Jakost struje jednaka je omjeru. Koja je jakost struje
Za mjerenje struje koristi se mjerni uređaj tzv. Jakost struje mora se mjeriti mnogo rjeđe od napona ili otpora, ali, unatoč tome, ako trebate odrediti potrošnju električne energije električnog uređaja, tada bez poznavanja količine struje koju troši, snaga se ne može odrediti.
Struja, kao i napon, može biti stalna ili promjenjiva, a za mjerenje njihove vrijednosti potrebni su različiti mjerni instrumenti. Struja je označena slovom ja, a broju, kako bi bilo jasno da je to trenutna vrijednost, dodano je slovo A. Na primjer, I=5 A znači da je struja u mjerenom krugu 5 A.
Na mjerni instrumenti za mjerenje izmjenične struje slovu A prethodi znak " ~ ", a oni namijenjeni za mjerenje istosmjerne struje postavljeni su " – ". Na primjer, -A znači da je uređaj dizajniran za mjerenje istosmjerne struje.
O tome što je struja i zakonitosti njezina tijeka možete pročitati u popularnom obliku u članku na web stranici “Zakon jakosti struje”. Prije mjerenja toplo preporučam da pročitate ovaj kratki članak. Fotografija prikazuje ampermetar dizajniran za mjerenje istosmjerne struje do 3 ampera.
Strujni krug za mjerenje struje ampermetrom
Prema zakonu, struja teče žicama u bilo kojoj točki zatvorenog kruga iste veličine. Stoga, kako biste izmjerili trenutnu vrijednost, morate spojiti uređaj prekidanjem kruga na bilo kojem prikladnom mjestu. Treba napomenuti da pri mjerenju trenutne vrijednosti nije važno koji se napon primjenjuje na električni krug. Izvor struje može biti baterija od 1,5 V, automobilska baterija od 12 V ili kućno napajanje od 220 V ili 380 V.
Dijagram mjerenja također pokazuje kako je ampermetar prikazan na električni dijagrami. Ovaj veliko slovo I okružen krugom.
Pri započinjanju mjerenja struje u strujnom krugu potrebno je, kao i kod svakog drugog mjerenja, pripremiti uređaj, odnosno postaviti sklopke u položaj mjerenja struje, vodeći računa o njenoj vrsti, konstantnoj ili izmjeničnoj. Ako očekivana vrijednost struje nije poznata, sklopka se postavlja na položaj mjerenja maksimalne struje.
Kako izmjeriti potrošnju struje električnog uređaja
Za praktičnost i sigurnost mjerenja potrošnje struje električnim uređajima potrebno je izraditi poseban produžni kabel s dvije utičnice. Po izgled produžni kabel kućne izrade ne razlikuje se od običnog produžnog kabela.
Ali ako uklonite poklopce s utičnica, nije teško primijetiti da njihovi terminali nisu spojeni paralelno, kao u svim produžnim kabelima, već serijski.
Kao što možete vidjeti na fotografiji, mrežni napon se dovodi na donje stezaljke utičnica, a gornje stezaljke su međusobno spojene kratkospojnikom od žice sa žutom izolacijom.
Sve je spremno za mjerenje. Utaknite utikač električnog uređaja u bilo koju od utičnica, a sonde ampermetra u drugu utičnicu. Prije mjerenja potrebno je sklopke uređaja namjestiti prema vrsti struje (AC ili DC) i na maksimalnu granicu mjerenja.
Kao što se vidi iz očitanja ampermetra, trenutna potrošnja uređaja bila je 0,25 A. Ako vaga uređaja ne dopušta izravno očitavanje, kao u mom slučaju, tada je potrebno izračunati rezultate, što je vrlo nezgodno. Budući da je granica mjerenja ampermetra 0,5 A, da biste saznali vrijednost podjele, morate podijeliti 0,5 A s brojem podjela na ljestvici. Za ovaj ampermetar ispada 0,5/100=0,005 A. Igla je odstupila za 50 podjeljaka. Sada vam treba 0,005×50=0,25 A.
Kao što vidite, uzimanje trenutnih očitanja sa mjerača je nezgodno i lako možete pogriješiti. Mnogo je praktičnije koristiti digitalne instrumente, kao što je multimetar M890G.
Na fotografiji je univerzalni multimetar uključen u modu mjerenja izmjenične struje do granice od 10 A. Izmjerena struja koju je trošio električni uređaj bila je 5,1 A pri naponu napajanja od 220 V. Dakle, uređaj troši 1122 W snage.
Multimetar ima dva sektora za mjerenje struje, označena slovima A- za DC i Ah~ za mjerenje varijable. Stoga prije početka mjerenja morate odrediti vrstu struje, procijeniti njenu veličinu i postaviti pokazivač prekidača u odgovarajući položaj.
Utičnica za multimetar sa natpisom COM je zajednička svim vrstama mjerenja. Označene utičnice mA I 10A namijenjeni su samo za spajanje sonde pri mjerenju struje. Za izmjerenu struju manju od 200 mA, utikač sonde se stavlja u mA utičnicu, a za struju do 10 A u utičnicu od 10 A.
Pažnja, ako mjerite struju koja je mnogo puta veća od 200 mA kada je utikač sonde u mA utičnici, multimetar se može oštetiti.
Ako vrijednost izmjerene struje nije poznata, tada mjerenja treba započeti postavljanjem granice mjerenja na 10 A. Ako je struja manja od 200 mA, tada postavite uređaj u odgovarajući položaj. Prebacivanje načina mjerenja multimetra može se izvršiti samo isključivanjem strujnog kruga koji se mjeri..
Proračun snage električnog uređaja na temelju potrošnje struje
Znajući trenutnu vrijednost, možete odrediti potrošnju energije bilo kojeg potrošača električne energije, bilo da se radi o žarulji u automobilu ili klima uređaju u stanu. Dovoljno za korištenje jednostavan zakon fizičari koji su uspostavili dva istodobno znanstvenici fizike, neovisno jedan o drugom. Godine 1841. James Joule, a 1842. Emil Lenz. Po njima je ovaj zakon dobio ime - Joule–Lenzov zakon.
Blještavi bljesak munje, kotrljajuća grmljavina. Čovječanstvo je dugo promatralo ove strašne prirodne pojave i, ne razumijevajući ih, osjećalo strah od njih. A prije nešto više od stotinu godina, ljudi su naučili električne sile prirode da služe same sebi.
Ekspresna fizika
U prirodi postoje sitne nabijene čestice. Postoje čestice koje su nabijene i imaju naboj s predznakom plus, a postoje čestice koje imaju negativan naboj s predznakom minus. Čestice koje imaju negativan naboj nazivaju se elektroni. Mogu raditi na metalnim vodičima. I znanstvenici su ovaj protok nabijenih čestica nazvali električnom strujom.
Koje karakteristike ima struja? Prvo, ovo je trenutna snaga i njezina gustoća, a drugo, ovo je trenutna snaga. Pogledat ćemo gustoću i snagu struje u drugom članku; sada obratimo pažnju na snagu struje. Razmotrimo što je to, kakvu definiciju i značenje ova količina ima u fizici. Koje se oznake koriste za struju? Kako pronaći snagu struje? Naučimo zanimljive i poučne činjenice o snazi struje.
Jezik formule
Trenutna snaga je fizička količina, koji ne određuje raznolikost čestica koje su prošle kroz presjek vodiča, već ukupni naboj koji se prenosi kroz vodič u jedinici vremena. Ovako izgleda:
- I=q/t
Gdje je I naša jakost struje izmjerena u amperima (A), q je naboj koji prolazi kroz vodič, njegove mjerne jedinice su Coulomb (C), a t je vrijeme promatranja izmjereno u sekundama (s).
A prema Ohmovom zakonu, struja se može odrediti na sljedeći način, a za to ćemo trebati znati napon dionice strujnog kruga U, mjeren u voltima (V), i njegov otpor R, mjeren u Ohmima (Ohm):
- I=U/R
Kako možemo odrediti jakost struje ako ne znamo naboj koji prolazi kroz vodič? Kako pronaći trenutnu snagu ako to nije školski problem? Za to postoji poseban uređaj - ampermetar. Da bismo odredili jakost struje, moramo naš uređaj spojiti u seriju s dijelom kruga u kojem mjerimo jakost struje. Mogućnost određivanja trenutne snage vrlo je važna i jednostavno neophodna Svakidašnjica. Struja od 0,01 ampera se ne osjeća ili osjeća, ali vrlo slabo. Ali struja od 0,1 ampera dovodi do velikih poremećaja u ljudskom tijelu. A struja veća od 0,2 ampera je kobna, rezultat je teške opekline i respiratorni zastoj. Budite iznimno oprezni i pažljivi s jačinom struje!
U prirodi postoje dvije glavne vrste materijala, vodljivi i nevodljivi (dielektrici). Ovi se materijali razlikuju po prisutnosti uvjeta za kretanje električne struje (elektrona) u njima.
Izrađuju se od vodljivih materijala (bakar, aluminij, grafit i mnogi drugi). električni vodiči, elektroni u njima nisu vezani i mogu se slobodno kretati.
U dielektricima su elektroni čvrsto vezani za atome, pa u njima ne može teći struja. Koriste se za izradu izolacije za žice i dijelove električnih uređaja.
Da bi se elektroni počeli kretati u vodiču (struja teče kroz dio strujnog kruga), trebaju stvoriti uvjete. Da bi se to postiglo, mora postojati višak elektrona na početku dijela lanca, a manjak na kraju. Za stvaranje takvih uvjeta koriste se izvori napona - akumulatori, baterije, elektrane.
Godine 1827 Georg Simon Ohm otkrio zakon električne struje. Po njemu su nazvani Zakon i mjerna jedinica otpora. Smisao zakona je sljedeći.
Što je cijev deblja i što je veći tlak vode u dovodu vode (kako se promjer cijevi povećava, otpor na vodu se smanjuje) - to će više vode teći. Ako zamislimo da su voda elektroni ( struja), tada što je žica deblja i što je veći napon (kako se presjek žice povećava, otpor struje se smanjuje) - to će veća struja teći kroz dio kruga.
Struja koja teče kroz električni krug izravno je proporcionalna primijenjenom naponu i obrnuto proporcionalna vrijednosti otpora kruga.
Gdje ja– jakost struje, mjerena u amperima i označena slovom A; U U; R– otpor, izmjeren u ohmima i označen Ohm.
Ako je poznat napon napajanja U i otpornost električnog uređaja R, zatim koristeći gornju formulu, koristeći online kalkulator, lako je odrediti jakost struje koja teče kroz krug ja.
Pomoću Ohmovog zakona izračunavaju se električni parametri električnih instalacija, grijaćih elemenata i svih radijskih elemenata moderne elektroničke opreme, bilo da se radi o računalu, TV-u ili mobitelu.
Primjena Ohmovog zakona u praksi
U praksi je često potrebno odrediti ne snagu struje ja, i vrijednost otpora R. Transformacijom formule Ohmovog zakona možete izračunati vrijednost otpora R, znajući struju koja teče ja i vrijednost napona U.
Možda će biti potrebno izračunati vrijednost otpora, na primjer, kada se pravi blok opterećenja za testiranje napajanja računala. Obično postoji oznaka na kućištu napajanja računala koja navodi maksimalnu struju opterećenja za svaki napon. Dovoljno je unijeti zadane vrijednosti napona i maksimalnu struju opterećenja u polja kalkulatora i kao rezultat izračuna dobivamo vrijednost otpora opterećenja za dati napon. Na primjer, za napon od +5 V pri maksimalnoj struji od 20 A, otpor opterećenja će biti 0,25 Ohma.
Formula Joule-Lenzovog zakona
Izračunali smo vrijednost otpornika za izradu bloka opterećenja za napajanje računala, ali još trebamo utvrditi koju snagu otpornik treba imati? Tu će pomoći još jedan zakon fizike, koji su istovremeno otkrila dva fizičara neovisno jedan o drugom. Godine 1841. James Joule, a 1842. Emil Lenz. Po njima je ovaj zakon dobio ime - Joule-Lenzov zakon.
Snaga koju troši opterećenje izravno je proporcionalna primijenjenom naponu i struji koja teče. Drugim riječima, kada se napon i struja promijene, proporcionalno će se promijeniti i potrošnja energije.
Gdje P– snaga, mjerena u vatima i označena W;
U– napon, mjeren u voltima i označen slovom U;
ja– jakost struje, mjerena u amperima i označena slovom A.
Znajući napon napajanja i struju koju troši električni uređaj, možete koristiti formulu da odredite koliko energije troši. Samo unesite podatke u donja polja u online kalkulatoru.
Joule-Lenzov zakon također vam omogućuje da saznate struju koju troši električni uređaj znajući njegovu snagu i napon napajanja. Količina potrošene struje potrebna je, na primjer, za odabir poprečnog presjeka žice prilikom polaganja električnih ožičenja ili za izračunavanje nazivne vrijednosti.
Na primjer, izračunajmo trenutnu potrošnju perilice rublja. Prema putovnici, potrošnja energije je 2200 W, napon u električnoj mreži kućanstva je 220 V. Zamjenjujemo podatke u prozorima kalkulatora, dobivamo to perilica za rublje troši struju od 10 A.
Još jedan primjer: odlučili ste u svoj automobil ugraditi dodatno prednje svjetlo ili pojačalo zvuka. Poznavajući potrošnju struje ugrađenog električnog uređaja, lako je izračunati potrošnju struje i odabrati ispravan presjek žice za spajanje na električnu instalaciju vozila. Recimo da dodatno prednje svjetlo troši snagu od 100 W (snaga žarulje ugrađene u prednje svjetlo), napon u automobilskoj mreži je 12 V. Vrijednosti snage i napona zamjenjujemo u prozorima kalkulatora, nalazimo da će potrošena struja biti 8,33 A.
Nakon što ste razumjeli samo dvije jednostavne formule, lako možete izračunati struje koje teku kroz žice, potrošnju energije bilo kojeg električnog uređaja - praktički ćete početi razumjeti osnove elektrotehnike.
Pretvorene formule Ohmovog zakona i Joule-Lenzovog zakona
Na internetu sam naišao na sliku u obliku okruglog tableta u kojoj su uspješno postavljene formule Ohmovog zakona i Joule-Lenzovog zakona te mogućnosti matematičke transformacije formula. Ploča predstavlja četiri međusobno nepovezana sektora i vrlo je praktična za praktičnu upotrebu
Pomoću tablice lako je odabrati formulu za izračun potrebnog parametra električnog kruga pomoću dva druga poznata. Na primjer, trebate odrediti trenutnu potrošnju proizvoda na temelju poznate snage i napona opskrbne mreže. Gledajući tablicu u trenutnom sektoru, vidimo da je formula I=P/U prikladna za izračun.
A ako trebate odrediti napon napajanja U na temelju potrošnje energije P i struje I, tada možete koristiti formulu donjeg lijevog sektora, formula U=P/I će poslužiti.
Veličine zamijenjene u formulama moraju biti izražene u amperima, voltima, vatima ili omima.
16. Električna struja. Snaga struje. Gustoća struje
Električna struja je usmjereno kretanje električki nabijenih čestica pod utjecajem električnog polja.
Jačina struje (I) je skalarna veličina jednaka omjeru naboja (q) koji prolazi kroz poprečni presjek vodiča i vremenskog perioda (t) tijekom kojeg je struja tekla.
I=q/t, gdje je I struja, q naboj, t vrijeme.
SI jedinica struje: [I]=1A (amper)
17. Izvori struje. Izvor ems
Izvor struje je uređaj u kojem se neka vrsta energije pretvara u električnu energiju.
EMF je energetska karakteristika izvora. Ovo je fizikalna veličina jednaka omjeru rada vanjskih sila pri pomicanju električnog naboja duž zatvorenog strujnog kruga prema ovom naboju:
Mjereno u voltima (V).
Izvor EMF je mreža s dva priključka, čiji napon na stezaljkama ne ovisi o struji koja teče kroz izvor i jednak je njegovom EMF-u. EMF izvora može se postaviti ili konstantno, ili kao funkcija vremena, ili kao funkcija vanjskog upravljačkog utjecaja.
18. Ohmov zakon : jakost struje koja teče kroz homogeni dio vodiča izravno je proporcionalna padu napona na vodiču:
-Ohmov zakon u integralnom obliku R – električni otpor dirigent
Recipročna vrijednost otpora naziva se vodljivost. Recipročna vrijednost otpora naziva se vodljivost: Recipročna vrijednost Ohma naziva se Siemens [Sm].
- Ohmov zakon u diferencijalnom obliku.
19. Generalizirani Ohmov zakon
Generalizirani Ohmov zakon određuje odnos između osnovnih električnih veličina u dijelu istosmjernog kruga koji sadrži otpornik i idealni izvor emf (sl. 1.2):
Formula vrijedi za pozitivne smjerove pada napona u krugu prikazanom na sl. 1.2 ( Uab), idealan izvor EMF ( E) i pozitivnog smjera struje ( ja).
Joule-Lenzov zakon
Izraz Joule-Lenzovog zakona
Integralni oblik zakona
Ako pretpostavimo da se strujna snaga i otpor vodiča ne mijenjaju tijekom vremena, tada se Joule-Lenzov zakon može napisati u pojednostavljenom obliku:
Primjenom Ohmovog zakona i algebarskih transformacija dobivamo ekvivalentne formule u nastavku:
Ekvivalentni izrazi topline prema Ohmovom zakonu
Verbalna definicija Joule-Lenzovog zakona
Ako pretpostavimo da se strujna snaga i otpor vodiča ne mijenjaju tijekom vremena, tada se Joule-Lenzov zakon može napisati u pojednostavljenom obliku:
20. Magnetsko polje - polje sile koje djeluje na pokretne električne naboje i na tijela s magnetskim momentom, bez obzira na stanje njihova gibanja; magnetska komponenta elektromagnetskog polja
Magnetsko polje može biti stvoreno strujom nabijenih čestica i/ili magnetskim momentima elektrona (i magnetskim momentima drugih čestica, što se obično manifestira u puno manjoj mjeri) (permanentni magneti).
Osim toga, nastaje kao rezultat promjene električnog polja tijekom vremena.
Glavna karakteristika jakosti magnetskog polja je vektor magnetske indukcije (indukcijski vektor magnetsko polje). S matematičkog gledišta, to je vektorsko polje koje definira i specificira fizički koncept magnetskog polja. Često se, radi sažetosti, vektor magnetske indukcije jednostavno naziva magnetsko polje (iako ovo vjerojatno nije najstroža upotreba izraza).
Druga temeljna karakteristika magnetskog polja (alternativa magnetskoj indukciji i blisko povezana s njom, gotovo jednaka njoj u fizičkoj vrijednosti) je vektorski potencijal .
Zajedno, magnetski ielektričniforme poljaelektromagnetsko polje, čije su manifestacije posebnosvjetloi svi ostaliElektromagnetski valovi.
Stvara se (generira) magnetsko poljestruja nabijenih česticaili se mijenjaju tijekom vremenaelektrično polje, ili vlastitimagnetski momentičestice (posljednje se, radi ujednačenosti slike, mogu formalno svesti na električne struje)
Grafički prikaz magnetskih polja
Linije magnetske indukcije koriste se za grafički prikaz magnetskih polja. Pravac magnetske indukcije je pravac u čijoj je svakoj točki tangencijalno usmjeren vektor magnetske indukcije.
Ako se izolirani vodič stavi u električno polje \(\overrightarrow(E)\), tada će sila \(\overrightarrow(F) = q\overrightarrow(E)\) djelovati na slobodne naboje \(q\) u vodiču \(\overdesnastrelica(F) = q\overdesnastrelica(E)\) Zbog toga u vodiču dolazi do kratkotrajnog kretanja slobodnih naboja. Ovaj proces će završiti kada vlastito električno polje naboja koji nastaju na površini vodiča potpuno kompenzira vanjsko polje. Rezultirajuće elektrostatsko polje unutar vodiča bit će nula.
Međutim, u vodičima, pod određenim uvjetima, može doći do kontinuiranog uređenog gibanja slobodnih nositelja električnog naboja.
Usmjereno kretanje nabijenih čestica naziva se električna struja.
Za smjer električne struje uzima se smjer kretanja pozitivnih slobodnih naboja. Da bi u vodiču postojala električna struja, u njemu se mora stvoriti električno polje.
Kvantitativna mjera električne struje je jakost struje\(I\) je skalarna fizikalna veličina jednaka omjeru naboja \(\Delta q\) prenesenog kroz poprečni presjek vodiča (sl. 1.8.1) u vremenskom intervalu \(\Delta t\) na ovaj vremenski interval:
$$I = \frac(\Delta q)(\Delta t) $$
Ako se jakost struje i njezin smjer ne mijenjaju s vremenom, tada se takva struja naziva trajnog .
U Međunarodni sustav SI jedinice struje mjere se u amperima (A). Jedinica struje od 1 A određena je magnetskom interakcijom dvaju paralelnih vodiča sa strujom.
Istosmjerna električna struja može se stvoriti samo u Zatvoreni krug , u kojem slobodni nosioci naboja kruže duž zatvorenih putanja. Električno polje u različitim točkama takvog kruga je konstantno tijekom vremena. Zbog toga električno polje u krugu istosmjerne struje ima karakter zamrznutog elektrostatskog polja. Ali kada se električni naboj kreće u elektrostatičkom polju duž zatvorene putanje, rad električnih sila jednak je nuli. Dakle, za postojanje istosmjerne struje potrebno je u električnom krugu imati uređaj koji je sposoban stvarati i održavati potencijalne razlike u dionicama strujnog kruga uslijed rada sila. neelektrostatskog porijekla. Takvi uređaji se nazivaju DC izvori . Nazivaju se sile neelektrostatskog podrijetla koje djeluju na slobodne nositelje naboja iz izvora struje vanjske sile .
Priroda vanjskih sila može varirati. U galvanskim ćelijama ili baterijama nastaju kao rezultat elektrokemijskih procesa; u generatorima istosmjerne struje vanjske sile nastaju kada se vodiči kreću u magnetskom polju. Izvor struje u električnom krugu ima istu ulogu kao i pumpa, koja je neophodna za pumpanje tekućine u zatvorenom hidrauličkom sustavu. Pod utjecajem vanjskih sila električni se naboji kreću unutar izvora struje protiv sile elektrostatskog polja, zahvaljujući kojima se u zatvorenom krugu može održavati stalna električna struja.
Kada se električni naboji kreću duž kruga istosmjerne struje, vanjske sile koje djeluju unutar izvora struje vrše rad.
Fizička veličina jednaka omjeru rada \(A_(st)\) vanjskih sila pri premještanju naboja \(q\) s negativnog pola izvora struje na pozitivni i vrijednosti tog naboja naziva se elektromotorna sila izvora (EMF):
$$EMF=\varepsilon=\frac(A_(st))(q). $$
Dakle, EMF je određen radom vanjskih sila pri pomicanju jednog pozitivnog naboja. Elektromotorna sila, kao i potencijalna razlika, mjeri se u Volti (V).
Kada se jedan pozitivni naboj giba po zatvorenom krugu istosmjerne struje, rad vanjskih sila jednak je zbroju emf-a koji djeluje u tom krugu, a rad elektrostatskog polja jednak je nuli.
Istosmjerni krug može se podijeliti u zasebne dijelove. Ona područja u kojima ne djeluju vanjske sile (tj. područja koja ne sadrže izvore struje) nazivaju se homogena . Područja koja sadrže izvore struje nazivaju se heterogena .
Kada se jedan pozitivan naboj giba duž određenog dijela strujnog kruga, rad obavljaju i elektrostatičke (Coulombove) i vanjske sile. Rad elektrostatskih sila jednak je razlici potencijala \(\Delta \phi_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)\) između početne (1) i krajnje (2) točke nehomogenog presjeka . Rad vanjskih sila jednak je, po definiciji, elektromotornoj sili \(\mathcal(E)\) koja djeluje u određenom području. Stoga je ukupni rad jednak
$$U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2) + \mathcal(E)$$
Veličina U 12 se obično zove napon na dijelu lanca 1-2. U slučaju homogenog područja napon je jednak razlici potencijala:
$$U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2)$$
Njemački fizičar G. Ohm eksperimentalno je 1826. godine ustanovio da je jakost struje \(I\) koja teče kroz homogeni metalni vodič (tj. vodič u kojem ne djeluju vanjske sile) proporcionalna naponu \(U\) na krajevima dirigenta:
$$I = \frac(1)(R) U; \: U = IR$$
gdje je \(R\) = const.
Veličina R obično se zove električni otpor . Vodič s električnim otporom naziva se otpornik . Ovaj omjer izražava Ohmov zakon za homogeni dio lanca: Struja u vodiču izravno je proporcionalna primijenjenom naponu, a obrnuto proporcionalna otporu vodiča.
SI jedinica za električni otpor vodiča je Ohm (Ohm). Otpor od 1 ohma ima dio kruga u kojem se pri naponu od 1 V javlja struja od 1 A.
Vodiči koji poštuju Ohmov zakon nazivaju se linearni . Grafička ovisnost struje \(I\) o naponu \(U\) (takvi se grafikoni nazivaju volt-amperske karakteristike , skraćeno CVC) prikazan je ravnom linijom koja prolazi kroz ishodište. Treba napomenuti da postoje mnogi materijali i uređaji koji ne poštuju Ohmov zakon, na primjer, poluvodička dioda ili svjetiljka s izbojem u plinu. Čak i kod metalnih vodiča, pri dovoljno velikim strujama, opaža se odstupanje od Ohmovog linearnog zakona, jer električni otpor metalnih vodiča raste s povećanjem temperature.
Za dio kruga koji sadrži emf, Ohmov zakon je zapisan u sljedećem obliku:
$$IR = U_(12) = \phi_(1) - \phi_(2) + \mathcal(E) = \Delta \phi_(12) + \mathcal(E)$$
$$\boja(plava)(I = \frac(U)(R))$$
Taj se omjer obično naziva generalizirani Ohmov zakon ili Ohmov zakon za nejednolik dio strujnog kruga.
Na sl. 1.8.2 prikazuje zatvoreni istosmjerni krug. Dio lanca ( CD) je homogena.
|
|
|
Slika 1.8.2. DC krug |
Prema Ohmovom zakonu
$$IR = \Delta\phi_(cd)$$
Zemljište ( ab) sadrži izvor struje s emf jednakom \(\mathcal(E)\).
Prema Ohmovom zakonu za heterogeno područje,
$$Ir = \Delta \phi_(ab) + \mathcal(E)$$
Zbrajanjem obje jednakosti dobivamo:
$$I(R+r) = \Delta\phi_(cd) + \Delta \phi_(ab) + \mathcal(E)$$
Ali \(\Delta\phi_(cd) = \Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab)\).
$$\boja(plava)(I=\frac(\mathcal(E))(R + r))$$
Ova formula izražava Ohmov zakon za kompletan krug : jakost struje u cijelom krugu jednaka je elektromotornoj sili izvora podijeljenoj sa zbrojem otpora homogenog i nehomogenog dijela strujnog kruga (unutarnji otpor izvora).
Otpornost r heterogeno područje na sl. 1.8.2 može se smatrati kao unutarnji otpor izvora struje . U ovom slučaju, područje ( ab) na sl. 1.8.2 je unutarnji dio izvora. Ako bodovi a I b kratki spoj s vodičem čiji je otpor mali u usporedbi s unutarnjim otporom izvora (\(R\ \ll r\)), tada će krug teći struja kratkog spoja
$$I_(kz)=\frac(\mathcal(E))(r)$$
Struja kratkog spoja – najveća struja koja se može dobiti iz ovaj izvor s elektromotornom silom \(\mathcal(E)\) i unutarnjim otporom \(r\). Za izvore s malim unutarnjim otporom, struja kratkog spoja može biti vrlo velika i uzrokovati uništenje električnog kruga ili izvora. Na primjer, olovne baterije koje se koriste u automobilima mogu imati struju kratkog spoja od nekoliko stotina ampera. Posebno su opasni kratki spojevi u rasvjetnim mrežama koje se napajaju iz trafostanica (tisuće ampera). Kako bi se izbjegli razorni učinci tako velikih struja, osigurači ili specijalni strojevi zaštita mreže.
U nekim slučajevima, kako bi se spriječile opasne vrijednosti struje kratkog spoja, neki vanjski otpor je serijski spojen na izvor. Zatim otpor r jednak je zbroju unutarnjeg otpora izvora i vanjskog otpora, a tijekom kratkog spoja jakost struje neće biti pretjerano velika.
Ako je vanjski krug otvoren, tada \(\Delta \phi_(ba) = -\Delta \phi_(ab) = \mathcal(E)\), tj. razlika potencijala na polovima otvorene baterije jednaka je njezinoj emf
Ako otpor vanjskog opterećenja R uključen i struja teče kroz bateriju ja, razlika potencijala na njegovim polovima postaje jednaka
$$\Delta \phi_(ba) = \mathcal(E) - Ir$$
Na sl. 1.8.3 prikazuje shematski prikaz izvora istosmjerne struje s emf jednakom \(\mathcal(E)\) i unutarnjim otporom r u tri načina: "prazan hod", rad pod opterećenjem i način kratkog spoja (kratki spoj). Označeni su intenzitet \(\overrightarrow(E)\) električnog polja unutar baterije i sile koje djeluju na pozitivne naboje:\(\overrightarrow(F)_(e)\) - električna sila i \(\overrightarrow( F)_(st )\) je vanjska sila. U načinu rada kratkog spoja, električno polje unutar baterije nestaje.
Za mjerenje napona i struja u istosmjernim električnim krugovima koriste se posebni instrumenti - voltmetri I ampermetri.
Voltmetar dizajniran za mjerenje potencijalne razlike primijenjene na njegove priključke. On povezuje paralelno dio strujnog kruga gdje se mjeri potencijalna razlika. Svaki voltmetar ima neki unutarnji otpor \(R_(V)\). Kako voltmetar ne bi unio zamjetnu preraspodjelu struja kada je spojen na strujni krug koji se mjeri, njegov unutarnji otpor mora biti velik u usporedbi s otporom dijela kruga na koji je spojen. Za krug prikazan na Sl. 1.8.4, ovaj uvjet je napisan kao:
$$R_(B)\gg R_(1)$$
Ovaj uvjet znači da je struja \(I_(V) = \Delta \phi_(cd) / R_(V)\) koja teče kroz voltmetar puno manja od struje \(I = \Delta \phi_(cd) / R_ (1 )\), koji teče kroz ispitivani dio kruga.
Budući da unutar voltmetra ne djeluju vanjske sile, potencijalna razlika na njegovim stezaljkama podudara se, po definiciji, s naponom. Stoga možemo reći da voltmetar mjeri napon.
Ampermetar dizajniran za mjerenje struje u krugu. Ampermetar je spojen u seriju na otvoreni krug tako da kroz njega prolazi cjelokupna izmjerena struja. Ampermetar također ima neki unutarnji otpor \(R_(A)\). Za razliku od voltmetra, unutarnji otpor ampermetra mora biti prilično mali u usporedbi s ukupnim otporom cijelog kruga. Za krug na Sl. 1.8.4 Otpor ampermetra mora zadovoljiti uvjet
$$R_(A) \ll (r + R_(1) + R(2))$$
tako da se pri uključenju ampermetra ne mijenja struja u krugu.
Mjerni instrumenti - voltmetri i ampermetri - dolaze u dvije vrste: pokazivački (analogni) i digitalni. Digitalna električna brojila su složeni elektronički uređaji. Digitalni instrumenti obično pružaju veću točnost mjerenja.