Закон ома для участка цепи: формула, объяснение простыми словами

От электростатики к электрокинетике

В конце 18 — начале 19 веков работы таких ученых, как Кулон, Лагранж и Пуассон, заложили математическую основу для определения электростатических величин. Прогресс в понимании электричества на этом историческом этапе очевиден. Франклин уже ввел понятие «количество электрического вещества», но пока ни он, ни его последователи не смогли его измерить.

После экспериментов Гальвани Вольта попытался найти доказательства того, что «гальванические жидкости» животного имеют ту же природу, что и статическое электричество. В своем поиске истины он обнаружил, что, когда два электрода из разных металлов контактируют через электролит, они оба заряжаются и остаются заряженными, несмотря на то, что цепь замыкается нагрузкой. Это явление не соответствовало существующим представлениям об электричестве, потому что электростатические заряды в этом случае должны были рекомбинировать.

Вольта ввел новое определение силы, действующей в направлении разделения зарядов и удержания их в этом состоянии. Он назвал это электромотором. Такое объяснение для описания работы батареи не соответствовало теоретическим основам физики того времени. В кулоновской парадигме первой трети XIX века и др. с. Вольта определялась способностью одних тел вырабатывать электричество в других.

Важнейший вклад в объяснение работы электрических цепей внес Ом. Результаты серии экспериментов привели его к построению теории электропроводности. Он ввел значение «напряжения» и определил его как разность потенциалов между контактами. Подобно Фурье, который в своей теории различал количество тепла и температуру при теплопередаче, Ом создал модель по аналогии, связывая количество переносимого заряда, напряжение и электрическую проводимость. Закон Ома не противоречил накопленным знаниям об электростатическом электричестве.

Итак, благодаря Максвеллу и Фарадею существующие объяснительные модели получили новую теорию поля. Это позволило разработать концепцию связанной с полем энергии как для статических потенциалов, так и для электродвижущей силы. Основные даты эволюции концепции ЭМП:

1800 г. — строительство гальванической батареи Вольта;
1826 Ом формулирует свой закон для полной цепи;
1831 г. — открытие Фарадеем электромагнитной индукции.

Электрическое напряжение

Это давление на дно и есть то самое напряжение (по аналогии с гидравликой). В данном случае, дно башни – это ноль, начальный уровень отсчёта. За начальный уровень отсчёта в электронике берут вывод батарейки или аккумулятора со знаком «минус». Можно даже сказать, что уровень «воды в башне» у 12-вольтового автомобильного аккумулятора выше, чем уровень воды 1,5 Вольтовой пальчиковой батарейки.

Так вот, по аналогии с электроникой, это давление называется напряжением. Например, вы, наверное, не раз слышали такое выражение, типа «блок питания может выдать от 0 и до 30 Вольт». Или говоря детским языком, создать «электрическое давление» на своих клеммах (отметил на фото) от 0 и до 30 Вольт. Нулевой уровень, откуда идет отсчет электрического давления, обозначается минусом.

источник питания постоянного тока

Электрическое напряжение — это еще не значит, что в электрической цепи течет электрический ток. Для того, чтобы появился электрический ток, электроны должны двигаться в одном направлении, а они в данный момент тупо стоят на месте. А раз нет движения электронов, то и нет электрического тока.

С точки зрения электроники, на одном щупе блока питания есть давление, а на другом его нет. То есть это земля, на которой стоит башня, если провести аналогию с гидравликой. Поэтому, положительный щуп блока питания да и вообще всех приборов стараются сделать красным, мол типа берегитесь, здесь высокое давление! А отрицательный щуп — черным или синим.

В электронике, чтобы указать, на каком выводе больше » электрическое давление», а на каком меньше проставляют два знака: плюс и минус, соответственно положительный и отрицательный. На плюсе избыточное «давление», а на минусе — ноль.

Поэтому, если замкнуть эти два вывода между собой, электрический ток устремится от плюса к минусу, но напрямую этого делать крайне не рекомендуется, так как это уже будет называться коротким замыканием.

Последовательность подключения

важно отметить, что при начале измерения уровня переменного тока совсем не обязательно соблюдать полярность подключения щупов. Если его значение отрицательное, перед числами на экране появится знак «минус»

Ставим переключатель мультиметра, измеряющего этот показатель, в соответствующее положение и выставляем диапазон измерения.

К выбору пределов измерений следует подходить как можно более ответственно. Если измеряемый ток значительно превышает выбранный диапазон, это может вызвать перегорание предохранителя или, что еще хуже, всего мультиметра.

Для настройки процесса измерения сначала установите переключатель на максимально допустимый диапазон значений, вставьте штекеры щупа в розетки. Также при необходимости снизьте уровень.

Для измерения силы переменного или постоянного тока мультиметр необходимо подключить в цепь последовательно с нагрузкой (фонариком, лампой, кулером, радиосхемой и т.д.). Это основное правило для всех электроизмерительных приборов. То есть для измерения тока мультиметр включают «в разрыв» цепи.

Пути снижения опасности

ГОСТ 12.1.038-82 (2001) от 01.03 2018 г. является основным нормативным документом, на который ориентируются при принятии необходимых мер. Этот ГОСТ рассматривает нормы максимально возможных значений напряжения прикосновения.

Единица измерения силы тока

Чтобы обеспечить электрическую безопасность для людей, применяют следующие шаги:

монтаж защитных заземляющих устройств;
зануление рабочего оборудования;
монтаж систем уравнивания потенциалов (ОСУП);
ограждение и установка защитных щитов на оборудование, находящееся под напряжением;
применение в работе пониженного напряжения в помещениях с повышенной опасностью и особо опасных;
обеспечение персонала предметами коллективной и индивидуальной защиты: изолированным электроинструментом и диэлектрическими средствами;
использование устройств защитного отключения (УЗО) и сигнализации.

Заземляющие устройства предназначены для защиты от короткого замыкания фазы на корпус. Они монтируются для уменьшения напряжения между землёй и токоведущими частями электроустановок.

Важно! Обязательному заземлению подлежат все металлические части установок, двигателей, щиты, пульты, металлические корпуса электроинструмента и иные доступные прикосновению элементы, способные проводить ток. Для защиты от постороннего напряжения в местах, где подключение к контуру заземления невозможно, применяется зануление

С помощью отдельного проводника корпус устройства соединяется с заземлённым нулём. При попадании на него фазы через этот проводник сpaбатывает устройство защиты от КЗ

Для защиты от постороннего напряжения в местах, где подключение к контуру заземления невозможно, применяется зануление. С помощью отдельного проводника корпус устройства соединяется с заземлённым нулём. При попадании на него фазы через этот проводник сpaбатывает устройство защиты от КЗ.

В производственных и бытовых помещениях для снижения опасности поражения людей электрическим током оборудуются системы уравнивания потенциалов (СУП). Они бывают основные (ОСУП) и дополнительные (ДОСУП). Основная система является самостоятельной и обеспечивает уравнивание потенциалов на доступных металлических поверхностях оборудования. ДОСУП осуществляет дополнительные меры по снижению уровня разности потенциалов в частных случаях.

Выполнение защитных ограждений и установка щитов защищают человека от случайного контакта с токоведущими частями. В виде дополнительных мер на ограждения вывешиваются предупреждающие плакаты.

В местах с повышенной опасностью и особо опасных работы могут производиться только с электроинструментом, напряжение питания которого не выше 42 В. Для этого используют понижающие трaнcформаторы.

Информация. К помещениям с повышенной опасностью относятся такие, где присутствуют: химически агрессивная среда, повышенная влажность (более 70%), повышенная температура (выше 500С), доступность контакта с металлическими частями или бетонные полы.

К средствам коллективной и индивидуальной защиты (СИЗ) относятся: диэлектрические коврики и подставки, боты, галоши, перчатки и инструмент с изолирующими рукоятками. Применение подобных защитных комплектов уменьшает опасность напряжения прикосновения.

УЗО – устройства защитного отключения, смонтированные в квартире, позволяют контролировать возникновение утечек тока и опасного вольтажа в местах с повышенной опасностью (кухня, ванная комната). При появлении опасных величин устройство отключает подачу электроэнергии до устранения причины их возникновения.

Измерение емкостей

Определение емкости конденсатора или других устройств емкостного характера также может осуществляться различными способами. Простейший из них — метод амперметра-вольтметра (рис. 6, а).

Рис. 6. Схемы измерения емкости

Он во многом аналогичен такому же методу измерения сопротивлений, с той только разницей, что схема питается переменным синусоидальным напряжением от генератора низкой или высокой частоты (или от сети). Емкостное сопротивление конденсатора определяется по следующей формуле:

где f — частота переменного напряжения.

Емкостное сопротивление находится по закону Ома по показаниям приборов

Измерение малых по величине емкостей удобнее производить методом резонанса (рис. 6, б). Измеряемый конденсатор С_х подключается к известной индуктивности L, образуя колебательный контур. На контур подается синусоидальное напряжение от генератора. С помощью электронного вольтметра измеряют напряжение на контуре. При резонансе оно достигает максимума.

Известно, что резонансная частота контура может быть выражена следующей формулой:

Следовательно, при известной величине индуктивности в контуре и определенной по максимальным показаниям вольтметра частоте резонанса можно найти искомое значение емкости С_х.

Измерение больших емкостей (например, электролитических конденсаторов) проще всего производить путем разряда конденсатора на известное сопротивление R. Известно, что за время, равное постоянной времени цепи разряда конденсатора, его напряжение уменьшается в е раз, где е = 2,71… — основание натурального логарифма. Постоянная времени цепи разряда конденсатора на резистор определяется соотношением

Схема измерения емкости этим методом (рис. 6, в) состоит из источника постоянного напряжения питания, известного по величине сопротивления резистора R, электронного вольтметра PV, переключателя S и клемм для подключения конденсатора. С помощью переключателя S конденсатор С_х заряжается до напряжения источника питания, а после переключения конденсатора на разряд с помощью секундомера измеряют время t, по истечении которого конденсатор разрядится до напряжения U_пит/е. Емкость конденсатора определяется по формуле

Емкости конденсаторов можно измерять также с помощью мостов переменного тока.

4.4. Технические требования, предъявляемые к ИУ

Измерители уровня обозначаются: широкополосные – ИУ-1, избирательные – ИУ-2 и универсальные – ИУ-3.

Диапазон частот на который рассчитан ИУ, должен соответствовать диапазону каналов и трактов EACC, для которых рассчитан ИУ. Допускается расширение диапазонов частот относительно номинальных если это требуется при настройке соответствующих каналов и трактов в том случае если они зависят от частоты.

Градуировка ИУ допускается как в абсолютных уровнях по напряжению в децибелах (относительно напряжения 0,7746 В), так и по мощности (относительно 1 мВт). Измерители уровня могут быть рассчитаны также для измерения других параметров каналов и трактов ЕАСС: затухание несогласованности, затухание асимметрии и т.д. Измерители уровня, предназначенные для измерения нескольких параметров, должны иметь несколько шкал, проградуированных в соответствующих единицах, либо снабжаться пересчетными таблицами. Метрологические характеристики нормируются с учетом влияния соединительных шнуров, предназначенных для работы с этими приборами. Измерительные шнуры ИУ выполняются из гибкого кабеля длиной не менее 1,5 м. Электрические соединители должны соответствовать гнездам, применяемым в аппаратуре ВЧ систем передачи, для работы с которой предназначены ИУ.

Основная погрешность ИУ или ее составляющие согласно ГОСТ 23854-79 должны нормироваться пределом допускаемых значений в дБ на частотах, указанных ТУ на ИУ конкретного типа. К составляющим основной погрешности ИУ относятся: погрешность калибровки, погрешность ступенчатой регулировки пределов измерения, погрешность на оцифрованных отметках шкалы аналоговых ИУ или погрешность, зависящая от показаний цифровых ИУ. Основную погрешность нормируют в виде составляющих, когда ее значение превышает ±0,2 дБ.

Дополнительные погрешности ИУ нормируются в децибелах пределом допускаемой погрешности при измерении напряжения питания и пределом допускаемой погрешности на каждые 10°С при изменении температуры окружающего воздуха в рабочих условиях помещения.

Неравномерность частотной характеристики ИУ следует нормировать в номинальном диапазоне частот ИУ относительно частоты калибровки или частоты, указанной в стандартах или ТУ на ИУ конкретного типа. Если ИУ предназначен для различных каналов и трактов ЕАСС, имеющих рабочие диапазоны частот в пределах нормируемого диапазона, то нормирование следует выполнять также в каждом из этих диапазонов.

Затухание побочных спектральных составляющих (промежуточных, зеркальных, комбинационных) ИУ-2 и ИУ-3 нормируют в виде разности показаний на частоте сигнала, подаваемого на вход, и частотах, соответствующих промежуточной, зеркальной или частоте комбинационной составляющей.

Уровень собственных шумов нормируется в виде показаний ИУ или отклонения стрелки в мм в рабочем диапазоне частот, или отсутствии сигнала на входе.

Основная погрешность на входе на частоту ИУ-2 и ИУ-3 в избирательном режиме нормируется пределом допускаемых значений в абсолютных или относительных значениях частоты пределом допускаемой дополнительной погрешности при изменении напряжения питания и пределом допускаемой погрешности на каждые 10°С при изменении температуры окружающего воздуха в рабочих условиях применения.

Нестабильность показаний ИУ-2 и ИУ-3 в избирательном режиме во времени в нормальных условиях применения нормируются в виде предела отклонения показаний за время, выбираемое из ряда: 5, 15, 30 минут, 1 час.

Время установления показаний ИУ не должно превышать 10 с. Для аналоговых ИУ без термопреобразователей и термосопротивлений время установления показаний не должно превышать 4 с. Для цифровых ИУ указывается время измерения при внутреннем запуске.

Сравнение с разностью потенциалов

Электродвижущая сила и разность потенциалов в цепи — очень похожие физические величины, поскольку обе измеряются в вольтах и определяются работой по перемещению заряда. Одним из основных смысловых отличий является то, что и т.д. С. (E) вызывается преобразованием определенной энергии в электрическую, в то время как разность потенциалов (U) реализует электрическую энергию в других формах. Остальные отличия выглядят так:

И передает энергию по всей цепочке. U — это мера энергии между двумя точками на диаграмме.
E является причиной U, но не наоборот.
E индуцируется в электрическом, магнитном и гравитационном полях.
Концепция и т.д. Применима только к электрическому полю, а разность потенциалов применяется к магнитному, гравитационному и электрическому полям.

Напряжение на выводах блока питания, как правило, отличается от ЭДС источника. Это связано с наличием внутреннего сопротивления источника (электролита и электродов, обмоток генератора). Формула, связывающая разность потенциалов и ЭДС источника тока, имеет вид U = E-Ir. В этом выражении:

U — напряжение на выводах истока;
r — внутреннее сопротивление источника;
I — ток в цепи.

Расчет напряжения прикосновения

Выполняя расчёты, определяют возможное значение тока в случае касания. Для расчётов рассматриваются две схемы электросетей:

схема с глухозаземлённой нейтралью;
система с изолированной нейтралью.

Какое напряжение должно быть на аккумуляторе

В первом случае, при влиянии на человека фазного напряжения (220 В), величина тока через него сдерживается сопротивлением цепи: фаза – тело – обувь – пол (грунт). Исходя из этого, формула имеет вид:

Iч = Uф/(Rч + Rоб + Rп + R0) ≈ Uф / Rч,

где:

R0 – сопротивление защитного проводника нейтрали трaнcформатора, R0 ≤ 10 Ом;
Uф – фазное напряжение;
Rч – сопротивление человека;

Для линейного напряжения ток протекания рассчитывают, применяя формулу:

Iч = Uл/√3*( Rч + Rоб + Rп + R0).

Во втором случае, где нейтраль изолирована, работают с формулами:

Iч = Uл/ Rч – для момента двухфазного касания;
Iч = 3Uф/(3Rч + Rиз) – вариант однофазного контактирования, где Rиз – это сопротивление изоляции фазных проводов по отношению к земле.

Обратите внимание! Если заземлитель в единственном числе, то прикосновение к корпусу наиболее удалённого от него прибора будет самым опасным

Появление поражения человека

Если Вам случайно довелось увидеть, что человек лежит неподалеку от ЛЭП независимо от ее конструкции и напряжения, важно не броситься ему на помощь сразу. Первое действие – попытаться понять, какое расстояние от лежащего до места возможного замыкания.

Второе – закрепить у себя и находящихся рядом людей в голове мысль, что линия электропередачи до сих пор остается под напряжением

Это может быть и неправдой (идеальный случай, ведь больше никто не будет поражен), но достоверных сведений нет, поэтому следует готовиться к худшему.

Первое действие – попытаться понять, какое расстояние от лежащего до места возможного замыкания.

Второе – закрепить у себя и находящихся рядом людей в голове мысль, что линия электропередачи до сих пор остается под напряжением. Это может быть и неправдой (идеальный случай, ведь больше никто не будет поражен), но достоверных сведений нет, поэтому следует готовиться к худшему.

Если Вы уже находитесь вблизи ЛЭП, не старайтесь убегать. Причина поражения током заключается в ширине шага, и чем шире шаг (больше расстояние между ногами как точками замыкания электроцепи), тем больше будет электрический потенциал.

Для примера: если ЛЭП имеет рабочее напряжение в 1 кВ, разность потенциалов между стопами человека при беге будет достигать сотен В – этого достаточно, чтобы разряд прошел по телу человека, вызывая необратимые повреждения организма.

Если организм попадает под действие шагового напряжения, электрический ток может и не пройти по телу – это зависит от сопротивления самого тела, обуви и грунта, а также удаления одной точки опирания на грунт от другой.

Между землей и нулем напряжение. Методы определения

Рассмотрим способы определения нулевого и заземляющего проводников, от очень простого к более сложным.

Цепь имеет защиту по дифф-току . Если весь объект или исследуемая ветка снабжены защитой по дифференциальному току – дифф-автоматом или УЗО, задача значительно упрощается. Нужно контрольный прибор, например лампа с проводниками, подключить к фазе и к одному из исследуемых проводников. Если дифф-защита не сработала, значит лампа подключена к рабочему нолю. Если происходит срабатывание УЗО при подключении лампы – вы ее подключаете к фазе и земле. Все достаточно просто и заодно проверите устройство защитного отключения на практике.

Перед выполнением такого теста нужно убедиться в работоспособности дифф-защиты, нажав кнопку “тест” на защитном аппарате. Следует отметить, что способ будет работать при условии, что ток через лампу будет превышать номинальный дифференциальный ток аппарата. То есть, при использовании лампы накаливания (энергосберегайка не подходит) сработает УЗО с током утечки 10-30 мА. Вводное УЗО на утечку 300 мА может не сработать, для надежной проверки нужно брать прибор помощнее.

Сравнение с заземляющими контактами розеток . Данный метод будет работать если на вводе стоит двухполюсный автомат, размыкающий рабочий ноль и в помещении имеются розетки с заземлением. Вводной автомат следует отключить, тем самым мы разомкнем любую связь ноля с землей. По возможности следует отключить все приборы из розеток.

Далее следует “прозвонить” мультиметром в режиме измерения сопротивления заземляющий контакт одной из розеток с исследуемыми контактами. При соединении с нулевым проводом, мультиметр должен показывать большое сопротивление, с заземляющим контактом на неизвестной точке с землей розетки сопротивление практически нулевое.

Таким способом можно заодно проверить правильность подключенных розеток: при отключенном вводном двухполюсном автомате, нулевые и заземляющие контакты прозваниваться не должны. Ну это при условии, что проводка изначально исправна и верно смонтирована.

Лезть в щит . Если предыдущие способы реализовать нет возможности, придется лезть в “начинку” электрощита. Думаю напоминать здесь о технике безопасности не стоит: ее никто не отменял. На самом деле способ достаточно прост: нужно найти нулевой проводник, уходящий в помещение и отсоединить его от клемм щита. Затем прозвонить с исследуемыми контактами: с которым будет звониться – тот и есть нулевой проводник.

В случае с щитом вполне может возникнуть сложность, когда даже в щите сложно отличить ноль от заземления. В этом случае понадобятся токовые клещи. Нужно включить напряжение и нагрузку в помещении, и исследовать клещами неизвестные проводники в щите – где будет ток, так и рабочий ноль

Обратите внимание: метод работает только в том случае, когда вы точно знаете, что один из проводников – ноль, а другой – земля

Все вышеописанные методы работают как с заземлением, так и с “занулением”

Определить контакты при подключении электроплиты . Иногда возникает необходимость заменить розетку электроплиты, а проводка советских времен или начала 90-х, одноцветная. Для верного определения зануления электроплиты необходимо условие – двухполюсный автомат во вводном щите, отключающий и фазу, и ноль от всей квартиры.

Итак, при включенной электроэнергии определяем фазу на ичсследуемых выводах для будущей розетки – этот контакт помечаем и откидываем в сторону, далее он нам не нужен. Потом нужно определить ноль в любой розетке в квартире – так как проводка советская, земли там нет, поэтому нолем окажется тот вывод, на котором не светится отвертка-индикатор.

Теперь обесточиваем всю квартиру и мультиметром прозваниваем ноль обычной розетки с двумя оставшимися контактами на электроплиту. Тот контакт, который звонится с нолем розетки – рабочий, а тот что не звонится – зануление (земля). Если же звонятся оба контакта – нужно искать ошибки в электропроводке. При организации зануления в советское время, его присоединяли к клемме “PEN” без каких-либо коммутационных аппаратов.

Что такое формула P=U^2/R?

Формула P=U^2/R является основной формулой в электричестве, которая используется для вычисления мощности электрической цепи. Эта формула связывает напряжение, сопротивление и мощность в электрической цепи.

В электрической цепи ток протекает через сопротивление, создавая энергию. Мощность, выражаемая в ваттах (W), показывает, сколько энергии используется в единицу времени. Используя формулу P=U^2/R, можно вычислить мощность, если известны значения напряжения и сопротивления.

В формуле P=U^2/R:

P — мощность в ваттах (W)
U — напряжение в вольтах (V)
R — сопротивление в омах (Ω)

Формула говорит нам, что мощность равна квадрату напряжения, деленному на сопротивление. Это означает, что чем выше напряжение или чем меньше сопротивление в цепи, тем больше будет мощность.

Например, если у нас есть электрическая цепь с напряжением 10 вольт и сопротивлением 5 ом, тогда мы можем использовать формулу P=U^2/R, чтобы вычислить мощность:

P = (10^2) / 5 = 100 / 5 = 20 Вт

Таким образом, мощность этой электрической цепи равна 20 ваттам. Эта формула может быть очень полезной в применении электричества, так как она позволяет нам определить сколько энергии используется в электрической цепи и как это влияет на работу различных устройств.

Определение формулы

PU2R — это формула, которая используется для расчета энергии, потребляемой в электрической цепи, где P обозначает мощность, U — напряжение и R — сопротивление. Формула PU2R производится из формулы мощности P = UI, где P — мощность, U — напряжение и I — сила тока.

В физике сопротивление представляет собой сопротивление электрического тока в электрической цепи. Оно измеряется в омах (Ω). Разница потенциалов между двумя точками электрической цепи называется напряжением. Оно измеряется в вольтах (В).

Используя формулу PU2R, можно вычислить энергию, потребляемую в электрической цепи, зная значения напряжения и сопротивления. Формула PU2R является основой для расчета мощности и энергии в электротехнике и электронике.

Обозначение	Описание
P	Мощность (в ваттах)
U	Напряжение (в вольтах)
R	Сопротивление (в омах)

Формула PU2R позволяет узнать, сколько энергии будет потребляться в электрической цепи при заданных значениях напряжения и сопротивления

Знание этой формулы важно для проектирования электрических систем и устройств, а также для определения энергопотребления в домашних и промышленных сетях

Примеры использования

Формула PU2R используется для вычисления напряжения в электрической цепи, основываясь на известных значениях тока и сопротивления.

Напряжение (U) — это энергия, передаваемая в электрической цепи и измеряемая в вольтах.

Приведем пример использования формулы PU2R:

Известно значение тока в цепи (I) — 2 Ампера.
Известно значение сопротивления (R) — 5 Омов.
Используя формулу PU2R, можем вычислить напряжение (U):

Известные значения	Формула	Вычисление
Ток (I)	U = I * R	U = 2 * 5
Сопротивление (R)	U = 10 Вольт

Таким образом, если в электрической цепи протекает ток силой 2 Ампера и имеет сопротивление 5 Омов, то напряжение в этой цепи будет равно 10 Вольтам.

Формула PU2R является одной из основных формул в физике электричества и позволяет вычислить напряжение в электрической цепи на основе известных значений тока и сопротивления.

От чего зависит напряжение

Единица измерения силы тока

Фиксируемый на участке электрической цепи показатель напряжения зависит от ряда факторов, например, от подсоединенной нагрузки (сопротивления). Также оказывают влияние характеристики вещества, из которого сделан проводниковый элемент, температура окружающего воздуха и самих компонентов сети.

Эффект Джозефсона

Так называется феномен сверхпроводящего тока, проходящего через слой диэлектрического материала малой толщины, изолирующий один сверхпроводящий предмет от другого. В научной работе деятеля, чьим именем назван эффект, было высказано предположение о том, что данное явление наблюдается только при использовании супертонкого слоя (значительно уступающего длине сверхпроводящей когерентности). Более поздние опыты продемонстрировали, что оно проявляет себя и при использовании куда более толстых слоев.

Применение данного феномена позволит производить высокоточные замеры напряжения, а также магнитных полей. Последнее делается возможным в силу огромной зависимости электротока, критичного для используемого в интерферометре соединения, от внешнего магнитного поля. Когда в джозефсонском переходе поддерживается константное напряжение, он может выступать в качестве генератора электромагнитного волнового излучения. Можно организовать и установку с противоположным, поглощающим эффектом. При этом как генерация, так и прием способны функционировать в частотном диапазоне, недоступном иным средствам.

Также ведутся исследования рассматриваемого эффекта и основанных на нем явлений переноса магнитного поля для передачи и накопления данных (квантовые компьютеры). Первый экспериментальный процессор такого типа был спроектирован японскими инженерами. В 2014 году работники физфака МГУ спроектировали микросхему для компьютера с использованием свойств сверхпроводников и данного эффекта.

Напряжение и сила тока: различия и взаимосвязь

В электрических цепях сообщение энергии осуществляется за счет двух основных параметров: напряжения и силы тока. Несмотря на то, что эти понятия тесно связаны, они имеют существенные различия и выполняют разные функции.

Напряжение – это разность электрического потенциала между двумя точками цепи. Оно измеряется в вольтах (В) и обозначается символом U или V. Напряжение указывает на разницу потенциалов между точками и является силой, двигающей электроны в проводнике. В результате этого движения происходит передача энергии от источника питания к потребителям.

Например, если у вас есть батарея с напряжением 9 В, это означает, что между положительным и отрицательным полюсами батареи существует потенциальная разница 9 вольт.

Сила тока – это количество электрического заряда, который проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени. Она измеряется в амперах (А) и обозначается буквой I. Сила тока определяет количество электрической энергии, которую передает цепь.

Например, если через проводник протекает ток силой 2 А, это означает, что через поперечное сечение проводника за каждую секунду проходит 2 Кл (кулона) заряда.

Напряжение и сила тока взаимосвязаны. Величина силы тока, проходящего через проводник, определяется напряжением и сопротивлением на участке цепи по формуле:

где I – сила тока, U – напряжение, R – сопротивление.

Например, если на участке цепи есть напряжение 12 В и сопротивление 6 Ом, то сила тока будет равна 2 А по формуле 12 В / 6 Ом.

Таким образом, напряжение и сила тока являются основными параметрами электрической цепи. Напряжение обеспечивает движение электронов в проводнике, а сила тока определяет количество передаваемой электрической энергии. При этом сила тока зависит от напряжения и сопротивления на участке цепи.

Использование на практике

Закон Ома лежит в основе всех расчетов производимых в электронике и электротехнике. Будущих специалистов с первых дней учат, как использовать так называемый треугольник. Чтобы найти какую-то искомую величину, должны выполняться простые арифметические действия. Если два оставшихся параметра находятся в одной строке – они перемножаются. Если на разных уровнях, то верхний всегда делится на нижний.

Самые простые вычисления производятся на основе данных измерительных приборов. На участке цепи измерение тока выполняется амперметром, а напряжения – вольтметром. После этого найти сопротивление математическим путем не составит труда.

Для замеров сопротивления тоже есть прибор – омметр. Полученное выражение, подставляется в одну из формул, после чего находятся величины силы тока или напряжения. Точность омметра зависит от стабильности напряжения, подаваемого источником тока. Стабилизация проводится путем добавления резистора, выполняющего функцию регулятора.

Иногда требуется исключить из схемы какой-нибудь элемент без демонтажа. С этой целью проводится шунтирование, когда приходится устанавливать проводник на входных клеммах ненужного резистора. Ток начинает идти через шунт с меньшим сопротивлением, а напряжение на резисторе падает до нуля.

Закон Ома используется в защитных системах. Это делается с помощью уставок, обеспечивающих нормальную работу и отключающих питание лишь в аварийных ситуациях.

Что собой представляет ЭДС и почему его часто путают с напряжением?

ЭДС, или электродвижущая сила, как ее обычно называют во многих учебниках, — это физическая величина, которая характеризует работу любых внешних сил, присутствующих в источниках постоянного или переменного тока. Если мы говорим о замкнутой проводящей цепи, то следует отметить, что в этом случае ЭДС будет равна работе сил по перемещению одиночного положительного заряда по указанной выше цепи. Электродвижущая сила и напряжение путают — не без причины. Как известно, эти два понятия сегодня измеряются в вольтах. При этом можно говорить об ЭДС в любой части цели, потому что на самом деле это особая работа внешних сил, которые действуют не во всей цепи, а только в какой-то конкретной области.

Особого внимания с вашей стороны заслуживает тот факт, что ЭДС гальванического элемента предполагает работу внешних сил, работающих при перемещении одиночного положительного заряда от одного полюса к совершенно другому. Работа этих внешних сил напрямую зависит от формы траектории, но не может быть выражена через разность потенциалов. Последнее связано с тем, что внешние силы не являются потенциальными. Несмотря на то, что напряжение — одно из самых простых понятий, многие потребители не до конца понимают, что это такое. Если вы этого тоже не понимаете, мы считаем необходимым привести вам несколько примеров.

Возьмем для наглядности обычный резервуар для воды. Из такой емкости должна будет выйти обычная труба. Следовательно, высота водяного столба или давление, простыми словами, будет представлять напряжение, в то время как поток воды будет электрическим током. Ввиду вышеизложенного, чем больше воды подается в резервуар, тем выше его давление и напряжение соответственно.