни при одинаковых размерах будут иметь одинаковые электрические сопротивления.
3) Проводники из константана и никелина при одинаковых размерах будут иметь разные массы.
4) При замене никелиновой спирали электроплитки на нихромовую такого же размера электрическое сопротивление спирали уменьшится.
5) При равной площади поперечного сечения проводник из константана длиной 4 м будет иметь такое же электрическое сопротивление, что и проводник из никелина длиной 5 м.

Часть 2

13. Меняя электрическое напряжение на участке цепи, состоящем из никелинового проводника длиной 5 м, ученик полученные данные измерений силы тока и напряжения записал в таблицу. Чему равна площадь поперечного сечения проводника?

Сопротивление толстого провода меньше чем тонкого

Металлобаза

Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.

Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены. Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2. Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита р (ро). Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Например, удельное сопротивление меди равно 0,0175, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,0175 ом. Удельное сопротивление алюминия равно 0,029, удельное сопротивление железа — 0,135, удельное сопротивление константана — 0,48, удельное сопротивление нихрома — 1-1,1.

Читайте также: Безопасное расстояние от ЛЭП до жилого дома: нормы 2021 год

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, т. е. чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.

Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т. е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.

Сопротивление проводника можно определить по формуле:

где r — сопротивление проводника в (Ом); ρ — удельное сопротивление проводника (Ом*м); l — длина проводника в (м); S — сечение проводника в (мм2).

Пример: Определить сопротивление 200 м медной проволоки сечением 1,5 мм2.

Пример: Определить сопротивление 200 м медной проволоки сечением 2,5 мм2.

Изоляция

Изоля́ция в электротехнике — элемент конструкции оборудования, препятствующий прохождению через него электрического тока, например, для защиты человека.

Для изоляции используются материалы с диэлектрическими свойствами: стекло, керамика, многочисленные полимеры, слюда. Также существует воздушная изоляция, в которой роль изолятора выполняет воздух, а конструктивные элементы фиксируют пространственную конфигурацию изолируемых проводников так, чтобы обеспечивать необходимые воздушные промежутки.

Изоляционные покровы могут изготавливаться:

  • из электроизоляционной резины;
  • из полиэтилена;
  • из сшитого и вспененного полиэтилена;
  • из кремнийорганической резины;
  • из поливинилхлоридного пластиката(ПВХ);
  • из пропитанной кабельной бумаги;
  • из политетрафторэтилена.

Резиновая изоляция

Резиновая изоляция может применяться только с шланговой резиновой оболочкой (если такая имеется). Так как резина из натурального каучука достаточно дорогостоящая, то практически вся применяемая резина в кабельной промышленности является искусственной. К каучуку добавляют:

  • вулканизирующие вещества (элементы позволяющие преобразовать линейные связи в каучуке в пространственные связи в изоляции, например, сера);
  • ускорители вулканизации (снижают расход времени);
  • наполнители (снижают цену материала без существенного снижения технических характеристик);
  • смягчители (повышают пластические свойства);
  • противостарители (добавляются для оболочек с целью стойкости к солнечной радиации);
  • красители (для придания нужного цвета).

Резина позволяет назначать большие радиусы изгиба кабельных изделий, поэтому совместно с многопроволочной жилой применяется в проводниках для подвижного присоединения (кабели марки КГ, КГЭШ, провод РПШ). Специализация: применяется в общепромышленных кабелях для подвижного подсоединения потребителей.

Положительный свойства:

  • дешевизна искусственного каучука;
  • хорошая гибкость;
  • высокие электроизоляционные характеристики (в 6 раз превышают значение для ПВХ пластиката);
  • практически не впитывает водяные пары из воздуха.

Отрицательные качества:

Читайте также: Как выбрать генератор для дома и рассчитать мощность: советы по выбору и правильный расчет

  • снижение электрического сопротивления при повышении температуры до +80°С;
  • подверженность солнечной радиации (светоокисление) с последующим характерным растрескиванием поверхностного слоя (при отсутствии оболочки);
  • требуется ввод в состав специальных веществ для получения определённой химической стойкости;
  • распространяет горение.

Влияние длины и сечения кабеля на потери по напряжению

Влияние длины и сечения кабеля на потери по напряжению

Потери электроэнергии – неизбежная плата за ее транспортировку по проводам, вне зависимости от длины передающей линии. Существуют они и на воздушных линиях электропередач длиною в сотни километров и на отрезках электропроводки в несколько десятков метров домашней электрической сети. Происходят они, прежде всего потому, что любые провода имеют конечное сопротивление электрическому току. Закон Ома, с которым каждый из нас имел возможность познакомиться на школьных уроках физики, гласит, что напряжение (U) связано с током (I) и сопротивлением (R) следующим выражением:

из него следует что чем выше сопротивление проводника, тем больше на нем падение (потери) напряжения при постоянных значениях тока. Это напряжение приводит к нагреву проводников, который может грозить плавлением изоляции, коротким замыканием и возгоранием электропроводки.

При передаче электроэнергии на большие расстояния потерь удается избегать за счет снижения силы передаваемого тока, достигается это многократным повышением напряжения до сотен киловольт. В случае низковольтных сетей, напряжением 220 (380) В, потери можно минимизировать только выбором правильного сечения кабеля.

Почему падает напряжение и как это зависит от длины и сечения проводников

Для начала остановимся на простом житейском примере частного сектора в черте города или большого поселка, в центре которого находится трансформаторная подстанция. Жильцы домов, расположенных в непосредственной близости к ней жалуются на постоянную замену быстро перегорающих лампочек, что вполне закономерно, ведь напряжение в их сети достигает 250 В и выше. В то время как на окраине села при максимальных нагрузках на сеть оно может опускаться до 150 вольт. Вывод в таком случае напрашивается один, падение напряжение зависит от длины проводников, представленных линейными проводами.

Конкретизируем, от чего зависит величина сопротивления проводника на примере медных проводов, которым сегодня отдается предпочтение. Для этого опять вернемся к школьному курсу физики, из которого известно, что сопротивление проводника зависит от трех величин:

  • удельного сопротивления материала – ρ;
  • длины отрезка проводника – l;
  • площади поперечного сечения (при условии, что по всей длине оно одинаковое) – S.

Все четыре параметра связывает следующее соотношение:

очевидно, что сопротивление растет по мере увеличения длины проводника и падает по мере увеличения сечения жилы.

Для медных проводников удельное сопротивление составляет 0.0175 Ом·мм²/м, это значит, что километр медного провода сечением 1 мм² будет иметь сопротивление 17.5 Ом, в реальной ситуации оно может отличаться, например, из-за чистоты металла (наличия в сплаве примесей).

Для алюминиевых проводников величина сопротивления еще выше, поскольку удельное сопротивление алюминиевых проводов составляет 0.028 Ом·мм²/м.

Теперь вернемся к нашему примеру. Пусть от подстанции до самого крайнего дома расстояние составляет 1 км и электропитание напряжения 220 вольт до него проложено алюминиевым проводом марки А, с минимальным сечением 10 мм². Расстояние, которое необходимо пройти электрическому току складывается из длины нулевых и фазных проводов, то есть в нашем примере необходимо применить коэффициент 2, таким образом максимальная длина составит 2000 м. Подставляя наши значения в последнюю формулу, получим величину сопротивления равную 5.6 Ом.

Электрическое сопротивление и проводимость

РАСЧЁТ ПЛОЩАДИ СЕЧЕНИЯ ПРОВОДОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МОЩНОСТИ НАГРУЗКИ

Потери в проводниках возникают из-за ненулевого значения их сопротивления, зависящего от длины провода. Значения мощности этих потерь, выделяемых в виде тепла в окружающее пространство, приведены в таблице. В итоге к потребителю энергии на другом конце провода напряжение доходит в несколько урезанном виде — меньшим, чем оно было у источника. Из таблицы видно, что к примеру, при напряжении в сети 220 В и 100 метровой длине провода, сечением 1,5мм2, напряжение на нагрузке, потребляющей 4 кВт, окажется не 220, а 199 В. Хорошо, это или плохо? Для каких-то приборов — безразлично, какие-то работать будут, но при пониженной мощности, а какие-то взбрыкнут и пошлют Вас к едрене фене вместе с вашими длинными проводами и умными таблицами. Поэтому Минэнерго — минэнергой, а собственная голова не повредит ни при каких обстоятельствах. Если ситуация складывается подобным примеру образом — прямая дорога к выбору проводов, большего сечения.

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на нем.

Читайте также: Расчет компенсационных стабилизаторов напряжения (стр. 1 из 4)

Сопротивление провода.

Это значит, что с увеличением напряжения увеличивается и сила тока. Однако при одинаковом напряжении, но использовании разных проводников сила тока различна. Можно сказать по-другому. Если увеличивать напряжение, то хотя сила тока и будет увеличиваться, но везде по-разному, в зависимости от свойств проводника.

Зависимость силы тока от напряжения для данного конкретного проводника представляет собой сопротивление этого проводника. Оно обозначается R и находится по формуле R = U/I. То есть сопротивление определяется как отношение напряжения к силе тока. Чем больше сила тока в проводнике при данном напряжении, тем меньше его сопротивление. Чем больше напряжение при данной силе тока, тем больше сопротивление проводника.

Формулу можно переписать по отношению к силе тока: I = U/R (закон Ома). В таком случае нагляднее, что чем больше сопротивление, тем меньше сила тока.

Можно сказать, что сопротивление как бы мешает напряжению создавать большую силу тока.

Само сопротивление является характеристикой проводника. Оно не зависит от поданного на него напряжения. Если будет подано большое напряжение, то изменится сила тока, но не изменится отношение U/I, т. е. не изменится сопротивление.

От чего же зависит сопротивление проводника? Оно зависти от

  • длины проводника,
  • площади его поперечного сечения,
  • вещества, из которого изготовлен проводник,
  • температуры.

Чтобы связать вещество и его сопротивление, вводится такое понятие как удельное сопротивление вещества. Оно показывает, какое будет сопротивление в данном веществе, если проводник из него будет иметь длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м2. Проводники такой длины и толщины, изготовленные из разных веществ, будут иметь разные сопротивления. Это связано с тем, что у каждого металла (чаще всего именно они являются проводниками) своя кристаллическая решетка, свое количество свободных электронов.

Разъясняем закон Ома буквально на пальцах и картинках (5 фото)

Вспоминаем формулировку закона Ома: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку, и обратно пропорциональна сопротивлению. Теперь разберем эту, не самую, на первый взгляд простую, формулировку.
Первое понятие: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку. Это понять довольно несложно: прямая зависимость: чем выше прикладываем напряжение, тем большую получаем величину тока! Выше напряжение — сильнее ток!

Второе понятие: и обратно пропорциональна сопротивлению. Тут тоже довольно понятно: чем выше сопротивление, тем ниже сила тока.

Формула закона Ома

Легко и быстро находить нужные вам значения по этой формуле помогают такие вот подсказки, основанные на «магическом треугольнике».

А теперь — веселые картинки

А теперь - веселые картинки

Чтобы еще легче было понять, давайте рассмотрим его на знакомом примере из жизни — с водопроводной водой. «Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению, приложенному к этому участку». Вода — это ток. Течение — сила тока, давление воды — это напряжение, а труба — это проводник. Ясно, что чем выше мы поднимем бачок, тем выше станет давление воды (напряжение) и тем сильнее станет течение воды (сила тока). Опусти мы бачок — уменьшится давление (напряжение) и соответственно, ниже станет течение (сила тока). Прямая зависимость. Чем выше напряжение, тем сильнее сила тока, очень наглядно.

Разъясняем закон Ома буквально на пальцах и картинках

Теперь проверим на жизненных реалиях вторую часть формулировки закона Ома, добавим в нашу водопроводную схему понятие сопротивления. То есть нарисуем в трубе с водой заслонку. «Сила тока на участке цепи обратно пропорциональна сопротивлению.» Если опускать в трубе заслонку (повышая сопротивление), она будет мешать току воды, соответственно, сила течения (сила тока) снижается. И наоборот, при поднятии заслонки (снижая сопротивление) мы видим увеличение силы тока. Чем выше сопротивление — тем меньше сила тока, чем ниже сопротивление, тем выше сила тока. Логично.

S=(π?d^2)/4=0.78?d^2≈0.8?d^2

  • где d — это диаметр провода.

Измерить диаметр провода можно микрометром либо штангенциркулем,но если их нету под рукой,то можно плотно намотать на ручку (карандаш) около 20 витков провода, затем измерить длину намотанного провода и разделить на количество витков.

Для определения длинны провода,которая нужна для достижения необходимого сопротивления,можно использовать формулу:

1.Если данные для провода отсутствуют в таблице,то берется некоторое среднее значение.Как пример ,провод из никелина который имеет диаметр 0,18 мм площадь сечения равна приблизительно 0,025 мм2, сопротивление одного метра 18 Ом, а допустимый ток 0,075 А.

2.Данные последнего столбца,для другой плотности тока, необходимо изменить. Например при плотности тока 6 А/мм2, значение необходимо увеличить вдвое.

Пример 1. Давайте найдем сопротивление 30 м медного провода диаметром 0,1 мм.

Решение. С помощью таблицы берем сопротивление 1 м медного провода, которое равно 2,2 Ом. Значит, сопротивление 30 м провода будет R = 30•2,2 = 66 Ом.

Расчет по формулам будет выглядеть так: площадь сечения : s= 0,78•0,12 = 0,0078 мм2. Поскольку удельное сопротивление меди ρ = 0,017 (Ом•мм2)/м, то получим R = 0,017•30/0,0078 = 65,50м.

Пример 2. Сколько провода из манганина у которого диаметр 0,5 мм нужно чтобы изготовить реостат, сопротивлением 40 Ом?

Решение. По таблице выбираем сопротивление 1 м этого провода: R= 2,12 Ом: Чтобы изготовить реостат сопротивлением 40 Ом, нужен провод, длина которого l= 40/2,12=18,9 м.

Читайте также: Что такое графеновый аккумулятор и его использование

Расчет по формулам будет выглядеть так. Площадь сечения провода s= 0,78•0,52 = 0,195 мм 2 . Длина провода l = 0,195•40/0,42 = 18,6 м.

Напряжение в сечениях бруса обратно пропорционально площади сечения

Осевое (центральное) растяжение или сжатие прямого бруса вызывается внешними силами, вектор равнодействующей которых совпадает с осью бруса. При растяжении или сжатии в поперечных сечениях бруса возникают только продольные силы N. Продольная сила N в некотором сечении равна алгебраической сумме проекции на ось стержня всех внешних сил, действующих по одну сторону от рассматриваемого сечения. По правилу знаков продольной силы N принято считать, что от растягивающих внешних нагрузок возникают положительные продольные силы N, а от сжимающих — продольные силы N отрицательны (рис. 5).

Чтобы выявить участки стержня или его сечения, где продольная сила имеет наибольшее значение, строят эпюру продольных сил, применяя метод сечений, подробно рассмотренный в статье:
Анализ внутренних силовых факторов в статистически определимых системах
Ещё настоятельно рекомендую взглянуть на статью:
Расчёт статистически определимого бруса
Если разберёте теорию в данной статье и задачи по ссылкам, то станете гуру в теме «Растяжение-сжатие» =)

Напряжения при растяжении-сжатии.

Определенная методом сечений продольная сила N, является равнодействующей внутренних усилий распределенных по поперечному сечению стержня (рис. 2, б). Исходя из определения напряжений, согласно выражению (1), можно записать для продольной силы:

где σ — нормальное напряжение в произвольной точке поперечного сечения стержня.
Чтобы определить нормальные напряжения в любой точке бруса необходимо знать закон их распределения по поперечному сечению бруса. Экспериментальные исследования показывают: если нанести на поверхность стержня ряд взаимно перпендикулярных линий, то после приложения внешней растягивающей нагрузки поперечные линии не искривляются и остаются параллельными друг другу (рис.6, а). Об этом явлении говорит гипотеза плоских сечений (гипотеза Бернулли): сечения, плоские до деформации, остаются плоскими и после деформации.

Так как все продольные волокна стержня деформируются одинаково, то и напряжения в поперечном сечении одинаковы, а эпюра напряжений σ по высоте поперечного сечения стержня выглядит, как показано на рис.6, б. Видно, что напряжения равномерно распределены по поперечному сечению стержня, т.е. во всех точках сечения σ = const. Выражение для определения величины напряжения имеет вид:

Таким образом, нормальные напряжения, возникающие в поперечных сечениях растянутого или сжатого бруса, равны отношению продольной силы к площади его поперечного сечения. Нормальные напряжения принято считать положительными при растяжении и отрицательными при сжатии.

Деформации при растяжении-сжатии.

Рассмотрим деформации, возникающие при растяжении (сжатии) стержня (рис.6, а). Под действием силы F брус удлиняется на некоторую величину Δl называемую абсолютным удлинением, или абсолютной продольной деформацией, которая численно равна разности длины бруса после деформации l1 и его длины до деформации l

Читайте также: Напряжение датчиков ваз 21214

Отношение абсолютной продольной деформации бруса Δl к его первоначальной длине l называют относительным удлинением, или относительной продольной деформацией:

При растяжении продольная деформация положительна, а при сжатии – отрицательна. Для большинства конструкционных материалов на стадии упругой деформации выполняется закон Гука (4), устанавливающий линейную зависимость между напряжениями и деформациями:

где модуль продольной упругости Е, называемый еще модулем упругости первого рода является коэффициентом пропорциональности, между напряжениями и деформациями. Он характеризует жесткость материала при растяжении или сжатии (табл. 1).

Модуль продольной упругости для различных материалов

Абсолютная поперечная деформация бруса равна разности размеров поперечного сечения после и до деформации:

Соответственно, относительную поперечную деформацию определяют по формуле:

При растяжении размеры поперечного сечения бруса уменьшаются, и ε ‘ имеет отрицательное значение. Опытом установлено, что в пределах действия закона Гука при растяжении бруса поперечная деформация прямо пропорциональна продольной. Отношение поперечной деформации ε ‘ к продольной деформации ε называется коэффициентом поперечной деформации, или коэффициентом Пуассона μ:

Экспериментально установлено, что на упругой стадии нагружения любого материала значение μ = const и для различных материалов значения коэффициента Пуассона находятся в пределах от 0 до 0,5 (табл. 2).

Абсолютное удлинение стержня Δl прямо пропорционально продольной силе N:

Данной формулой можно пользоваться для вычисления абсолютного удлинения участка стержня длиной l при условии, что в пределах этого участка значение продольной силы постоянно . В случае, когда продольная сила N изменяется в пределах участка стержня, Δl определяют интегрированием в пределах этого участка:

Произведение (Е·А) называют жесткостью сечения стержня при растяжении (сжатии).

Механические свойства материалов.

Основными механическими свойствами материалов при их деформации являются прочность , пластичность , хрупкость , упругость и твердость .

Прочность — способность материала сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь и без появления остаточных деформаций.

Пластичность – свойство материала выдерживать без разрушения большие остаточные деформации. Неисчезающие после снятия внешних нагрузок деформации называются пластическими.

Хрупкость – свойство материала разрушаться при очень малых остаточных деформациях (например, чугун, бетон, стекло).

Читайте также: Как уходить от шагового напряжения

Идеальная упругость – свойство материала (тела) полностью восстанавливать свою форму и размеры после устранения причин, вызвавших деформацию.

Твердость – свойство материала сопротивляться проникновению в него других тел.

Рассмотрим диаграмму растяжения стержня из малоуглеродистой стали. Пусть круглый стержень длинной l и начальным постоянным поперечным сечением площади A статически растягивается с обоих торцов силой F.

Диаграмма сжатия стержня имеет вид (рис. 10, а)

где Δl = l — l абсолютное удлинение стержня; ε = Δl / l — относительное продольное удлинение стержня; σ = F / A — нормальное напряжение; E — модуль Юнга; σп — предел пропорциональности; σуп — предел упругости; σт — предел текучести; σв — предел прочности (временное сопротивление); εост — остаточная деформация после снятия внешних нагрузок. Для материалов, не имеющих ярко выраженную площадку текучести, вводят условный предел текучести σ0,2 — напряжение, при котором достигается 0,2% остаточной деформации. При достижении предела прочности в центре стержня возникает локальное утончение его диаметра («шейка»). Дальнейшее абсолютное удлинение стержня идет в зоне шейки ( зона местной текучести). При достижении напряжением предела текучести σт глянцевая поверхность стержня становится немного матовой – на его поверхности появляются микротрещины (линии Людерса-Чернова), направленные под углом 45° к оси стержня.

Расчеты на прочность и жесткость при растяжении и сжатии.

Опасным сечением при растяжении и сжатии называется поперечное сечение бруса, в котором возникает максимальное нормальное напряжение. Допускаемые напряжения вычисляются по формуле:

где σпред — предельное напряжение (σпред = σт — для пластических материалов и σпред = σв — для хрупких материалов); [n] — коэффициент запаса прочности. Для пластических материалов [n] = [nт] = 1,2 … 2,5; для хрупких материалов [n] = [nв] = 2 … 5, а для древесины [n] = 8 ÷ 12.

Расчеты на прочность при растяжении и сжатии.

Целью расчета любой конструкции является использование полученных результатов для оценки пригодности этой конструкции к эксплуатации при минимальном расходе материала, что находит отражение в методах расчета на прочность и жесткость.

Условие прочности стержня при его растяжении (сжатии):

При проектном расчете определяется площадь опасного сечения стержня:

При определении допускаемой нагрузки рассчитывается допускаемая нормальная сила:

Читайте также: Автомобильный преобразователь напряжения ritmix rpi 3001

Расчет на жесткость при растяжении и сжатии.

Работоспособность стержня определяется его предельной деформацией [ l ]. Абсолютное удлинение стержня должно удовлетворять условию:

Часто дополнительно делают расчет на жесткость отдельных участков стержня.

Следующая важная статья теории:
Изгиб балки

Напряжения при растяжении и сжатии

Напряжения при растяжении и сжатии

При растяжении и сжатии в сечении действует только нормальное напряжение.

Напряжения в поперечных сечениях могут рассматриваться как силы, приходящиеся на единицу площади.

Таким образом, направление и знак напряжения в сечении совпадают с направлением и знаком силы в сечении (рис. 20.3).

Исходя из гипотезы плоских сечений, можно предположить, что напряжения при растяжении и сжатии в пределах каждого сечения не меняются. Поэтому напряжение можно рассчитать по формуле

где — продольная сила в сечении; — площадь поперечного сечения. Величина напряжения прямо пропорциональна продольной силе и обратно пропорциональна площади поперечного сечения.

Нормальные напряжения действуют при растяжении от сечения (рис. 20.4а), а при сжатии к сечению (рис. 20.46).

Размерность (единица измерения) напряжений — , однако это слишком малая единица, и практически напряжения рассчитывают в :

При определении напряжений брус разбивают на участки нагружений, в пределах которых продольные силы не изменяются, и учитывают места изменений площади поперечных сечений.

Рассчитывают напряжения по сечениям, и расчет оформляют в виде эпюры нормальных напряжений.

Строится и оформляется такая эпюра так же, как и эпюра продольных сил.

Рассмотрим брус, нагруженный внешними силами вдоль оси (рис. 20.5).

Обнаруживаем три участка нагружения и определяем величины продольных сил.

Участок 1: . Внутренние продольные силы равны нулю.

Участок 2: . Продольная сила на участке положительна.

Участок 3: . Продольная сила на участке отрицательна. Брус — ступенчатый. С учетом изменений величин площади поперечного сечения участков напряжений больше.

Строим эпюры продольных сил и нормальных напряжений. Масштабы эпюр могут быть разными и выбираются исходя из удобства построения.

Эта теория взята со страницы решения задач по предмету «техническая механика»:

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.lfirmal.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института