電流の基本法則。スキーム、説明

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電流の基本法則。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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オームの法則。電圧と電流は、電気回路の最も有用な特性と考えられています。電気使用の主な特徴の 3 つは、エネルギーをある場所から別の場所へ迅速に輸送し、必要な形式で消費者に伝達することです。電位差と電流の積が電力、つまり単位時間あたりに回路内で放出されるエネルギー量を求めます。上で述べたように、電気回路内の電力を測定するには、XNUMX つのデバイスが必要になります。 XNUMX つだけを使用して、その読み取り値と抵抗などの回路の特性から電力を計算することは可能ですか? 多くの人がこのアイデアを気に入って、実りあるものだと感じました。

では、ワイヤまたは回路全体の抵抗はどれくらいでしょうか? 水道管や真空システムのパイプのようなワイヤーには、抵抗と呼べる永久的な特性がありますか? たとえば、パイプでは、流れを生み出す圧力差を流量で割った比は、通常、パイプの一定の特性です。同様に、ワイヤ内の熱流は、温度差、ワイヤの断面積、およびその長さを含む単純な関係によって支配されます。電気回路のこのような関係の発見は、探索の成功の結果でした。

1820 年代、ドイツの学校教師ゲオルクオームが最初に上記の関係を探り始めました。まず第一に、彼は大学で教えることができる名声と名声を求めて努力しました。それが、彼が特別な利点を約束する研究分野を選んだ理由です。

オムは機械工の息子だったので、実験に必要なさまざまな太さの金属線を引く方法を知っていました。当時は適切なワイヤーを購入することができなかったので、オムは自分でワイヤーを作りました。実験中、彼はさまざまな長さ、さまざまな厚さ、さまざまな金属、さらにはさまざまな温度を試しました。彼はこれらすべての要素を XNUMX つずつ変更しました。オームの時代には、バッテリーはまだ弱く、一貫性のない電流を生成していました。この点に関して、研究者は熱電対を発電機として使用し、その熱接点が炎の中に置かれました。さらに、彼は粗製の磁気電流計を使用し、温度や熱接点の数を変化させることによって電位差 (オームはそれらを「電圧」と呼んだ) を測定しました。

電気回路の研究は発展し始めたばかりです。 1800 年頃に電池が発明されてから、電池はさらに急速に発展し始めました。さまざまなデバイスが設計および製造され（多くの場合手作業で）、新しい法則が発見され、概念や用語が登場しました。これらすべてが電気現象と要因のより深い理解につながりました。

電気に関する知識の更新は、一方では物理学の新しい分野の出現の理由となり、他方では、電池、発電機、照明用の電源システムなどの電気工学の急速な発展の基礎となりました。電気駆動装置、電気炉、電気モーターなどが発明されました。

オームの発見は、電気研究の発展と応用電気工学の発展の両方にとって非常に重要でした。これらにより、直流、その後交流の電気回路の特性を簡単に予測できるようになりました。 1826 年、オームは理論的結論と実験結果を概説した本を出版しました。しかし、彼の希望は正当化されず、この本は嘲笑で迎えられました。これは、多くの人が哲学に興味を持っていた時代に、粗雑な実験方法が魅力的ではないと思われたために起こりました。

彼には教職を辞めざるを得ませんでした。同じ理由で彼は大学への任命を果たせなかった。科学者は6年間、将来に自信を持てずに貧困の中で暮らし、激しい失望感を経験しました。

しかし徐々に彼の作品は、最初はドイツ国外で名声を博していきました。オムは海外でも尊敬され、研究から恩恵を受けました。この点で、彼の同胞は祖国で彼を認めざるを得ませんでした。 1849年にミュンヘン大学で教授職を獲得した。

オームは、ワイヤ (回路の一部または回路全体) の電流と電圧の関係を確立する単純な法則を発見しました。さらに、異なるサイズのワイヤーを使用した場合に何が変わるかを判断できるルールをまとめました。

オームの法則は次のように定式化されます。回路のあるセクションの電流の強さは、このセクションの電圧に正比例し、そのセクションの抵抗に反比例します。

ジュール・レンツの法則。回路のどの部分でも電流は何らかの働きをします。たとえば、両端間に電圧 (U) がある回路の任意のセクションを考えてみましょう。電圧の定義によれば、電荷の単位を XNUMX 点間で移動させるときに行われる仕事は U に等しくなります。回路の特定のセクションの電流の強さが i に等しい場合、時間 t で電荷は通過します。したがって、このセクションの電流の仕事は次のようになります。

A=Uit。

この式は、導体や電気モーターなどを含む可能性のある回路のどのセクションでも、いかなる場合でも直流電流に有効です。現在の電力、つまり単位時間あたりの仕事量は次と等しくなります。

P \uXNUMXd A / t \uXNUMXd Ui。

この式は、電圧の単位を決定するために SI システムで使用されます。

回路のセクションが固定導体であると仮定します。この場合、すべての仕事は熱に変わり、この導体で放出されます。導体が均質でオームの法則に従う場合 (これにはすべての金属と電解質が含まれます)、次のようになります。

U = ir、

ここで、rは導体の抵抗です。この場合：

A = rt2t。

この法則は、最初に E. レンツによって経験的に導き出され、彼とは独立してジュールによって導き出されました。

加熱導体には技術分野で多くの用途があることに注意してください。それらの中で最も一般的で重要なものは白熱照明ランプです。

電磁誘導の法則。 XNUMX 世紀前半、イギリスの物理学者 M. ファラデーは磁気誘導現象を発見しました。この事実は多くの研究者の財産となり、電気工学および無線工学の発展に強力な推進力を与えました。

実験の過程で、ファラデーは、閉ループで囲まれた表面を貫通する磁気誘導線の数が変化すると、その中に電流が発生することを発見しました。これは、おそらく最も重要な物理法則である電磁誘導の法則の基礎です。回路内に発生する電流を誘導といいます。

自由電荷が外力にさらされた場合にのみ回路内に電流が発生し、閉回路の表面に沿って通過する磁束が変化すると、同じ外力が回路内に現れます。物理学における外力の作用は、起電力または誘導起電力と呼ばれます。

電磁誘導は開放導体にも発生します。導体が磁力線を横切ると、その両端に電圧が発生します。このような電圧が発生する理由は誘導起電力です。閉ループを通過する磁束が変化しない場合、誘導電流は発生しません。

「誘導起電力」の概念を使用すると、電磁誘導の法則について説明できます。つまり、閉ループ内の誘導起電力は、ループによって境界が定められた表面を通る磁束の変化率と大きさが等しいということです。

レンツの法則。すでに知られているように、導体には誘導電流が発生します。出現条件により方向性が異なります。これを機に、ロシアの物理学者レンツは次の法則を定式化しました。閉回路内で生じる誘導電流は、常に、それが生成する磁場によって磁束が変化しないような方向を持っています。これらすべてが誘導電流の発生を引き起こします。

他の誘導電流と同様、誘導電流にもエネルギーがあります。これは、誘導電流が発生すると電気エネルギーが現れることを意味します。エネルギーの保存と変換の法則によれば、上記のエネルギーは、他の種類のエネルギーのエネルギー量によってのみ発生します。したがって、レンツの法則はエネルギーの保存と変換の法則に完全に対応します。

誘導に加えて、いわゆる自己誘導がコイル内に現れることがあります。その本質は次のとおりです。

コイルに電流が発生したり、コイルの強さが変化すると、変化する磁場が現れます。そして、コイルを通過する磁束が変化すると、コイルに起電力が発生します。これを自己誘導起電力と呼びます。

レンツの法則によれば、回路を閉じるときの自己誘導起電力が電流の強さを妨げ、電流の増加を妨げます。回路がオフになると、自己誘導起電力によって電流強度が減少します。コイル内の電流強度が一定の値に達すると、磁場の変化が止まり、自己誘導起電力がゼロになります。

著者: Smirnova L.N.

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