A. Закон Ома для участка-2
При прохождении электрического тока в замкнутой цепи на свободные заряды действуют силы со стороны стационарного электрического поля и сторонние силы. При этом на отдельных участках этой цепи ток создается только стационарным электрическим полем. Такие участки цепи называются однородными. На некоторых участках этой цепи, кроме сил стационарного электрического поля, действуют и сторонние силы. Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называют неоднородным участком цепи.
Для того чтобы выяснить, от чего зависит сила тока на этих участках, необходимо уточнить понятие напряжения.
Рассмотрим вначале однородный участок цепи (рис. 1, а). В этом случае работу по перемещению заряда совершают только силы стационарного электрического поля, и этот участок характеризуют разностью потенциалов Δφ. Разность потенциалов на концах участка \(~\Delta \varphi = \varphi_1 — \varphi_2 = \frac\), где AK — работа сил стационарного электрического поля. Неоднородный участок цепи (рис. 1, б) содержит в отличие от однородного участка источник ЭДС, и к работе сил электростатического поля на этом участке добавляется работа сторонних сил. По определению, \(~\frac> = \varphi_1 — \varphi_2\), где q — положительный заряд, который перемещается между любыми двумя точками цепи; \(~\varphi_1 — \varphi_2\) — разность потенциалов точек в начале и конце рассматриваемого участка; \(~\frac> = \varepsilon\). Тогда говорят о напряжении для напряженности: Eстац. э. п. = Eэ/стат. п. + Eстор. Напряжение U на участке цепи представляет собой физическую скалярную величину, равную суммарной работе сторонних сил и сил электростатического поля по перемещению единичного положительного заряда на этом участке:
\(~U = \frac + \frac> = \varphi_1 — \varphi_2 + \varepsilon .\)
Из этой формулы видно, что в общем случае напряжение на данном участке цепи равно алгебраической сумме разности потенциалов и ЭДС на этом участке. Если же на участке действуют только электрические силы (ε = 0), то \(~U = \varphi_1 — \varphi_2\). Таким образом, только для однородного участка цепи понятия напряжения и разности потенциалов совпадают.
Закон Ома для неоднородного участка цепи имеет вид:
где R — общее сопротивление неоднородного участка.
ЭДС ε может быть как положительной, так и отрицательной. Это связано с полярностью включения ЭДС в участок: если направление, создаваемое источником тока, совпадает с направлением тока, проходящего в участке (направление тока на участке совпадает внутри источника с направлением от отрицательного полюса к положительному), т.е. ЭДС способствует движению положительных зарядов в данном направлении, то ε > 0, в противном случае, если ЭДС препятствует движению положительных зарядов в данном направлении, то ε < 0.
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — C. 261-262.
Закон Ома для неоднородного участка цепи
На практике видно, что для поддержания стабильного тока в замкнутой цепи необходимы силы принципиально иной природы, нежели кулоновские, тогда наблюдается случай, когда на участке цепи на свободные электрические заряды одновременно действуют как силы электрического поля, так и сторонние силы (любые неконсервативные силы, действующие на заряд, за исключением сил электрического сопротивления (кулоновских сил)). Такой участок называется неоднородным участком цепи. На рисунке ниже приведен пример такого участка.
Напряженность поля в любой точке цепи равна векторной сумме поля кулоновских сил и поля сторонних сил:
Сформулируем закон Ома для неоднородного участка цепи — Сила тока прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна его полному сопротивлению:
– формула закона Ома для неоднородного участка цепи.
- I – сила тока,
- U12 – напряжение на участке,
- R – полное сопротивление цепи.
Работа на неоднородном участке цепи
Разность потенциалов характеризует работу силы электрического поля по переносу единичного положительного заряда (q) из точки 1 в точку 2:
— где φ1 и φ 2 – потенциалы на концах участка.
ЭДС характеризует работу сторонних сил по переносу единичного положительного заряда точки 1 в точку 2: — где ε12 – ЭДС, действующая на данном участке, численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда вдоль контура.
Напряжение на участке цепи представляет собой суммарную работу сил ЭП и сторонних сил:
Тогда закон Ома примет вид:
ЭДС может быть как положительной, так и отрицательной. Это зависит от полярности включения ЭДС в участок. Если внутри источника тока обход совершается от отрицательного полюса к положительному, то ЭДС положительная (см. рисунок). Сторонние силы при этом совершают положительную работу. Если же обход совершается от положительного полюса к отрицательному, то ЭДС отрицательная. Проще говоря, если ЭДС способствует движению положительных зарядов, то ε>0, иначе ε
Решение задач по закону ому для неоднородного участка цепи
Определить ток, идущий по изображенному на рисунке участку АВ. ЭДС источника 20 В, внутреннее сопротивление 1 Ом, потенциалы точек А и В соответственно 15 В и 5 В, сопротивление проводов 3 Ом.
Два элемента соединены «навстречу» друг другу, как показано на рисунке. Определить разность потенциалов между точками А и В, если ε1 = 1,4 В, r1 = 0,4 Ом, ε2 = 1,8 В, r2 = 0,6 Ом.
Неоднородный участок цепи: объяснение и примеры
Когда речь идет о электрической цепи, может возникнуть ситуация, когда на участке цепи имеются различные элементы, отличающиеся по своим характеристикам. Такой участок называется неоднородным участком цепи. Причины, по которым в цепи могут присутствовать неоднородные участки, могут быть разными, например, это может быть необходимость в адаптации сигнала, защите от перегрузок или компенсации потерь. Примерами неоднородных участков цепи могут быть: резисторы с различными сопротивлениями, конденсаторы с различными емкостями или индуктивности с разной силой.
Что такое неоднородный участок цепи?
Добро пожаловать! Сегодня мы поговорим о неоднородных участках цепи. Звучит интересно, не так ли? А что это вообще такое?
Так вот, неоднородный участок цепи — это какой-то участок электрической цепи, который отличается от остальных по своим характеристикам. Может быть, он имеет другое сопротивление, емкость или индуктивность, или у него есть особенные элементы, такие как диоды или конденсаторы. В общем, он выделяется из общей массы и представляет собой отдельную сущность внутри цепи.
Причины появления неоднородных участков могут быть разными. Например, могут использоваться разные материалы или элементы на разных участках цепи, чтобы достичь определенных эффектов или функциональности. Такие неоднородности могут использоваться в разнообразных электронных устройствах, начиная от простых светодиодных фонарей и заканчивая сложными компьютерными системами.
Давайте разберемся с этим на практическом примере. Представьте, у вас есть цепь, состоящая из нескольких светодиодов и резисторов. Один из светодиодов имеет другое сопротивление, чем остальные. Это создает неоднородный участок цепи. При подаче напряжения на эту цепь, светодиоды с разным сопротивлением будут светиться по-разному — один будет ярче, другой слабее. И это может использоваться, например, для создания светодиодного индикатора, где каждый светодиод отвечает за определенное состояние или информацию.
Итак, неоднородные участки цепи могут иметь различные характеристики и выполнять разные функции в электрических цепях. Их наличие позволяет создавать разнообразные электронные устройства с уникальными возможностями. Теперь, когда мы знаем, что такое неоднородный участок цепи, давайте продолжим изучение этой увлекательной темы и посмотрим, как мы можем использовать ее на практике!
Почему возникают неоднородные участки цепи?
Возможно, ты когда-нибудь задумывался, почему в некоторых электрических цепях есть неоднородные участки? Ведь вроде бы должно быть все однородно и ровненько, как в книжках по физике. Давай разберемся, почему так происходит.
Неоднородные участки цепи возникают из-за наличия элементов с разными свойствами или сопротивлением на каком-то участке цепи. Это может быть вызвано разным материалом проводника, различным сечением провода или наличием других элементов, влияющих на электрическое сопротивление.
Приведу тебе пример. Представь, что у нас есть электрическая цепь, в которой есть провода разного сечения — узкого и широкого. Так вот, на участке с узким проводом сопротивление будет выше, чем на участке с широким проводом. Это означает, что ток будет проходить через узкий провод с большим сопротивлением медленнее, чем через широкий провод с меньшим сопротивлением. Поэтому на участке с узким проводом может возникать нагрев, так как большее сопротивление вызывает большую энергию, которая превращается в тепло. А это, в свою очередь, может вызвать различные проблемы, такие как перегрев провода и возможность возникновения короткого замыкания.
А теперь давай представим еще один пример. На участке цепи у нас есть резистор и конденсатор, которые по своим свойствам отличаются друг от друга. Резистор, как ты знаешь, препятствует прохождению тока, а конденсатор, наоборот, накапливает электрический заряд. Так вот, если поставить резистор и конденсатор подряд на один участок цепи, то произойдет неоднородность электрического потока — часть тока пройдет через резистор, а часть будет заряжать конденсатор. Это приведет к изменению зависимости электрических параметров цепи, таких как напряжение или ток, от времени.
Видишь, неоднородные участки цепи могут возникать по разным причинам — разные свойства элементов, разное сопротивление или наличие других компонентов в цепи. И это совсем не плохо, а наоборот, может быть полезно. Ведь благодаря неоднородности участков цепи, мы можем создавать различные устройства, такие как фильтры, трансформаторы и другие электрические схемы, которые позволяют нам управлять и работать с электрическими сигналами.
Как возникает неоднородный участок цепи?
Вы наверняка знаете, что электрическая цепь может быть представлена в виде последовательного соединения различных элементов, таких как провода, резисторы, конденсаторы и транзисторы. Однако, иногда в цепи могут встречаться неоднородные участки, которые имеют различные свойства и параметры.
Неоднородный участок цепи возникает, когда внутри цепи есть элементы с различными физическими свойствами, такими как сопротивление, емкость или индуктивность. Идеальная электрическая цепь, представленная только одной и той же характеристикой, является редкостью. В реальности, в цепи могут быть участки с различными характеристиками, что делает их неоднородными.
Неоднородные участки могут возникать по разным причинам. Одной из причин может быть деление цепи на различные отрезки, где каждый отрезок имеет свои характеристики. Например, в электрической схеме может присутствовать участок сопротивления, за которым следует участок с емкостью. Это делает данную часть цепи неоднородной.
Неоднородные участки цепи также могут возникать вследствие включения различных элементов с разными характеристиками. Например, в цепи может быть резистор с одним значением сопротивления и конденсатор с другим значением емкости. Такое сочетание элементов делает участок цепи неоднородным.
Нет ничего плохого в наличии неоднородного участка цепи, поскольку это обычная практика при проектировании электрических схем. Различные элементы и их сочетания в цепи позволяют достичь определенной функциональности и контролируемого поведения цепи.
Теперь вы понимаете, что неоднородный участок цепи возникает из-за присутствия в цепи элементов с различными характеристиками. И это нормально! Каждый элемент выполняет свою функцию и вместе они позволяют достичь желаемого результата в работе цепи. Надеюсь, эта информация была полезной и интересной для вас!
Пример 1: неоднородный участок цепи в электрической цепи
Теперь давай поговорим о светофорах на электрической цепи. Когда мы говорим о неоднородном участке цепи, мы имеем в виду ситуацию, когда на этом участке цепи происходят изменения в ее физических или химических свойствах. Это может быть изменение в сопротивлении, емкости или индуктивности цепи.
Давай рассмотрим пример с неоднородным участком цепи. Допустим, у нас есть простая электрическая цепь, состоящая из источника тока, проводников и лампы. Но на одном из участков между источником тока и лампой у нас есть неоднородность. Это может быть, например, провод с разными типами металла или проводник с переменным сечением.
Что произойдет с электрическим током в таком случае? На неоднородном участке цепи сопротивление будет меняться, что приведет к изменению силы тока. В результате, напряжение на лампе также будет меняться. Это может привести к изменениям в яркости света, который излучается лампой.
Такая ситуация может возникать, например, при использовании разных материалов в проводнике или при использовании проводника разного сечения. В таких случаях необходимо иметь в виду, что на неоднородном участке цепи будут происходить изменения в электрических параметрах и, соответственно, величина и направление тока будут меняться.
Познавательно, не правда ли? Ты, как светофор на перекрестке, можешь вмешаться и контролировать поток электрического тока, оптимизируя его значение на неоднородном участке для поддержания плавного движения в цепи.
Пример 2: неоднородный участок цепи в механической системе
Представь себе следующую ситуацию: ты решил сделать небольшую качалку для своего двора. Ты берешь кусок толстой веревки и закрепляешь его между двумя деревьями. Теперь ты можешь качаться на этой веревке, радуясь своему делу.
Однако, через некоторое время тебе приходит в голову идея сделать веревку более интересной. Ты решаешь подкрасить ее разными цветами, чтобы делать свою игру еще красочнее. Ты берешь обычную веревку и красишь ее в разные цвета каждые несколько метров: синий, зеленый, красный, желтый и так далее.
Теперь, когда ты качаешься, ты видишь, как мимо проносятся разноцветные полосы веревки. Это делает игру еще более увлекательной. Но что происходит в механическом плане?
Когда ты качаешься на этой неоднородной веревке, каждый раз, когда ты переходишь с одного цвета на другой, ты изменяешь свою скорость и ускорение. Ведь каждая часть веревки имеет свою плотность, свою толщину и свою массу. Это значит, что сила, с которой ты тянешься за веревку, меняется в зависимости от ее свойств в разных местах.
Такие неоднородности в механической системе могут повлиять на ее общую динамику. Например, если одна часть веревки более толстая и тяжелая, чем другая, это может вызывать неравномерность качания. Ты можешь ощущать дополнительное сопротивление со стороны более тяжелой части веревки.
Таким образом, неоднородный участок цепи в механической системе может привести к изменению динамического поведения системы. Этот пример демонстрирует важность учета неоднородностей при анализе и разработке механических систем.
Неоднородный участок цепи: объяснение и примеры
Неоднородный участок цепи представляет собой часть электрической цепи, в которой сопротивление отличается от остальной части цепи. Неоднородность цепи может быть вызвана различием в материале проводника, его длине, площади поперечного сечения или другими факторами.
Чтобы рассчитать параметры неоднородного участка цепи, необходимо учитывать различие в сопротивлении. Сопротивление обозначается символом R и измеряется в омах (Ω). В зависимости от физических характеристик материала проводника и его геометрических размеров, сопротивление может меняться на протяжении участка цепи.
Примером неоднородного участка цепи может служить участок с двумя различными проводниками, имеющими разные значения сопротивления. Для рассчета общего сопротивления этого участка, можно использовать формулу:
где Rобщ — общее сопротивление, R1 и R2 — сопротивления первого и второго проводников соответственно.
Если неоднородный участок цепи содержит большее число проводников с различными значениями сопротивления, общее сопротивление можно рассчитать по аналогичной формуле, прибавляя сопротивления каждого проводника по очереди.
Другим примером неоднородного участка цепи может служить участок с переменным сопротивлением на протяжении его длины. В этом случае, для расчета общего сопротивления необходимо разделить участок на более мелкие сегменты и рассчитать сопротивление каждого сегмента, а затем сложить их значения.
Неоднородные участки цепи широко применяются в реальных электрических системах, например в телекоммуникационных сетях или электроэнергетике. Понимание принципов работы неоднородных участков цепи позволяет более точно рассчитывать и анализировать электрические схемы и обеспечивать их оптимальное функционирование.
Закон Ома для неоднородного участка цепи
Участки электрических цепей принято разделять на однородные и неоднородные. Закон Ома выполняется для обоих видов цепей. Однако математические выражения, которые отражают действие этого закона, несколько отличаются. Это связано с действием сторонних сил на электрические заряды, когда они проходят через неоднородные участки цепей.
Стационарное электрическое поле
Электрический ток возникает при наличии электрического поля и свободных носителей заряда. Соединив проводником разноименно заряженные тела, можно получить электрический ток, протекающий в течение короткого промежутка времени. Стационарное электрическое поле — это поле постоянных во времени электрических токов при условии неподвижности проводников с электрическими токами. Участки цепи, где на заряды действует только стационарное поле, называются однородными.
Сторонние силы
Для того, чтобы в проводнике электрический ток был длительное время, необходимо создать определенные условия. Для этого на отдельных участках цепи, кроме сил стационарного поля, действуют, так называемые, сторонние силы. Участки цепи, на которых имеется действие дополнительных, сторонних, сил называются неоднородными. В этом случае перемещение зарядов возникает под действием сил не электростатической природы, действующих в устройствах, называемых источниками постоянного тока.
Силы, приводящие в движение электрические заряды внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических реакций, происходящих между частицами металлического электрода и молекулами электролита. В генераторах постоянного тока сторонней силой является сила, возникающая от действия магнитного поля на движущийся электрический заряд. Работа источника тока похожа на функцию насоса, который заставляет двигаться жидкость (качает) по трубам замкнутого гидравлического контура. Под воздействием сторонних сил заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи длительное время поддерживается постоянный электрический ток.
В организме человека имеется множество химических веществ, которые вступая друг с другом в различные реакции, способствуют возникновению электрической энергии. Например, в сердце есть клетки, которые в процессе поддержания сердечного ритма поглощают натрий и выделяют калий, что приводит к образованию электрических зарядов. При достижении определенной величины заряда, возникает импульс электрического поля, заставляющий сокращаться сердечную мышцу. Эти импульсы регистрируют с помощью кардиографа в больницах и поликлиниках при снятии электрокардиограммы (ЭКГ), дающей информацию о работе сердца..
Закон Ома для неоднородного участка цепи
Физическая величина, равная отношению работы сторонних сил Aст при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) источника Eэдс:
Таким образом, ЭДС равна работе, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа электростатического поля равна нулю, а работа сторонних сил равна сумме всех ЭДС, действующих в этой цепи.
Работа электростатических сил по перемещению единичного заряда равна разности потенциалов $ Δφ = φ_1 – φ_2 $ между начальной и конечной точками 1 и 2 неоднородного участка. Работа сторонних сил равна, по определению, электродвижущей силе Eэдс, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна:
$ U_п = φ_1 – φ_2 + E_ $ (2).
Величина Uп называется напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:
$ U_п = φ_1 – φ_2 $ (3).
Немецкий исследователь Георг Симон Ом в начале XIX века установил, что сила тока I, текущего по однородному проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:
Величина R — это электрическое сопротивление. Уравнение (4) выражает закон Ома для однородного участка цепи. Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующем виде:
$ U_п = I * R = φ_1 – φ_2 + E_ = Δ φ_ + E_$ (5).
Данное уравнение называется обобщенным законом Ома для неоднородного участка цепи.
Закон Ома для полной цепи
Если замкнутая цепь состоит из сопротивления цепи, равного R, и источника тока с электродвижущей силой Eэдс и внутренним сопротивлением r, то в этом случае ток цепи I будет равен:
Выражение (6) называется законом Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна ЭДС источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.
Проводники, в точности соответствующие закону Ома, называются линейными, так как график зависимости тока I от напряжения U изображается прямой линией. Следует отметить, что существуют много материалов, которые не подчиняются закону Ома, например, полупроводники или газоразрядные лампы. У металлических проводников отклонения от линейной зависимости появляются при больших токах, так как сопротивление металлов возрастает с ростом температуры.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что участки электрической цепи, на которых кроме стационарного электрического поля имеется действие дополнительных, сторонних сил, называются неоднородными. Сторонние силы возникают в результате работы источников тока: аккумуляторов, гальванических элементов и электрических генераторов тока. Получены уравнения закона Ома для неоднородного участка цепи и для полной цепи.