Электричество, ток, напряжение, сопротивление и мощность

Цепи переменного тока

Импеданс и допуск

Когда через цепь протекает переменный ток, соотношение между током и напряжением на элементе схемы характеризуется не только соотношением их величин, но и разностью их фаз . Например, в идеальном резисторе в момент, когда напряжение достигает своего максимума, ток также достигает своего максимума (ток и напряжение колеблются синфазно). Но для конденсатора или катушки индуктивности максимальный ток протекает, когда напряжение проходит через ноль и наоборот (ток и напряжение колеблются на 90 ° не в фазе, см. Изображение ниже). Комплексные числа используются для отслеживания фазы и величины тока и напряжения:

ты(т)знак равноре(U⋅еjωт),я(т)знак равноре(я⋅еj(ωт+φ)),Z_знак равноU_я_,Y_знак равноя_U_{\ Displaystyle и (т) = {\ mathfrak {Re}} \ left (U_ {0} \ cdot e ^ {j \ omega t} \ right), \ quad i (t) = {\ mathfrak {Re}} \ left (I_ {0} \ cdot e ^ {j (\ omega t + \ varphi)} \ right), \ quad {\ underline {Z}} = {\ frac {\ underline {U}} {\ underline {I }}}, \ quad {\ underline {Y}} = {\ frac {\ underline {I}} {\ underline {U}}}}


Напряжение (красный) и ток (синий) в зависимости от времени (горизонтальная ось) для конденсатора (вверху) и катушки индуктивности (внизу). Поскольку амплитуда тока и напряжение синусоид одинакова, то абсолютное значение от импеданса равно 1 и для конденсатора и катушки индуктивности (в любой единицы граф с использованием). С другой стороны, разность фаз между током и напряжением для конденсатора составляет -90 °; Таким образом, комплексная фаза из импеданса конденсатора составляет -90 °. Точно так же разность фаз между током и напряжением составляет + 90 ° для индуктора; следовательно, комплексная фаза импеданса индуктора составляет + 90 °.

где:

  • т время,
  • u (t) и i (t) — соответственно напряжение и ток как функция времени,
  • U и I указывают амплитуду напряжения соответствующего тока,
  • ω{\ displaystyle \ omega}- угловая частота переменного тока,
  • φ{\ displaystyle \ varphi} угол смещения,
  • U , I , Z и Y — комплексные числа,
  • Z называется импедансом ,
  • Y называется допуском ,
  • Re указывает на настоящую часть ,
  • jзнак равно-1{\ displaystyle j = {\ sqrt {-1}}}это мнимая единица .

Импеданс и проводимость могут быть выражены в виде комплексных чисел, которые можно разбить на действительную и мнимую части:

Z_знак равнор+jИкс,Y_знак равног+jB{\ displaystyle {\ underline {Z}} = R + jX, \ quad {\ underline {Y}} = G + jB}

где R и G — сопротивление и проводимость соответственно, X — реактивное сопротивление , а B — проводимость . Для идеальных резисторов Z и Y уменьшаются до R и G соответственно, но для сетей переменного тока, содержащих конденсаторы и катушки индуктивности , X и B отличны от нуля.

Z_знак равно1Y_{\ displaystyle {\ underline {Z}} = 1 / {\ underline {Y}}}для цепей переменного тока, как и для цепей постоянного тока.
рзнак равно1г{\ Displaystyle R = 1 / G}

Частотная зависимость сопротивления

Ключевой особенностью цепей переменного тока является то, что сопротивление и проводимость могут зависеть от частоты, это явление известно как универсальный диэлектрический отклик . Одна из причин, упомянутых выше, — это скин-эффект (и связанный с ним эффект близости ). Другая причина заключается в том, что само сопротивление может зависеть от частоты (см. Модель Друде , глубокие ловушки , резонансную частоту , соотношения Крамерса – Кронига и т. Д.)

Резистор в цепи

На российских схемах элементы с постоянным сопротивлением принято обозначать в виде белого прямоугольника, иногда с буквой R над ним. На зарубежных схемах можно встретить обозначение резистора в виде значка «зигзаг» с аналогичной буквой R сверху. Если для работы прибора важен какой-либо параметр детали, на схеме принято его указывать.

Мощность может обозначаться полосками на прямоугольнике:

  • 2 Вт — 2 вертикальные черты;
  • 1 Вт — 1 вертикальная черта;
  • 0,5 Вт — 1 продольная линия;
  • 0,25 Вт — одна косая линия;
  • 0,125 Вт — две косые линии.

Допустимо указание мощности на схеме римскими цифрами.

Обозначение переменных резисторов отличается наличием дополнительной над прямоугольником линии со стрелкой, символизирующей возможность регулировки, цифрами может быть указана нумерация выводов.

Полупроводниковые резисторы обозначаются тем же белым прямоугольником, но перечеркнутым косой линией (кроме фоторезисторов) с буквенным указанием типа управляющего воздействия (U — для варистора, P — для тензорезистора, t — для терморезистора). Фоторезистор обозначается прямоугольником в круге, к которому направлены две стрелки, символизирующие свет.

Параметры резистора не зависят от частоты протекающего тока, это означает, что данный элемент одинаково функционирует в цепях постоянного и переменного тока (как низкой, так и высокой частоты). Исключением являются проволочные резисторы, которым свойственна индуктивность и возможность потери энергии вследствие излучения на высоких и сверхвысоких частотах.

В зависимости от требований к свойствам электрической цепи резисторы могут соединяться параллельно и последовательно. Формулы для расчета общего сопротивления при разном соединении цепей существенно отличаются. При последовательном соединении итоговое сопротивление равно простой сумме значений входящих в цепь элементов: R = R1 + R2 +… + Rn.

При параллельном соединении для вычисления суммарного сопротивления необходимо сложить величины, обратные значениям элементов. При этом получится значение, также обратное итоговому: 1/R = 1/R1+ 1/R2 + … 1/Rn.

Общее сопротивление параллельно соединенных резисторов будет ниже наименьшего из них.

Watch this video on YouTube

Рассеяние энергии и джоулев нагрев

Пропускание тока через материал с сопротивлением создает тепло, что называется джоулевым нагревом . На этом снимке патронный нагреватель , нагретый джоулевым нагревом, раскален докрасна .

Резисторы (и другие элементы с сопротивлением) препятствуют прохождению электрического тока; следовательно, для проталкивания тока через сопротивление требуется электрическая энергия. Эта электрическая энергия рассеивается, нагревая при этом резистор. Это называется джоулевым нагревом (в честь Джеймса Прескотта Джоуля ), также называемым омическим нагревом или резистивным нагревом .

Рассеивание электрической энергии часто нежелательно, особенно в случае потерь при передаче в линиях электропередач . Передача высокого напряжения помогает снизить потери за счет уменьшения тока для заданной мощности.

С другой стороны, джоулева нагревание иногда полезно, например, в электрических плитах и других электрических нагревателях (также называемых резистивными нагревателями ). В качестве другого примера, лампы накаливания основаны на джоулевом нагреве: нить накаливания нагревается до такой высокой температуры, что она светится «добела» тепловым излучением (также называемым накаливанием ).

Формула для джоулева нагрева:

пзнак равноя2р{\ displaystyle P = I ^ {2} R}

где P — мощность (энергия в единицу времени), преобразованная из электрической энергии в тепловую, R — сопротивление, а I — ток через резистор.

Удельное электрическое сопротивление

Дальнейшие исследования позволили установить связь величины электрического сопротивления с его основными геометрическими размерами. Оказалось, что сопротивление проводника прямо пропорционально длине проводника L и обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника S.

Эта функциональная связь хорошо описывается следующей формулой:

$ R = ρ *{ L\over S} $ (4)

Постоянная для каждого вещества величина ρ была названа удельным сопротивлением. Значение этого параметра зависит от плотности вещества, его кристаллической структуры, строения атомов и прочих внутренних характеристик вещества. Из формулы (4) можно получить формулу для расчета удельного сопротивления, если имеются экспериментальные значения для R, L и S:

$ ρ = R*{ S\over L } $ (5)

Для большинства известных веществ измерения были произведены и внесены в справочные таблицы электрических сопротивлений проводников.

Удельное сопротивление металлов, Ом*мм2/м

(при Т = 20С)

Серебро

0,016

Бронза (сплав)

0,1

Медь

0,017

Олово

0,12

Золото

0,024

Сталь (сплав)

0,12

Алюминий

0,028

Свинец

0,21

Иридий

0,047

Никелин (сплав)

0,42

Молибден

0,054

Манганин (сплав)

0,45

Вольфрам

0,055

Константан (сплав)

0,48

Цинк

0,06

Титан

0,58

Латунь (сплав)

0,071

Ртуть

0,958

Никель

0,087

Нихром (сплав)

1,1

Платина

0,1

Висмут

1,2

Экспериментально было обнаружено, что с понижением температуры сопротивление металлов уменьшается. При приближении к температуре абсолютного нуля, которая равна -273С, сопротивление некоторых металлов стремится к нулю. Это явление называется сверхпроводимостью. Атомы и молекулы как бы “замораживаются”, прекращают любое движение и не оказывают сопротивления потоку электронов.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что способность проводника ограничивать величину электрического тока называется сопротивлением. Величину сопротивления проводника можно определить с помощью закона Ома, измерив напряжение и ток. Если известно удельное сопротивление проводника, его длина и поперечное сечение, то сопротивление можно вычислить с помощью формулы (4), не измеряя ток и напряжение.

Тест по теме

  1. Вопрос 1 из 10

Начать тест(новая вкладка)

Емкость в цепи переменного тока

При подаче на конденсатор постоянного напряжения он постепенно зарядится до максимальной разности потенциалов на его обкладках. После этого ток через электронный компонент прекратится и, не считая ничтожной утечки, будет равняться нулю. Поэтому в цепи постоянного тока конденсатор имеет огромное сопротивление. При расчетах его величину принимают равной бесконечности.

Реактивное сопротивление имеет вполне исчисляемое значение. Его можно измерить с помощью осциллографа, генератора и постоянного резистора. Для этого потребуется собрать схему. В ней конденсатор образует с резистором делитель напряжения. С помощью осциллографа будет измеряться потенциал, который образуется на выводах ёмкости.

Для данной схемы вычисления имеют следующий вид.

Формула косвенного измерения

Здесь:

  • Ur – разность потенциалов на резисторе, В;
  • Uc – напряжение на обкладках, В;
  • R – сопротивление резистора, ом;
  • Xc – сопротивление ёмкости, ом;
  • I – ток, протекающий в цепи, А.

Косвенное измерение

Важно! Электрический кабель также обладает ёмкостью. Поэтому после снятия напряжения на нём остаётся некоторый заряд

Данное явление опасно для человека, особенно, если проводник до отключения находился под потенциалом 1000 В и выше.

Зависимость сопротивления от других условий

Температурная зависимость

Вблизи комнатной температуры удельное сопротивление металлов обычно увеличивается при повышении температуры, тогда как удельное сопротивление полупроводников обычно уменьшается при повышении температуры. Удельное сопротивление изоляторов и электролитов может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от системы. Подробное описание поведения и объяснение см. В разделе Удельное электрическое сопротивление и проводимость .

Как следствие, сопротивление проводов, резисторов и других компонентов часто изменяется с температурой. Этот эффект может быть нежелательным и вызывать сбои в работе электронной схемы при экстремальных температурах. Однако в некоторых случаях эффект находит хорошее применение. Когда термозависимое сопротивление компонента используется целенаправленно, этот компонент называется термометром сопротивления или термистором . (Термометр сопротивления изготовлен из металла, обычно платины, а термистор — из керамики или полимера.)

Термометры сопротивления и термисторы обычно используются двумя способами. Во-первых, их можно использовать в качестве термометров : измеряя сопротивление, можно определить температуру окружающей среды. Во-вторых, они могут использоваться в сочетании с джоулевым нагревом (также называемым самонагревом): если через резистор проходит большой ток, температура резистора повышается и, следовательно, его сопротивление изменяется. Следовательно, эти компоненты могут использоваться для защиты цепей, как предохранители , или для обратной связи в цепях, или для многих других целей. В общем, самонагревание может превратить резистор в нелинейный и гистерезисный элемент схемы. Подробнее см. .

Если температура T не меняется слишком сильно, обычно используется линейное приближение :

р(Т)знак равнор1+α(Т-Т){\ Displaystyle R (T) = R_ {0} }

где называется температурным коэффициентом сопротивления , — фиксированная эталонная температура (обычно комнатная температура) и — сопротивление при температуре . Параметр представляет собой эмпирический параметр, подобранный на основе данных измерений. Поскольку линейное приближение является только приближением, оно отличается для разных эталонных температур. По этой причине принято указывать температуру, которая была измерена при помощи суффикса, например , и соотношение сохраняется только в диапазоне температур вокруг эталона.
α{\ displaystyle \ alpha}Т{\ displaystyle T_ {0}}р{\ displaystyle R_ {0}}Т{\ displaystyle T_ {0}}α{\ displaystyle \ alpha}α{\ displaystyle \ alpha}α{\ displaystyle \ alpha}α15{\ displaystyle \ alpha _ {15}}

Температурный коэффициент обычно составляет от + 3 · 10 −3 K −1 до + 6 · 10 −3 K −1 для металлов, близких к комнатной температуре. Для полупроводников и диэлектриков он обычно отрицательный и имеет очень различную величину.
α{\ displaystyle \ alpha}

Зависимость от деформации

Подобно тому, как сопротивление проводника зависит от температуры, сопротивление проводника зависит от деформации . Помещая проводник под натяжение (форма напряжения, которая приводит к деформации в виде растяжения проводника), длина растянутого участка проводника увеличивается, а площадь его поперечного сечения уменьшается. Оба эти эффекта способствуют увеличению сопротивления напряженного участка проводника. При сжатии (деформации в обратном направлении) сопротивление деформированного участка проводника уменьшается. См. Обсуждение тензодатчиков для получения подробной информации об устройствах, созданных для использования этого эффекта.

Зависимость от освещенности

Некоторые резисторы, особенно изготовленные из полупроводников , обладают фотопроводимостью , а это означает, что их сопротивление изменяется, когда на них падает свет. Поэтому их называют фоторезисторами (или светозависимыми резисторами ). Это распространенный тип световых детекторов .

Формула сопротивления

Ток обусловлен движением электронов. Классическая формула, используемая для расчёта его силы была выведена немецким физиком Омом. Он на опыте смог подтвердить зависимость между собой тока, сопротивления и напряжения. В математическом виде связь записывают в виде формулы: I = U /R.

Согласно закону Ома, сопротивление тела электрическому току прямо пропорционально его силе и обратно пропорционально напряжению: R = I / U. Это эмпирическая формула справедлива для любого участка цепи.

Подвижные носители при хаотичном движении ведут себя как молекулы газа, поэтому в первом приближении физики считают носителей зарядов своего рода электронным газом. Как было установлено эмпирически, плотность этого газа и строение кристаллической решётки зависят от рода проводника. Соответственно, проводимость, а значит и сопротивление, определяется также и родом вещества. В свою очередь, физическое тело характеризуется и геометрическими параметрами.

Влияние размеров полупроводника объясняется зависимостью от них поперечного сечения. При его уменьшении поток зарядов становится плотнее, степень взаимодействия между частицами возрастает. Полная формула сопротивления проводника с учётом поперечного сечения выглядит так: R = (p * l) / S. Из неё становится ясно, что проводимость прямо пропорциональна площади сечения и обратно пропорциональна длине проводника.

Удельное электрическое сопротивление для многих веществ было установлено во время исследований. Существуют таблицы, в которые занесены данные, измеренные при температуре 20 градусов Цельсия. Ими часто пользуются при решении различных задач, связанных с электричеством. Вот некоторые из них:

  • олово — 9,9 * 10-8 Ом * мм2/м;
  • медь — 0,01724 Ом * мм2/м;
  • алюминий — 0,0262 Ом * мм 2/м;
  • железо — 0,098 * Ом * мм2/м;
  • золото — 0,023 Ом * мм2/м.

Удельное сопротивление для неоднородного материала можно вычислить по формуле: p = E / J. Где: E и J напряжённость и плотность тока в конкретной точке.

Цветовая маркировка

Чтобы информация о параметрах детали оставалась читаемой с любой стороны, применяют цветовую маркировку, краска при этом наносится кольцевыми полосами. Каждому цвету соответствует свое численное значение. Полосы на деталях размещаются ближе к одному из выводов и читаются от него слева направо. Если из-за малого размера детали невозможно сместить цветовую маркировку к одному выводу, то первая полоса делается шириной в 2 раза больше, чем остальные.

Элементы с допустимой погрешностью в 20% обозначают тремя линиями, для погрешности 5-10% используют 4 линии. Самые точные резисторы обозначаются с помощью 5-6 линий, первые 2 из них соответствуют номиналу детали. Если полос 4, то третья говорит о десятичном множителе для первых двух полос, четвертая линия означает точность. Если полос 5, то третья из них — третий знак номинала, четвертая — степень показателя (количество нулей), а пятая — точность. Шестая линия означает температурный коэффициент сопротивления (ТКС).

В случае четырехполосной маркировки последними всегда идут золотая или серебряная полосы.

Все обозначения выглядят сложно, но умение быстро читать маркировку приходит с опытом.

Watch this video on YouTube

Расчет резисторов

Для подбора и установки элементов в схему необходимо предварительно рассчитать номинал и мощность компонентов.

Формула для расчета сопротивления и мощности

Сопротивление тока: формула

Используют Закон Ома для участка цепи, чтобы вычислить сопротивление резистора, формула имеет вид:

R = U/I,

где:

  • U – напряжение на выводах элемента, В;
  • I – сила тока на участке цепи, А.

Эта формула применима для токов постоянного направления. В случае расчётов для переменного тока берут в расчёт импеданс цепи Rz.

Важно! Строение схем не ограничивается установкой только одного резистора. Обычно их множество, соединены они между собой параллельно и последовательно

Для нахождения общего показателя применяют отдельные методы и формулы.

Последовательное соединение

При таком соединении «выход» одного элемента соединяется с «входом» другого, они идут последовательно друг за другом. Как рассчитать резистор в этом случае? Можно использовать электронный онлайн-калькулятор, можно применить формулу.

Общее значение будет составлять сумму сопротивлений компонентов, входящих в последовательное соединение:

R123 = R1+R2+R3.

На каждом из них произойдёт одинаковое падение напряжения: U1, U2, U3.

Параллельное соединение

При выполнении данного вида соединения одноимённые выводы соединяются попарно, формула имеет вид:

R = (R1 x R2)/ (R1 + R2).

Обычно полученное значение R бывает меньше меньшего из всех значений соединённых элементов.


Последовательное и параллельное соединения

Информация. На практике параллельное или последовательное присоединение применяют, когда нет детали необходимого номинала. Элементы для таких случаев подбирают одинаковой мощности и одного типа, чтобы не получить слабого звена.

Смешанное соединение

Рассчитывать общее сопротивление смешанных соединений возможно, применяя правило объединения. Сначала выбирают все параллельные и последовательные присоединения и составляют эквивалентные схемы замещения. Их начинают рассчитывать, используя формулы для каждого случая. Из полученной более простой схемы вновь выделяют параллельные и последовательные звенья и опять производят расчёты. Делают это до тех пор, пока не получат самое элементарное соединение или один эквивалентный элемент. Вычисленный результат будет являться искомым.


Метод расчёта при смешанном соединении

Мощность

Одного поиска значения сопротивления недостаточно для того, чтобы применить деталь. Необходимо узнать, на какую мощность должен быть рассчитан элемент. В противном случае он будет перегреваться и выйдет из строя. Мощные детали при поверхностном монтаже лучше устанавливать на радиатор.

Расчет мощности резистора выполняется по формуле:

Р = I² * R = U²/R,

где:

  • Р – мощность, Вт;
  • I – ток, А;
  • U – напряжение, В;
  • R – сопротивление, Ом.

После определения мощности резисторов по формуле подбирают комплектующие, исходя из графического обозначения на схемах.


Основные обозначения мощности резисторов

Физический принцип сопротивления

Проще всего объяснить это по аналогии с водопроводной трубой. Представьте себе, что вода — некое подобие электрического тока, образуемого направленным движением электронов в проводнике, а напряжение — аналог давления (напора) воды. Сопротивление — это та сила противодействия среды их движению, которую электронам или воде приходится преодолевать, в результате чего производится работа и выделяется теплота. Именно такая модель представлялась в 1820-е годы Георгу Ому, когда он занялся исследованием природы происходящего в электрических цепях.

В водопроводной трубе всё обстоит так, что чем выше давление воды, тем относительно большая доля энергии расходуется на преодоление сопротивления в трубах, поскольку в них усиливается турбулентность потока. Из этого исходил Ом, приступая к опытам по измерению зависимости силы тока от напряжения. И очень скоро выяснилось, что ничего подобного в электрических проводниках не происходит: сопротивление вещества электрическому току вовсе не зависит от приложенного напряжения. В этом, по сути, и заключается закон Ома, который (для отдельного участка цепи) записывается очень просто:

V = IR

где V — напряжение, приложенное к участку цепи, I — сила тока, а R — электрическое сопротивление участка цепи.

Сопротивление в проводнике

Сегодня мы понимаем, что электрическая проводимость обусловлена движением свободных электронов, а сопротивление — столкновением этих электронов с атомами кристаллической решетки. При каждом таком столкновении часть энергии свободного электрона передается атому, который, в результате, начинает колебаться более интенсивно, и в результате мы наблюдаем нагревание проводника под действием электрического тока. Повышение напряжения в цепи никак не сказывается на доле тепловых потерь такого рода, и соотношение напряжения и электрического тока остается постоянным.

Однако, когда Георг Ом экспериментально открыл свой закон, атомная теория строения вещества находилась в зачаточном состоянии, а до открытия электрона оставалось несколько десятилетий. Таким образом, для него формула V = IR была чисто экспериментальным результатом. Сегодня мы имеем достаточно стройную и, одновременно, сложную теорию электропроводности и понимаем, что закон Ома в его первозданном виде — всего лишь грубое приближение.

Однако это не мешает нам с успехом использовать его для расчета самых сложных электрических цепей, использующихся в промышленности и быту. Единица электрического сопротивления системы СИ называется Ом в честь этого выдающегося ученого.

Определение

Если посчитать общее сопротивление (Rобщ), можно выяснить изменение основных электрических параметров (тока (I) и напряжения (U)) при подключении схемы к определенному источнику питания. В простейшем варианте достаточно применить закон Ома (I = U/ R) и пренебречь внутренним сопротивлением аккумулятора.

При напряжении U = 6,5 В через подключенный резистор R = 20 ОМ будет проходить ток I = 6,5/20 = 0,325 А. По вычисленному параметру с помощью классической формулы можно узнать мощность:

P = I2 *R = U2/ R = 0,105625 * 20 = 2,11 Вт.

Полученное значение пригодится для выбора подходящего пассивного элемента в ассортименте магазина.

На практике приходится решать задачи с большим количеством элементов. Общий показатель эквивалентен суммарному сопротивлению цепи. Однако простым сложением правильный результат получить нельзя. Ниже рассмотрены технологии, по которым выполняют корректные вычисления.

Основные термины и определения

Рисунок поясняет используемую терминологию:

  • i1, i2… i6 – токи в отдельных цепях;
  • R1-R3 – пассивные элементы (резисторы);
  • e1, e2 – типичные обозначения источников тока (ЭДС);
  • L и C – компоненты с реактивными характеристиками (индуктивными и емкостными, соответственно);
  • ветвями называют с одним током;
  • места соединение этих цепей – узлы;
  • контуры (обозначены римскими цифрами I, II и III) показывают замкнутые пути прохождения токов по нескольким ветвям.

Обобщение понятия удельного сопротивления

Кусок резистивного материала с электрическими контактами на обоих концах

Удельное сопротивление можно определить также для неоднородного материала, свойства которого меняются от точки к точке. В этом случае оно является не константой, а скалярной функцией координат — коэффициентом, связывающим напряжённость электрического поля E→(r→){\displaystyle {\vec {E}}({\vec {r}})} и плотность тока J→(r→){\displaystyle {\vec {J}}({\vec {r}})} в данной точке r→{\displaystyle {\vec {r}}}. Указанная связь выражается :

E→(r→)=ρ(r→)J→(r→).{\displaystyle {\vec {E}}({\vec {r}})=\rho ({\vec {r}}){\vec {J}}({\vec {r}}).}

Эта формула справедлива для неоднородного, но изотропного вещества. Вещество может быть и анизотропно (большинство кристаллов, намагниченная плазма и т. д.), то есть его свойства могут зависеть от направления. В этом случае удельное сопротивление является зависящим от координат тензором второго ранга, содержащим девять компонент ρij{\displaystyle \rho _{ij}}. В анизотропном веществе векторы плотности тока и напряжённости электрического поля в каждой данной точке вещества не сонаправлены; связь между ними выражается соотношением

Ei(r→)=∑j=13ρij(r→)Jj(r→).{\displaystyle E_{i}({\vec {r}})=\sum _{j=1}^{3}\rho _{ij}({\vec {r}})J_{j}({\vec {r}}).}

В анизотропном, но однородном веществе тензор ρij{\displaystyle \rho _{ij}} от координат не зависит.

Тензор ρij{\displaystyle \rho _{ij}}симметричен, то есть для любых i{\displaystyle i} и j{\displaystyle j} выполняется ρij=ρji{\displaystyle \rho _{ij}=\rho _{ji}}.

Как и для всякого симметричного тензора, для ρij{\displaystyle \rho _{ij}} можно выбрать
ортогональную систему декартовых координат, в которых матрица ρij{\displaystyle \rho _{ij}} становится диагональной, то есть приобретает вид, при котором из девяти компонент ρij{\displaystyle \rho _{ij}} отличными от нуля являются лишь три: ρ11{\displaystyle \rho _{11}}, ρ22{\displaystyle \rho _{22}} и ρ33{\displaystyle \rho _{33}}. В этом случае, обозначив ρii{\displaystyle \rho _{ii}} как ρi{\displaystyle \rho _{i}}, вместо предыдущей формулы получаем более простую

Ei=ρiJi.{\displaystyle E_{i}=\rho _{i}J_{i}.}

Величины ρi{\displaystyle \rho _{i}} называют главными значениями тензора удельного сопротивления.

Аналогия с электрическим сопротивлением проводника на примере резистора

Чтобы суметь рассчитать импеданс цепи, нужно представлять, как себя ведут различные входящие в нее элементы: катушки индуктивности, резисторные и емкостные детали, с точки зрения вклада в составляющие общей резистивности цепи.

Активное сопротивление

Резистор относится к числу пассивных деталей цепи, не содержащих внутренних источников электроэнергии, при этом почти все создаваемое им противодействие приходится на активную компоненту. Реактивная составляющая если и присутствует, то настолько мала, что ею зачастую принято пренебрегать. Это связано с тем, что отношение напряжения на деталь и электротока, проходящего через нее, не зависит от их частоты. Когда к резисторной детали присоединяют источник напряжения (обозначим его U), через нее будет идти электроток значением I. Если к концам радиодетали подсоединяют источник тока, равного I, между ними будет иметь место падение напряжения U.

Резисторы – источники активного сопротивления

Реактивное сопротивление

К основным компонентам электроцепей, несущим такую нагрузку, относятся дроссели (и подобные им индуктивные элементы) и конденсаторы. При достижении резонанса наблюдается наименьшее значение общего противодействия подключенных последовательно конденсатора и дросселя и наибольшее – включенных параллельно.

Индуктивная нагрузка

Если индуктивный дроссель подключить к постоянному току, на нем будут наблюдаться следующие эффекты: резистивность будет приближаться к нулевому значению, а при пропускании электротока через катушечный элемент падение напряжения будет отсутствовать, независимо от токовой величины:

R=U/I=0/I=0.

Такие цифры справедливы для идеального дросселя, на практике они все же несколько отклоняются от нуля. Если к детали будет приложен переменный ток, напряжение между катушечными выводами будет отличным от нуля.

Катушка индуктивности

Емкостная нагрузка

При включении идеального конденсаторного элемента в сеть с постоянным напряжением его резистивность будет иметь очень большую величину, стремящуюся к бесконечной. Когда к радиодетали прикладывают такое напряжение, проходящий через нее ток будет равен нулю. Если к выводам конденсатора подсоединить источник переменного напряжения, ток будет ненулевым.

Детали, обладающие емкостью

Данные эффекты, наблюдаемые на емкостных радиодеталях и катушках, нельзя описывать в категориях активного противодействия в условиях константного электротока, так как последнее подразумевает стабильное, независимое от условий и не изменяющееся во времени отношение электротока и напряжения и исключает явление сдвига фаз между этими величинами. Таким образом, становится целесообразным введение для реактивных деталей характеристики, связывающей электроток и напряжение так, как это делает активное противодействие в омовском законе для константного тока.

Важно! При рассмотрении поведения катушек и конденсаторов под действием гармонических сигналов обнаруживается, что токовая сила и напряжение могут быть связаны константной величиной, которую также называют импедансом. При ее изучении применяется понятие о гармонических сигналах, учитывающее как их амплитудные характеристики, так и особенности, связанные с фазами

Такое значение импеданса можно определить как частное комплексной амплитуды, которой обладает напряжение приложенного к двухполюсному элементу сигнала, и комплексной амплитуды идущего через элемент электротока. В отношении пассивных электроцепей со стабильными показателями в устоявшемся режиме стоит сказать, что импедансный показатель у них не будет привязанным к течению времени. Если временной параметр при формульной записи не сокращается, то категория импеданса для рассматриваемого двухполюсника окажется неприменимой.

Как правильно измерять сопротивление

При работе с радиоаппаратурой иногда требуется измерять не только активностное, но и реактивное электросопротивление (индуктивность и емкость). Для измерений применяют косвенный метод использования мультиметра, а более точные значения получают при мостовом методе.

Активом сопротивляемости может выступать любой резистор

Косвенный метод наиболее прост в своей реализации, так как не требует дополнительных схем включения. Одна требуется наличие трех отдельных приборов: амперметра, вольтметра и ваттметра. Если измерить напряжение и силу электротока в цепи, то можно получить полное электросопротивление: Z=U*I  После измерения активностной мощности P, можно получить величину активного сопротивления отдельного элемента: R= P/I².

Обмотка трансформатора — один из примеров актива по превращению электроэнергии

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий