Закон Ома: примеры на последовательной и параллельной схеме

Электроны – отрицательно заряженные элементы, которые вращаются вокруг ядра атома и выступают основными носителями электрических зарядов. Внутренняя область ядра атома заполнена положительно заряженными протонами. Когда число отрицательно заряженных электронов сравнивается с числом положительно заряженных протонов, электрические заряды компенсируют друг друга. Атом приобретает состояние нейтрально заряженной частицы. Можно изменить нейтральное состояние, добавив (или удалив) электрон, тогда система приобретает электрически заряженное состояние. Добавление электрона делает систему отрицательно заряженной. Удаление электрона делает систему положительно заряженной. Какую роль играет в этом Закон Ома, рассмотрим ниже.

Принцип транспорта лишних электронов

Если положительно заряженная система присоединена к отрицательно заряженной системе (например, с помощью провода или другого проводящего предмета), лишние электроны из отрицательно заряженной системы устремятся к положительно заряженной системе. При этом поток электронов, протекающий через проводник, образует состояние, именуемое током.

Ток измеряется в амперах (A), что соответствует прохождению 6,25×1018 электронов в секунду, а направление тока традиционно противоположно действительному потоку электронов. То есть электрический ток течёт от положительной области к отрицательной области.

Величина тока (I), создаваемого между двумя подключенными противоположно заряженными системами, зависит от двух факторов:

  1. Напряжения (V).
  2. Сопротивления (R).

Напряжение  (электрический потенциал) — энергия, приходящаяся на один электрон системы. Эта энергия связана разницей зарядов положительной и отрицательной сторон системы. Напряжение или потенциал измеряется вольтами (джоуль / кулонами):

1V = 1Дж / Кл

Поскольку электроны движутся через объект, логичной видится тенденция столкновений с атомами и другими электронами. Энергия, образованная столкновениями, выделяется теплом. Объём выделяемого тепла зависит от сопротивления материала, через который протекает ток.

Структура постоянного резистора
Структурная составляющая постоянного сопротивления: 1, 2 – концевые соединительные проводники; 3 – изоляционный материал; 4 – спиральная бороздка; 5 – резистивная плёнка

Сопротивление измеряется в Омах (Ом) и показывает, сколько материала блокирует движение электронов. При проектировании электрической цепи, устройства, обладающие высоким сопротивлением, допускается размещать на пути движущихся электронов, чтобы таким способом уменьшить поток, соответственно, снизить электрический ток.

Такие устройства получили название резисторов. При помощи приборов можно наблюдать: когда напряжение увеличивается, величина тока также увеличивается. Когда сопротивление увеличивается, величина тока уменьшается. Эти моменты удачно демонстрирует закон Ома:

V = I * R или R = V / R

где I — величина тока, V — напряжение, R — сопротивление материала.

Резисторы и другие электрические устройства обычно располагаются двумя различными способами, чтобы тем самым образовать цепь для прохождения электронов.

Последовательные цепи предполагают расположение всех устройств такой схемой, чтобы электроны проходили через каждое устройство. Параллельные цепи обычно имеют два или более различных пути прохождения электронов через резисторы и устройства.

Схемы соединения цепей для закона Ома
Схемы соединений цепей: А – последовательное включение (R1, R2) с источником тока (ИП); В – параллельное включение (R1, R2) с источником тока (ИП)

Последовательные цепи

Имеются в виду схемы, когда резисторы расположены последовательно один за другим. Транспортный ток через каждый резистор, одинаков:

I общ = IR1 = IR2 = ….

Для вычисления полного сопротивления цепи достаточно сложить сопротивление каждого резистора:

R общ = R1 + R2 + ….

Общее напряжение цепи также определяется суммированием значения напряжения, приходящегося на каждый отдельный резистор. Однако следует учитывать разницу напряжений на каждом резисторе. Поэтому расчёт ведётся по закону Ома. Например, для резистора R2 действительна формула:

V = I * R2

Параллельные цепи

Правила, регулирующие параллельные цепи, несколько отличаются от расчёта последовательных цепей. Когда резисторы расположены параллельно друг другу, напряжение на каждом резисторе одинаково:

V общ = V1 = V2 = ….

Для получения обратного значения полного сопротивления цепи необходимо сложить обратное сопротивление каждого резистора:

1 / R общ = 1 / R1 + 1 / R2 + ….

Лабораторная схема для эксперимента
Лабораторная схема, посредством которой выполняются исследовательские работы на предмет изучения Закона Ома. Значения сопротивлений схемы могут быть любыми

Общий ток цепи несложно найти суммированием тока, протекающего через каждый отдельный резистор. Однако ток через каждый резистор отличается, а потому опять же рассчитывается Законом Ома:

I1 = V / R1

Электрические цепи допускают включение резисторов, как в параллельном, так и последовательном расположении. В подобных случаях применяется формула последовательного или параллельного расчёта для получения нужных значений.

Какие проводники не подчиняются закону Ома?

Закон Ома, указывающий на пропорциональность напряжений и токов, верен для многих практических случаев. Однако есть исключения. Так, обычная электролампа прямого накала проводит ток, но при этом не подчиняется закону Ома. Если прикладывать разные напряжения к лампе прямого накала, измерение тока лампы покажет разные значения отношения:

V / I

Эта особенность делает невозможным определение истинного сопротивления электролампы прямого накала. Проводники, обладающие сопротивлением, всегда дают одинаковое соотношение V / I, независимо от прикладываемого напряжения. В таких случаях фактически справедлива формула:

V / I = R

Лабораторное исследование Закона Ома

Рассмотрим действие Закона Ома через исследования лабораторным путём с использованием последовательных и параллельных цепей. Схема, подходящая для эксперимента, представлена выше на картинке.

Инструментально потребуются два прибора: измеритель напряжения (вольтметр), измеритель силы тока (амперметр). Обычно оба измерителя представлены единой конструкцией прибора, именуемого – мультиметр.

Конструкции мультиметров для исследований закона Ома
Конструкций мультиметров в современном (цифровом) исполнении существует множество. Каждый прибор, как правило, поддерживает измерение напряжения, тока, сопротивлений и прочих электрических величин

Исследование последовательной схемы включения

  • Подключить источник питания к двум последовательно подключенным резисторам, подключив положительную клемму источника питания к V1 и отрицательную клемму к V3.
  • Подключить измеритель напряжения к V1 и V3 и отрегулировать источник питания так, чтобы показания вольтметра составляли 5 вольт.
  • Измерить напряжение между точками V1 и V2 и между точками V2 и V3.
  • Отключить вольтметр, подключить амперметр к точке C1. Измерить ток в точке С1.
  • Используя уравнение, рассчитать сопротивление резистора между точками V2 и V3. Рассчитать сопротивление между V1 и V2. Найти процентную погрешность расчетного значения и значений R.

Исследование параллельной схемы включения

  • Подключить источник питания параллельно к двум резисторам, подключив положительную клемму источника питания к V3, а отрицательную клемму к V4.
  • Подключить вольтметр к V3 и V4 и отрегулировать источник питания так, чтобы показания вольтметра составляли 5 вольт.
  • При помощи амперметра измерить ток в точке C2.
  • Используя уравнение, рассчитать сопротивление R= 91 Ом.
  • Рассчитать общее сопротивление двух параллельных элементов. Подсчитать сумму тока через параллельную цепь, а также через R=110 Ом.

Вопросы на проверку понимания Закона Ома

  1. Есть N-е число резисторов, все с равным сопротивлением R. Каково общее сопротивление, если все элементы включены последовательно?
  2. Есть N-е число элементов, все с равным сопротивлением R. Каково общее сопротивление, если все элементы включены параллельно?
  3. Если следовать Закону Ома, какой ток присутствует в замкнутой цепи без резисторов?

 


Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *