Лучший ответ по мнению автора |
| |||||||||||||||||
|
|
|
Посмотреть всех экспертов из раздела Учеба и наука > Физика
Похожие вопросы |
найдите энергию связи ядра трития
Решено
При делении одного ядра 244Pu выделяется энергия 200 МэВ.
Откуда взялись данные, помогите разобраться. Лабораторная работа.
Через основание равнобедренного треугольника, боковая сторона которого в 2 раза больше основания, проведена плоскость, которая образует 30° с
Высота правильной треугольной призмы 12, периметр основания 15. Найдите диагональ боковой грани призмы.
Пользуйтесь нашим приложением
Страница не найдена (ошибка 404)
- Родителям и ученикам
- Полезная информация
- Правила приема, перевода, отчисления
- Детям с ограниченными возможностями здоровья
- Уголок здоровья
- Все материалы
- Новости Минпросвещения России
- Мероприятия
Платные образовательные услуги- Новости
- Каникулы
- Секции и кружки
- Аквааэробика
- Школа будущего первоклассника
- Театральная студия «Фантазёры»
- Олимпиады и конференции
- Стипендии и меры поддержки обучающихся
- Услуги и сервисы
- Аттестация
- ОГЭ (ГВЭ-9)
- ЕГЭ (ГВЭ-11)
- Полезная информация
- Наша школа
- О школе
- Администрация
- Педагогический состав
- Профильные направления
- История
- Право
- Русский язык
- Наши классы
- Достижения и победы
- Доска почета
- Педагогам и сотрудникам
- Электронный журнал
- Образовательные ресурсы
- Профессиональные стандарты
- Аттестация педагогических работников
- Новости Минпросвещения России
- Повышение квалификации
- Профсоюзная организация
- Вакансии
- Воспитание
- Планы воспитательной работы
- Жизнестойкость
- Здоровый образ жизни
- Школьный спортивный клуб (ШСК)
- Профориентация
- Российское движение школьников
- Юнармия
- Волонтёрство
- Профилактика
- Наркопост
- Школьные СМИ
- Школьная газета «Сиреневая полоса»
- Безопасность
- Безопасные каникулы
- Безопасность на воде
- Дорожная безопасность
- Защита от ЧС
- Информационная безопасность
- Комплексная безопасность
- Охрана и доступ в учреждение
- Сведения об образовательной организации
- Организация питания в образовательной организации
- Руководство. Педагогический (научно-педагогический) состав
- Структура и органы управления образовательной организацией
- Общее собрание работников
- Педагогический совет
- Наблюдательный совет
- Управляющий совет
- Совет родителей
- Совет учащихся
- Материально-техническое обеспечение и оснащенность образовательного процесса
- Бассейн
- Основные сведения
- Документы
- Образование
- Образовательные стандарты и требования
- Стипендии и меры поддержки обучающихся
- Платные образовательные услуги
- Финансово-хозяйственная деятельность
- Вакантные места для приема (перевода) обучающихся
- Доступная среда
- Международное сотрудничество
- Независимая оценка качества образования
- Независимая оценка качества условий образовательной деятельности
- Независимая оценка качества подготовки обучающихся
- Расписание
- Контакты
- Вопросы и ответы
3.
2 Закон Ома: сопротивление и простые схемыЦели обученияЗакон Ома Сопротивление и простые схемы
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете делать следующее:
- Объясните происхождение закона Ома
- Расчет напряжений, токов и сопротивлений по закону Ома
- Объясните разницу между омическими и неомическими материалами
- Опишите простую схему
Информация, представленная в этом разделе, поддерживает следующие цели обучения и научные практики AP®:
- 4.E.4.1 Учащийся может делать прогнозы относительно свойств резисторов и/или конденсаторов, помещенных в простую цепь, на основе геометрии элемента цепи и при поддержке научных теорий и математических соотношений. (СП 2.2, 6.4)
Что движет током? Мы можем думать о различных устройствах, таких как батареи, генераторы, настенные розетки и т. д., которые необходимы для поддержания тока. Все такие устройства создают разность потенциалов и в широком смысле называются источниками напряжения. Когда источник напряжения подключен к проводнику, к нему прикладывается разность потенциалов ВВ величиной 12{В}{}, создающая электрическое поле. Электрическое поле, в свою очередь, воздействует на заряды, вызывая ток.
Закон Ома
Ток, протекающий через большинство веществ, прямо пропорционален приложенному к нему напряжению VV размером 12{V}{}. Немецкий физик Георг Симон Ом (1787–1854) первым экспериментально продемонстрировал, что сила тока в металлической проволоке прямо пропорциональна приложенному напряжению .
3.12 И∝ВИ∝В
Это важное соотношение известно как закон Ома. Его можно рассматривать как причинно-следственную связь, где напряжение является причиной, а ток — следствием. Это эмпирический закон, аналогичный закону трения — экспериментально наблюдаемому явлению. Такая линейная зависимость не всегда имеет место.
Сопротивление и простые схемы
Если напряжение управляет током, что этому препятствует? Электрическое свойство, препятствующее току (грубо похожее на трение и сопротивление воздуха), называется сопротивлением R.R. Размер 12{R} {} Столкновения движущихся зарядов с атомами и молекулами в веществе передают энергию веществу и ограничивают ток. Сопротивление определяется как обратно пропорциональное току, или
3.13 И∝1Р.И∝1Р. размер 12 {I prop { {1} over {R} } «.»} {}
Так, например, ток уменьшается вдвое, если сопротивление удваивается. Сочетание отношений тока к напряжению и тока к сопротивлению дает
3.14 I=VR.I=VR. размер 12{I = {{V} над {R} } «.»} {}
Это соотношение также называют законом Ома. Закон Ома в этой форме действительно определяет сопротивление для определенных материалов. Закон Ома (как и закон Гука) не является универсальным. Многие вещества, для которых выполняется закон Ома, называются омическими. К ним относятся хорошие проводники, такие как медь и алюминий, и некоторые плохие проводники при определенных обстоятельствах. Омические материалы имеют сопротивление RR размер 12{R}{}, не зависящее от напряжения ВВ размера 12{V}{} и тока I.I. size 12{I} {} Объект с простым сопротивлением называется резистор , даже если его сопротивление мало. Единицей измерения сопротивления является ом, и он обозначается символом ΩΩ размера 12{ %OMEGA} {} (греческая омега в верхнем регистре). Перестановка I=V/RI=V/R размера 12{I = итал. «V/R»} {} дает R=V/IR=V/I размера 12{R= итал. «V/I»} {}, и поэтому единицами сопротивления являются 1 Ом = 1 вольт на ампер.
3,15 1 Ом=1 ВА1 Ом=1 ВА
На рис. 3.8 показана схема простой цепи. Простая схема имеет один источник напряжения и один резистор. Сопротивление проводов, соединяющих источник напряжения с резистором, можно принять пренебрежимо малым, либо их сопротивление можно включить в размер R. R. 12{R} {}
Рис. 3.8 Простая электрическая цепь, в которой замкнутый путь для протекания тока обеспечивается проводниками (обычно металлическими проводами), соединяющими нагрузку с клеммами батареи, представленными красными параллельными линиями. Зигзагообразный символ представляет одиночный резистор и включает любое сопротивление в соединениях с источником напряжения.
Создание соединений: соединения в реальном мире
Закон Ома (V=IRV=IR) представляет собой фундаментальную зависимость, которая может быть представлена линейной функцией, где наклон линии представляет собой сопротивление. Сопротивление представляет собой напряжение, которое необходимо приложить к резистору, чтобы создать ток силой 1 А в цепи. На графике (на рисунке ниже) показано это представление для двух простых цепей с резисторами, которые имеют разные сопротивления и, следовательно, разные наклоны.
Рисунок 3.9 На рисунке показано соотношение между током и напряжением для двух разных резисторов. Наклон графика представляет значение сопротивления, которое составляет 2 Ом и 4 Ом для двух показанных линий.
Создание соединений: соединения в реальном мире
Материалы, которые следуют закону Ома, имея линейную зависимость между напряжением и током, известны как омические материалы. С другой стороны, некоторые материалы демонстрируют нелинейную зависимость напряжения от тока и поэтому известны как неомические материалы. На рисунке ниже показаны соотношения тока и напряжения для двух типов материалов.
Рисунок 3.10 Показана зависимость между напряжением и током для омических и неомических материалов.
Очевидно, что сопротивление омического материала, показанное на (а), остается постоянным и может быть рассчитано путем нахождения наклона графика, но это неверно для неомического материала, показанного на (б).
Пример 3.4 Расчет сопротивления: автомобильная фара
Каково сопротивление автомобильной фары, через которую протекает ток 2,50 А при подаче на нее 12,0 В?
Стратегия
Мы можем преобразовать закон Ома, как указано в I=V/RI=V/R size 12{I = ital «V/R»} {}, и использовать его, чтобы найти сопротивление.
Решение
Изменение размера I=V/RI=V/R 12{I = ital «V/R»} {} и подстановка известных значений дает
3,16 R=VI=12,0 V2,50 A= 4,80 Ом.R=VI=12,0 В2,50 А= 4,80 Ом. размер 12{R = {{V} над {I} } = {{«12» «.» «0 В»} более {2 «.» «50 А»} } =» 4″ «.» «80 » %OMEGA «.»} {}
Обсуждение
Это относительно небольшое сопротивление, но оно больше, чем холодостойкость фары. Как мы увидим в разделе «Сопротивление и удельное сопротивление», сопротивление обычно увеличивается с температурой, поэтому лампочка имеет более низкое сопротивление при первом включении и будет потреблять значительно больший ток в течение короткого периода прогрева.
Диапазон сопротивлений превышает многие порядки. Некоторые керамические изоляторы, например те, которые используются для поддержки линий электропередач, имеют сопротивление 1012 Ом 1012 Ом и более. У сухого человека сопротивление между руками и ногами может составлять 105 Ом, 105 Ом, тогда как сопротивление человеческого сердца составляет около 103 Ом. 103 Ом. Метровый отрезок медного провода большого диаметра может иметь сопротивление 10-5 Ом, 10-5 Ом, а сверхпроводники вообще не имеют сопротивления (они неомические). Сопротивление связано с формой объекта и материалом, из которого он состоит, как будет показано в разделе «Сопротивление и удельное сопротивление».
Дополнительная информация получена путем решения I=V/RI=V/R размера 12{I = ital «V/R»} {} для V,V, размера 12{V} {}, что дает
3,17 В=ИК.В=ИК. размер 12{V = итал. «IR.»} {}
Это выражение для ВН типоразмера 12{В} {} можно интерпретировать как падение напряжения на резисторе, создаваемое током И.И. size 12{I} {} Фраза IRIR size 12{ ital «IR»} {} drop часто используется для обозначения этого напряжения. Например, фара в примере 3.4 имеет размер IRIR 12{ ital «IR»} {} падение 12,0 В. Если измерить напряжение в различных точках цепи, будет видно, что оно увеличивается в источнике напряжения и уменьшается в резистор. Напряжение аналогично давлению жидкости. Источник напряжения подобен насосу, создающему перепад давления, вызывающему ток — поток заряда. Резистор подобен трубе, которая снижает давление и ограничивает поток из-за своего сопротивления. Сохранение энергии имеет здесь важные последствия. Источник напряжения поставляет энергию (вызывая электрическое поле и ток), а резистор преобразует ее в другую форму (например, в тепловую энергию). В простой схеме (одна с одним простым резистором) напряжение, подаваемое источником, равно падению напряжения на резисторе, поскольку PE=qΔVPE=qΔV размер 12{«PE»=qΔV} {}, и тот же размер qq 12{q} {} проходит через каждый. Таким образом, энергия, подаваемая источником напряжения, и энергия, преобразуемая резистором, равны. (См. рис. 3.11.)
Рис. 3.11 Падение напряжения на резисторе в простой цепи равно выходному напряжению батареи.
Соединения: сохранение энергии
В простой электрической цепи единственный резистор преобразует энергию, поступающую от источника, в другую форму. О сохранении энергии здесь свидетельствует тот факт, что вся энергия, подаваемая источником, преобразуется в другую форму одним только резистором. Мы обнаружим, что закон сохранения энергии имеет и другие важные применения в цепях и является мощным инструментом анализа цепей.
PhET Исследования: Закон Ома
Посмотрите, как формула закона Ома соотносится с простой цепью. Отрегулируйте напряжение и сопротивление и посмотрите, как изменится ток в соответствии с законом Ома. Размеры символов в уравнении изменяются в соответствии с принципиальной схемой.
Рисунок 3.12 Закон Ома
- Печать
- Поделиться
Основы: выбор резисторов для светодиодов
Итак… вы просто хотите зажечь светодиод. Какой резистор следует использовать?
Может быть, вы знаете ответ, а может быть, все уже предполагают, что вы должны знать, как добраться до ответа. И в любом случае, это вопрос, который, как правило, порождает больше вопросов, прежде чем вы действительно сможете получить ответ: какой тип светодиода вы используете? Какой блок питания? Батарея? Плагин? Часть большей схемы? Ряд? Параллельно?
Игра со светодиодами должна быть забавной, и поиск ответов на эти вопросы на самом деле является частью забавы. Есть простая формула, которую вы используете для выяснения этого, закон Ома. Эта формула: В = I × R , где В — напряжение, I — ток, а R — сопротивление. Но как узнать, какие числа нужно подставить в эту формулу, чтобы получить правильное значение резистора?
Чтобы получить В в нашей формуле нам нужно знать две вещи: напряжение нашего блока питания, и напряжение наших светодиодов.
Давайте начнем с конкретного примера. Предположим, что мы используем держатель для батарей 2 × AA (как этот из нашего магазина), который обеспечит нас питанием 3 В (с двумя последовательно соединенными элементами AA по 1,5 В; мы суммируем напряжения), и мы будем планирую подключить желтый светодиод (как один из этих).
Светодиоды имеют характеристику, называемую «прямое напряжение», которая часто указывается в спецификациях как Vf. Это прямое напряжение представляет собой величину напряжения, «теряемого» в светодиоде при работе с определенным эталонным током, обычно определяемым как около 20 миллиампер (мА), т. е. 0,020 ампер (А). Vf зависит в первую очередь от цвета светодиода, но на самом деле немного варьируется от светодиода к светодиоду, иногда даже в пределах одного комплекта светодиодов. Стандартные красные, оранжевые, желтые и желто-зеленые светодиоды имеют Vf около 1,8 В, а чисто зеленые, синие, белые и УФ-светодиоды имеют Vf около 3,3 В. Таким образом, падение напряжения на нашем желтом светодиоде будет около 1,8 В.
В в нашей формуле находится путем вычитания прямого напряжения светодиода из напряжения источника питания.
3 В (источник питания) – 1,8 В (падение напряжения на светодиоде) = 1,2 В
В этом случае у нас осталось 1,2 В, которые мы подключим к нашему В = I × R формула.
Следующее, что нам нужно знать, это I , то есть ток, на который мы хотим управлять светодиодом. Светодиоды имеют максимальный номинальный непрерывный ток (в спецификациях часто указывается как If или Imax). Часто это около 25 или 30 мА. На самом деле это означает, что типичное значение тока, к которому нужно стремиться со стандартным светодиодом, составляет от 20 мА до 25 мА, что немного меньше максимального тока.
В сторону: Всегда можно дать светодиоду меньший ток . Работа светодиода с номинальным максимальным током обеспечивает максимальную яркость за счет рассеивания мощности (тепла) и срока службы батареи (конечно, если вы разряжаете батареи). Если вы хотите, чтобы ваши батареи работали в десять раз дольше, обычно вы можете просто выбрать ток, который составляет всего одну десятую от номинального максимального тока.
Итак, 25 мА — это «желаемый» ток — то, что мы надеемся получить, выбирая резистор, а также I , который мы вставим в нашу формулу V = I × R .
1,2 В = 25 мА × R
или перефразируя:
1,2 В / 25 мА = R
и когда мы решим это, мы получим:
6 1,2 мА / 2 1,2 В / 2 0,025 А = 48 ОмГде «48 Ом» означает 48 Ом. (Единицы таковы, что 1 В/1 А = 1 Ом; один вольт, деленный на один ампер, равен одному ому. Если вы имеете дело с током в мА, преобразуйте его в А, разделив на 1000.)
Наша версия формулы теперь выглядит так:
(напряжение источника питания — напряжение светодиода) / ток (в амперах) = требуемое значение резистора (в омах)
В итоге мы получаем значение резистора 48 Ом. И это хорошее значение пускового резистора для использования с желтым светодиодом и источником 3 В.
Давайте на мгновение посмотрим на значения резисторов. Резисторы обычно доступны с такими номиналами, как 10 Ом, 12 Ом, 15 Ом, 18 Ом, 22 Ом, 27 Ом, 33 Ом, 39 Ом, 47 Ом, 51 Ом, 56 Ом, 68 Ом, 75 Ом и 82 Ом. (и их кратные, 510 Ом, 5,1 кОм, 51 кОм и т. д.) и (если вы не укажете более высокую точность при покупке) имеют значение допуска около ±5%.
Если вы много работаете над электроникой, у вас наверняка завалялась куча резисторов. Если вы только начинаете, возможно, вы захотите приобрести ассортимент, чтобы у вас было что-то под рукой. Резисторы также рассчитаны на различную мощность — резисторы, рассчитанные на большую мощность (больше ватт), способны безопасно рассеивать больше тепла, выделяемого в резисторе. Резисторы мощностью 1/4 Вт, вероятно, являются наиболее распространенными и, как правило, подходят для простых светодиодных схем, подобных тем, которые мы здесь рассматриваем. (Ранее мы уже обсуждали рассеивание мощности — учтите это, когда начнете выходить за рамки этих основ.)
Значение резистора, рассчитанное выше, равно 48 Ом, что не является одним из наших распространенных значений. Но это нормально, потому что мы будем использовать резистор с допуском ±5%, так что в любом случае это не обязательно будет точно такое значение. Чтобы быть в безопасности, мы обычно выбираем следующее большее значение, которое у нас есть; 51 Ом в этом примере.
Давайте подключим это:
Батарейный отсек 3 В, резистор 51 Ом и желтый светодиод.
Итак, это хорошая маленькая светодиодная схема, но как мы можем сделать это с большим количеством светодиодов? Можем ли мы просто добавить еще один резистор и еще один светодиод? Ну да, в точку. Каждому светодиоду потребуется 25 мА, поэтому нам нужно выяснить, какой ток могут обеспечить наши батареи.
В стороне : Небольшое исследование открывает полезный технический справочник (pdf) по щелочным батареям от Energizer. Получается, что чем сильнее вы их гоните, тем быстрее вы их истощаете. Часть этого очевидна: если вы непрерывно потребляете 1000 мА из батареи, вы ожидаете, что батарея будет работать в 10 раз дольше, чем если бы вы потребляли 100 мА. Но на самом деле есть второй эффект, заключающийся в том, что общая выходная энергия батареи (измеряемая в ватт-часах) уменьшается, когда вы приближаетесь к пределу тока, который может вырабатывать батарея. На практике с щелочными батареями AA, если вы разряжаете их при 1000 мА, они прослужат всего около 1/20 от того, что было бы, если бы вы разряжали их при 100 мА.
Для нашего одиночного светодиода на 25 мА элементы AA прослужат чертовски долго. Если мы запустим четыре светодиода параллельно, требуя 100 мА, мы все равно получим довольно приличное время автономной работы. Для более чем 500 мА мы должны подумать о подключении к стене. Таким образом, мы можем добавить несколько наших желтых светодиодов, каждый со своим собственным резистором 51 Ом, и счастливо управлять ими с помощью держателя батарей 2xAA.
Хорошо, как насчет 9-вольтовой батарейки? Давайте придерживаться наших желтых светодиодов. Если мы хотим запустить один светодиод из 9V батареи, это означает, что мы должны получить колоссальные 7,2 В с нашим резистором, который должен быть 288 Ом (или ближайшее удобное значение: 330 Ом, в моей мастерской).
9 В (питание) – 1,8 В (желтый светодиод) = 7,2 В
7,2 В / 25 мА = 288 Ом (округлить до 330 Ом)
Использование резистора при падении напряжения любой величины рассеивает эту энергию в виде тепла. Это означает, что мы просто тратим эту энергию на тепло вместо того, чтобы получать больше света от нашей светодиодной схемы. Так можем ли мы использовать несколько светодиодов, соединенных вместе? Да! Давайте соединим четыре светодиода на 1,8 В последовательно, что в сумме даст 7,2 В. Когда мы вычтем это из нашего напряжения питания 9V, у нас остается 1,8 В, требующий только резистора 72 Ом (или ближайшее значение: 75 Ом).
9 В – (1,8 В × 4) = 9 В – 7,2 В = 1,8 В
1,8 В / 25 мА = 72 Ом (и затем округляем до 75 Ом)
Наша обобщенная версия формулы с кратными Последовательное подключение светодиодов:
[Напряжение источника питания — (напряжение светодиода × количество светодиодов)] / ток = номинал резистора
Мы даже можем соединить пару этих цепочек из четырех светодиодов плюс резистор параллельно, чтобы получить больше светоотдачи. , но чем больше мы добавим, тем больше мы сократим срок службы батареи.
Но можем ли мы сделать пять последовательно с батареей 9 В? Ну, возможно. Цифра 1,8 В, которую мы использовали, является всего лишь «типичным эмпирическим правилом». Если вы уверены, что прямое напряжение равно 1,8 В, оно будет работать. Но что, если это не совсем так? Если прямое напряжение ниже, вы можете перегрузить их при более высоком токе, что может сократить срок их службы (или полностью убить). Если прямое напряжение выше, светодиоды могут быть тусклыми или даже не гореть. В некоторых случаях вы можете управлять светодиодами последовательно без резистора, как в нашей схеме светодиодного обеденного стола, но в большинстве случаев предпочтительнее и безопаснее использовать резистор.
Давайте сделаем еще один пример, на этот раз с белым светодиодом (вы можете найти некоторые из них здесь) и батарейным блоком 3xAA (таким как этот). Наше напряжение источника питания составляет 4,5 В, а Vf нашего светодиода — 3,3 В. Мы по-прежнему будем стремиться к току 25 мА.
4,5 В – 3,3 В = 1,2 В
1,2 В / 25 мА = 48 Ом (округлить до 51 Ом)
Итак, вот примеры, которые мы рассмотрели, плюс еще несколько с некоторыми другими распространенными типами источников питания. :
Напряжение питания | Светодиод Цвет | Светодиод Vf | Светодиоды серии | Желаемый ток | Резистор (расчетный) | Резистор (круглый) |
3 В | Красный, желтый или желто-зеленый | 1,8 | 1 | 25 мА | 48 Ом | 51 Ом |
4,5 В | Красный, желтый или желто-зеленый | 1,8 | 2 | 25 мА | 36 Ом | 39 Ом |
4,5 В | Синий, зеленый, белый или ультрафиолетовый | 3,3 | 1 | 25 мА | 48 Ом | 51 Ом |
5 В | Синий, зеленый, белый или ультрафиолетовый | 3,3 | 1 | 25 мА | 68 Ом | 68 Ом |
5 В | Красный, желтый или желто-зеленый | 1,8 | 1 | 25 мА | 128 Ом | 150 Ом |
5 В | Красный, желтый или желто-зеленый | 1,8 | 2 | 25 мА | 56 Ом | 56 Ом |
9 В | Красный, желтый или желто-зеленый | 1,8 | 4 | 25 мА | 72 Ом | 75 Ом |
9 В | Синий, зеленый, белый или ультрафиолетовый | 3,3 | 2 | 25 мА | 96 Ом | 100 Ом |
Все эти значения основаны на тех же предположениях о прямом напряжении и требуемом токе, которые мы использовали в ранних примерах. Вы можете проработать их и проверить математику или просто использовать ее как удобную таблицу, если считаете, что наши предположения разумны. 😉
В какой-то момент кто-то, возможно, сказал вам: «Просто воспользуйтесь онлайн-калькулятором резисторов для светодиодов». И действительно, такие вещи есть — даже у нас есть (ну, бумажная версия для печати) — так зачем со всем этим работать? Во-первых, гораздо лучше понять, что и почему этот калькулятор делает то, что он делает. Но также почти невозможно использовать эти калькуляторы, если вы не знаете, какие переменные вам нужно будет ввести. Надеюсь, теперь вы сможете определить значения, которые вам понадобятся (напряжение источника питания, напряжение и ток светодиода), чтобы использовать светодиодный калькулятор. Но что более важно, (1) он вам на самом деле не нужен: вы можете сделать это самостоятельно и (2) если вы его используете, вы можете подвергнуть сомнению лежащие в его основе предположения, которые он может сделать от вашего имени.
Leave A Comment