Как сопротивление влияет на напряжение

Как сопротивление влияет на напряжение

ЭДС и напряжение. Внутреннее сопротивление источников питания.

Автор: ДЖИНА
Опубликовано 26.10.2005

Небольшое дополнение к разговору о батарейках и аккумуляторах, а также — о законе Ома. Прислала ДЖИНА.

Ликбез так ликбез!
Несмотря на то, что многие из посетителей этого сайта являются продвинутыми радиокотами и уже успешно занимаются программированием и конструированием, существуют еще отдельные котята, у которых возникают иногда вопросы, связанные с азами радио- (или даже электро) техники.

Итак, вернемся к азам. По азу- я всех везу! Ой! Это из другой оперы.

Закон Ома. Вот я о чем.

О законе Ома мы уже говорили. Поговорим еще раз — с несколько иной стороны. Не вдаваясь в физические подробности и выражаясь простым кошачьим языком, закон Ома гласит: чем больше э.д.с. ( электродвижущая сила), тем больше ток, чем больше сопротивление, тем меньше ток.

Переведя сие заклинание на язык сухих формул получаем:

где:
I — сила тока,
E — Э.Д.С. — электродвижущая сила
R — сопротивление

Ток измеряется в амперах, э.д.с. — в вольтах, а сопротивление носит гордое имя товарища Ома.
Э.д.с. — это есть характеристика идеального генератора, внутренне сопротивление которого принято считать бесконечно малым. В реальной жизни такое бывает редко, поэтому в силу вступает закон Ома для последовательной цепи (более знакомый нам):

где:
U — напряжение источника непосредственно на его клеммах.

Рассмотрим простой пример.

Представим себе обычную батарейку в виде источника э.д.с. и включенного последовательно с ним некоего резистора, который будет олицетворять собой внутреннее сопротивление батарейки. Подключим параллельно батарейке вольтметр. Его входное сопротивление значительно больше внутреннего сопротивления батарейки, но не бесконечно большое — то есть, через него потечет ток. Величина напряжения, которую покажет вольтметр будет меньше величины э.д.с. как раз на величину падения напряжения на внутреннем воображаемом резисторе при данном токе.
Но, тем не менее именно эта величина и принимается за напряжение батарейки.

Формула конечного напряжения при этом будет иметь следующий вид:

Так как со временем у всех элементов питания внутреннее сопротивление увеличивается, то и падение напряжения на внутреннем сопротивлении тоже увеличивается. При этом напряжение на клеммах батарейки уменьшается. Мяу!

Что же происходит, если вместо вольтметра к батарейке подключить амперметр? Так как собственное сопротивление амперметра стремится к нулю, мы фактически будем измерять ток, протекающий через внутреннее сопротивление батарейки. Так как внутренне сопротивление источника очень небольшое, измеренный при этом ток может достигать н ескольких ампер.

Однако следует заметить, что внутреннее сопротивление источника является таким же элементом цепи, как и все остальные. Поэтому при увеличении тока нагрузки падение напряжения на внутреннем сопротивлении также увеличится, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке. Или как мы, радиокоты, любим выражаться — к просадке напруги.

Чтобы изменение нагрузки как можно меньше влияло на выходное напряжение источника его внутреннее сопротивление стараются свести к минимуму.

Можно так подобрать элементы последовательной цепи, чтобы на каком-нибудь из них получить напряжение, уменьшенное, по сравнению с исходным, во сколько угодно раз.

Простейший делитель напряжения состоит из двух резисторов.
Чем меньшую часть исходного напряжения мы хотим получить и передать в нагрузку, тем меньше должно быть сопротивление резистора, с которого оно снимается. Кроме того, сопротивление этого резистора должно быть значительно меньше, чем сопротивление нагрузки, иначе подключение нагрузки изменит сопротивление всего участка, и напряжение на нем изменится.

Частенько вместо одного из резисторов делителя используют саму нагрузку. В этом случае второй резистор, на котором гасится избыток напряжения, называют гасящим сопротивлением.

Подключив резистор параллельно нагрузке, можно уменьшить идущий через нее ток. Резистор, который включается для ответвления лишнего тока, порядочные коты называют шунтом (ШУНТ в переводе на русский — обходной путь).

Нормальные герои всегда идут шунтом! (Шутка!)

Чем меньше сопротивление шунта, тем большая часть тока пойдет через него и меньшая через нагрузку.
Уф! Запарилась писать такие объемы на своей КПКошке.
Вопросы есть? Будут — пишите. Может, чего еще из школьной программы вспомню.

Закон Ома — выясним, как работают в связке ток, напряжение, сопротивление

Вербальная формулировка закона Ома

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи I = U R

Большая российская энциклопедия о законе Ома

Закон Ома описывает линейную зависимость между силой тока I на участке цепи и электрическим напряжением U на этом участке U=RI.

Коэффициент пропорциональности R — электрическое омическое сопротивление — зависит от материала, температуры и геометрических размеров проводника.

Закон Ома установлен Георгом Омом в 1826 году, а опубликован в 1827 году и назван в его честь.

Определение закона Ома простыми словами

Электрическая цепь состоит из двухполюсного источника напряжения, то есть батареи, аккумулятора или генератора. Если полюса источника соединить проводами, то по ним потечет электрический ток.

Его величина определяется сопротивлением проводников.

Наглядное представление этой зависимости обыкновенный водопровод.

Аналогом источника напряжения является насос или водонапорная башня, создающая давление в магистрали, количество воды, прошедшее по трубе, подобие силы тока, а кран соответствует сопротивлению.

Полностью открытый, он не ограничивает поток, по мере закручивания отверстие для воды уменьшается, пока не закроется совсем.

Сколько всего законов Ома в физике?

Существует два закона Ома:

1. Закон Ома для участка цепи.
2. Закон Ома для полной (замкнутой) цепи.

Первый связывает сопротивление участка, силу тока в нём и разность потенциалов (напряжение) на его концах.

Кроме того, в нем отражено наличие в цепи источника тока.

Второй учитывает и потребителей электрического тока (электрические лампы, обогреватели, телевизоры и так далее), и его источники (генераторы, батарейки, аккумуляторы).

Дело в том, что любой источник тока обладает внутренним сопротивление, которое влияет на силу тока.

Именно это и учитывается в законе Ома для полной (замкнутой) цепи.

При каких условиях выполняется закон Ома?

Согласно закону Ома, существует линейная зависимость между силой тока в участке цепи и напряжением на его концах. Он отлично выполняется для металлических проводников при любых напряжениях, а вот для тока в вакууме, газе, растворах или расплавах электролитов, полупроводниках линейная зависимость нарушается, и применять закон Ома в том виде, в котором его изучают в школьном курсе, уже нельзя.

Для чего нужен закон Ома?

Трудно переоценить значимость этого закона. Он позволил производить расчет электрических цепей, без которых практически невозможно представить жизнь современного человека, так как они лежат в основе любого электроприбора, начиная от обычной лампы накаливания и заканчивая самыми современными компьютерами.

Закон Ома для участка цепи

Опытным путем исследователь установил взаимосвязь характеристик электрической цепи. Классическая формулировка закона Ома звучит так:

«Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению».

Формула закона Ома для участка цепи I = U R

• I – сила тока, измеряемая в Амперах (А),
• U – напряжение, измеренное в Вольтах (В),
• R – сопротивление, измеряемое в Омах (Ом).

В таком виде закон Ома приведен в школьных учебниках физики.

Согласно этой простой формуле, для определения уровня тока в проводнике достаточно величину напряжения на его сторонах разделить на некий условно постоянный коэффициент, то есть на сопротивление.

Почему «условно»? Потому что величина сопротивления может меняться в зависимости от температуры.

Поэтому, кстати, лампы накаливания чаще всего перегорают при включении.

Сопротивление холодной спирали ниже, чем нагретой, скачок тока при подаче напряжения вызывает ее резкое расширение и разрыв.

Но если этот момент преодолен и нить накала уцелела, то ее сопротивление растет, и ток ограничивается. А при температуре жидкого гелия, например, сопротивление падает до нуля, наступает сверхпроводимость.

Закон Ома для замкнутой полной цепи

Предыдущая формулировка годится только для участка цепи, где отсутствует сам источник электродвижущей силы.

В реальности ток течет по замкнутому контуру, где обязательно есть батарея или генератор, имеющий собственное внутреннее сопротивление.

Поэтому формула закона Ома для полной цепи выглядит несколько сложнее.

Формула закона Ома для замкнутой полной цепи I = ε/(r+R)

• I – сила тока, измеряемая в Амперах (А),
• Е – электродвижущая сила, измеренная в Вольтах (В),
• R – сопротивление, измеряемое в Омах (Ом),
• r — внутреннее сопротивление источника ЭДС.

Применение закона Ома

Георг Ом дал в руки инженеров средство для решения задач, связанных с электрическими цепями.

Тепловые и световые приборы, электродвигатели, генераторы, линии электропередач, кабели связи рассчитываются на основе этой простой формулы.

Нет такой области электротехники, где она не находит применения.

Даже в радиотехнике используется закон Ома, но в дифференциальной форме.

«Все гениальное — просто», как считали Еврипид, Леонардо да Винчи, Наполеон Бонапарт и Альберт Эйнштейн, несомненные гении. Закон Ома целиком и полностью подтверждает эту истину.

Задача на закон Ома с решением

Задача для участка электрической цепи

Электрочайник, включенный в сеть с напряжением 220 В, потребляет ток 1,1 А. Каково сопротивление электрочайника.

Согласно закону Ома для участка цепи: R=U/I=220/1,1=200 Ом

Ответ: R = 200 Ом.

Задача для полной замкнутой цепи

Источник постоянного тока с ЭДС E = 24 В и внутренним сопротивлением r = 1,5 Ом замкнут на внешнее сопротивление R = 11 Ом.

Определить силу тока в цепи.

Е=24 В, r=1,5 Ом, R = 11 Ом

По закону Ома для замкнутой цепи: I = E/(R + r) = 24/(11+1,5) = 1,92 А.

Треугольник закона Ома

Существует мнемоническое правило для запоминания этого закона, которое можно назвать треугольник Ома.

Изобразим все три характеристики (напряжение, сила тока и сопротивление) в виде треугольника.

В вершине которого находится напряжение, в нижней левой части – сила тока, а в правой – сопротивление.

Правило работы такое: Закрываем пальцем величину в треугольнике, которую нужно найти, тогда две оставшиеся дадут верную формулу для поиска закрытой.

Круговая диаграмма закона Ома

Существует еще один подход к определению параметров схемы с применением закона Ома, который представляет собой круговую диаграмму закона Ома.

Используя круговую диаграмму закона Ома, можно без труда запомнить все уравнения для нахождения напряжения — U, тока — I, сопротивления — R и мощности — P.
Перед вами круговая диаграмма, она демонстрирует взаимосвязь между напряжением, мощностью, током и сопротивлением.

Эта диаграмма разделена на четыре блока для мощности, напряжения, сопротивления и тока.

Каждый блок состоит из трех формул с двумя известными значениями для каждой формулы.

Из диаграммы для нахождения каждого параметра в цепи мы можем использовать любую из трех доступных формул.

Каждый блок состоит из трех формул с двумя известными значениями для каждой формулы.

Из диаграммы для нахождения каждого параметра в цепи мы можем использовать любую из трех доступных формул.

Как и почему изменяется электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление — это свойство материала противостоять движению электрического тока. Оно определяет, как легко или трудно ток может протекать через материал. Изменение электрического сопротивления может быть вызвано различными факторами и имеет важные последствия для различных электрических и электронных устройств.

Один из ключевых факторов, влияющих на изменение электрического сопротивления, — это изменение физических свойств материала, через который протекает электрический ток. Например, при изменении температуры материала, его сопротивление может меняться.

Обычно сопротивление металлов увеличивается с увеличением температуры, в то время как у полупроводников оно может уменьшаться. Это объясняется изменением количества свободных электронов и тепловым движением атомов в материале.

Другой фактор, влияющий на изменение сопротивления, — это геометрия проводника или элемента схемы. Сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально его площади поперечного сечения. Это объясняет, почему тонкий провод имеет большее сопротивление, чем толстый провод той же длины и материала.

Например, если длина проводника увеличивается или его сечение уменьшается, сопротивление также увеличивается. Это связано с увеличением пути, который должен пройти электрический ток, или с уменьшением количества свободных носителей заряда.

Сопротивление также может изменяться под воздействием внешнего поля, например, магнитного или электрического.

В некоторых материалах сопротивление может меняться в зависимости от приложенного напряжения или тока. Это явление называется переменным сопротивлением и используется в различных устройствах, таких как резисторы с переменным сопротивлением или термисторы, которые меняют свое сопротивление в зависимости от температуры.

Почему возникает сопротивление

Сопротивление возникает из-за взаимодействия электрического тока с материалом, через который он проходит. Это взаимодействие проявляется в виде различных физических явлений, которые препятствуют свободному движению заряженных частиц (обычно электронов) внутри материала.

Основные факторы, влияющие на возникновение сопротивления, включают:

• Столкновения электронов: При движении электронов через материал они могут сталкиваться с атомами, ионы или другими дефектами в структуре материала. Эти столкновения вызывают изменение направления движения электронов и приводят к рассеянию энергии, что создает сопротивление.
• Ионизация и диссоциация: В некоторых материалах, особенно в газах и электролитах, электрический ток вызывает ионизацию или диссоциацию молекул. Это приводит к образованию положительных и отрицательных зарядов, которые создают электрическое поле, препятствующее движению заряженных частиц и создающее сопротивление.
• Влияние температуры: Повышение температуры материала может увеличить его сопротивление. Это связано с увеличением количества столкновений электронов с атомами, ионами или фононами (квантами колебаний решетки) вещества при повышении их теплового движения.
• Геометрические факторы: Форма и размеры проводника также влияют на его сопротивление. Более узкий или длинный проводник имеет большее сопротивление по сравнению с широким и коротким проводником той же материальной составляющей.

Сопротивление можно описать с помощью закона Ома, который говорит о том, что сила тока, протекающего через проводник, пропорциональна напряжению, приложенному к этому проводнику, и обратно пропорциональна его сопротивлению: Закон Ома для участка цепи

Почему уменьшается сопротивление

Уменьшение электрического сопротивления может происходить по разным причинам в зависимости от материала и условий. Вот несколько основных причин, почему сопротивление может уменьшаться:

• Сопротивление может уменьшаться при повышении температуры. Это объясняется тепловым движением атомов в материале, которое увеличивает подвижность электронов и, следовательно, уменьшает их столкновения с примесями или другими дефектами в материале. В результате сопротивление уменьшается, и электрический ток может легче протекать через материал.
• Добавление примесей или легирование материала может изменить его электрические свойства, включая сопротивление. Некоторые примеси могут увеличить концентрацию свободных носителей заряда или улучшить их подвижность, что приводит к уменьшению сопротивления. Примером такого материала является легированный полупроводник, используемый в транзисторах или диодах.
• Изменение структуры материала может также влиять на его сопротивление. Например, в некоторых материалах, таких как металлы, сопротивление может уменьшаться при растяжении или деформации материала. Это связано с изменением межатомных расстояний и электронной структуры материала.
• В наномасштабных структурах, таких как квантовые точки или нанопроволоки, эффекты квантовой механики могут приводить к уменьшению сопротивления. В этих структурах электроны ограничены пространством и имеют ограниченное количество доступных энергетических состояний, что может способствовать более свободному движению электронов и уменьшению сопротивления.

Почему увеличивается сопротивление

Увеличение электрического сопротивления также может быть обусловлено различными факторами. Вот несколько основных причин, почему сопротивление может увеличиваться:

• Сопротивление может увеличиваться при повышении температуры. Это происходит из-за увеличения количества столкновений электронов с атомами материала, вызванных их более активным тепловым движением. В результате увеличивается электрическое сопротивление.
• Если поверхность проводника окисляется или загрязняется, это может привести к увеличению его сопротивления. Окисленные слои или наличие загрязнений на поверхности могут создавать дополнительное сопротивление для протекающего тока.
• Изменение состава материала может привести к увеличению его сопротивления. Например, добавление примесей или изменение концентрации свободных носителей заряда может увеличить сопротивление материала.
• В некоторых материалах сопротивление может увеличиваться с увеличением напряжения или тока. Это происходит из-за эффектов насыщения, связанных с наличием ограниченного количества свободных носителей заряда или ограничений на их движение в материале.

У каких материалов сопротивление повышается с увеличением температуры, а у каких уменьшается?

В общем случае, повышение температуры может привести как к увеличению, так и к уменьшению сопротивления в зависимости от материала. Однако существуют два основных класса материалов, у которых сопротивление ведет себя по-разному при изменении температуры: металлы и полупроводники.

В большинстве металлов сопротивление увеличивается с увеличением температуры. Это связано с увеличением количества столкновений электронов с атомами вещества при повышении их теплового движения.

При повышении температуры атомы колеблются более интенсивно, создавая больше препятствий для свободного движения электронов. Таким образом, в металлах сопротивление возрастает при повышении температуры.

В отличие от металлов, у большинства полупроводников сопротивление уменьшается с увеличением температуры.

При повышении температуры энергия теплового движения стимулирует свободные электроны в полупроводнике, делая их более подвижными. Это уменьшает вероятность их столкновений с примесями или дефектами, что ведет к снижению сопротивления полупроводника.

Однако стоит отметить, что существуют исключения в обоих классах материалов, и некоторые металлы и полупроводники могут иметь необычное поведение сопротивления при изменении температуры.

Также стоит учесть, что речь идет о поведении сопротивления в определенном температурном диапазоне, и за пределами этого диапазона могут действовать другие факторы, которые могут изменить характеристики материала.

Для чего нужно знать как изменяется сопротивление

Изменение электрического сопротивления имеет важное значение для работы электрических устройств.

Например, сопротивление проводников в электрической цепи определяет потери энергии в виде тепла и эффективность передачи энергии.

Контроль сопротивления в различных электрических и электронных устройствах позволяет регулировать и управлять электрическим током, обеспечивая надлежащую работу устройств.

Изменение сопротивления также играет важную роль в различных электронных приборах и датчиках.

Например, термисторы используются для измерения и контроля температуры. Их сопротивление меняется с изменением температуры, что позволяет определить и регулировать тепловые процессы в системе.

Другой пример — фотодиоды и фоторезисторы, которые изменяют свое сопротивление в зависимости от освещенности. Это позволяет использовать их для измерения светового потока или автоматического регулирования освещенности.

Изменение сопротивления также может быть использовано для защиты электрических цепей от повреждений. Резисторы используются в цепях сброса напряжения, чтобы предотвратить повышенные значения тока при перегрузке или коротком замыкании. Они действуют как ограничители тока, поглощая избыточную энергию и предотвращая повреждение устройств.

Наконец, изменение электрического сопротивления играет важную роль в области микроэлектроники.

Материалы с переменным сопротивлением, такие как ферромагнитные материалы или полупроводники, используются для создания элементов памяти или регулирования сигналов в электронных устройствах.

Также, полевые транзисторы, которые управляют током с помощью изменения сопротивления в канале, являются ключевыми компонентами микроэлектронных устройств.

Изменение электрического сопротивления играет значимую роль в функционировании электрических устройств и систем. Оно позволяет контролировать ток, измерять различные параметры, регулировать энергию и обеспечивать надежность работы устройств. Понимание этих процессов важно для разработки новых технологий и оптимизации существующих электрических и электронных устройств.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Может ли сопротивление снизить напряжение?

Резистор в последовательном соединении будет иметь падение напряжения, пока через него проходит ток. Это функция делителя напряжения резистора. Следовательно, сопротивление можно использовать для снижения напряжения.

Есть много способов понизить сопротивление, но, поскольку субъект заявил, что полупроводниковые устройства не используются, мы обсудим методы и меры предосторожности при понижении сопротивления отдельно.

Согласно закону Ома Г.Г., падение напряжения на сопротивлении пропорционально току и величине сопротивления, а именно: U=lxR. По смыслу вопроса, пока отношение сопротивления делителя к сопротивлению нагрузки равно отношению разделенного напряжения к напряжению нагрузки. Например, чтобы уменьшить 24 В до 15 В путем деления напряжения, резисторы 9 Ом и 15 Ом могут быть подключены последовательно, или 9 кОм и 15 кОм могут быть подключены последовательно, и обе группы 9 В и 15 В могут быть отделены от источника питания 24 В. Но два набора напряжений, разделенных таким образом, не способны выдерживать нагрузку, потому что вмешательство нагрузки эквивалентно добавлению еще одного резистора, и исходный баланс будет нарушен. Следовательно, чтобы получить необходимое напряжение, необходимо сложить нагрузку и исходное сопротивление делителя напряжения. Таким образом, электрическое устройство на 15 В, о котором идет речь, эквивалентно резистору при измерении тока. Например, если ток этого электроприбора составляет 0,1 А, то его внутреннее сопротивление составляет 15 В / 0,1 А=150 Ом, поэтому последовательно подключите резистор 90 Ом, чтобы получить напряжение 15 В.

Видно, что самое важное при использовании резистора для понижения напряжения — это иметь стабильный ток, иначе падение напряжения на резисторе не может быть определено. Это означает, что резистор нельзя использовать для понижения нагрузки, рабочий ток которой постоянно изменяется.

Следовательно, при использовании понижающего резистора следует обратить внимание на следующие моменты: ① Электрический ток должен быть стабильным. Например, двигатели, аудио и т. Д. Не могут использовать резисторы для понижения. В противном случае, когда нагрузка мала, резистор делителя напряжения теряет свой эффект снижения напряжения, что может привести к сгоранию прибора. «Этот вид понижения не является истинным падением по своей природе, но использует резистор для» съедает» верхняя часть, поэтому она не подходит для больших токов и больших перепадов давления. Упомянутое в заголовке падение давления 9 В не должно превышать 0,5 А. ③Если ток большой или перепад давления слишком высок, лучше использовать устройство регулятора напряжения.

Резюме: ток небольшой и колебания не велики, его можно сопоставить с стабилитроном; ток немного больше, используйте линейную ИС 7815 или 317; Высокая разница напряжения и большой ток используют модуль DC-DC. Они продаются в Интернете, цена невысока, а метод использования очень прост.