Суть закона Ома и важность для электротехников.

Знание закона Ома обязательно для любого работающего с электричеством. Электронщикам также необходимо его понимать, ведь им часто нужно ремонтировать, настраивать и подготавливать как электрические, так и электронные схемы.

Знание данного закона не ограничивается лишь профессионалами, работающими с электричеством. Каждый из нас в той или иной мере сталкивается с электрикой во время бытовых ремонтов, что особенно актуально в России. Поэтому всем культурным людям следует знать общие положения этого закона.

В этой статье освещены ключевые положения закона Ома для тех, кто работает с электричеством.

Ток, напряжение и сопротивление цепи: что это такое?

Ток, напряжение и сопротивление – основные понятия закона Ома. Для обозначения этих величин обычно применяют латинские буквы.

• R – величина сопротивления (измеряется в омах, Ом);
• U – величина напряжения (измеряется в вольтах, В);
• Я — это сила тока, измеряемая амперами (А).

Для ясности понимания этих понятий из школьного курса физики приведём краткое разъяснение.

Начнем с определения понятия «цепь». Электрическая цепь возникает при образовании проводящего пути для электрического заряда, который постоянно перемещается по этому пути. Такое непрерывное движение заряда по проводникам, составляющим цепь, называют током.

Напряжение – это сила, или «насос», который заставляет заряженные частицы (электроны) двигаться по цепи. Это определенный потенциал, или мера потенциальной энергии. Этот потенциал всегда относительный и существует только между двумя разными точками.

Упомянув величину напряжения в электрической сети, мы всегда имеем в виду определенную потенциальную энергию. Энергия, которая заставляет носители заряда (электроны) перемещаться из одной точки цепи в другую. Без указания конкретных точек термин «напряжение» теряет смысл.

Течение тока по проводнику обычно встречает сопротивление, то есть трудности в своем движении.

Было дано краткое пояснение основных понятий, таким образом, можно перейти к главной теме статьи.

Какова важность закона Ома и его главное содержание?

Немецкий физик Георг Симон Ом считается автором этого закона, или, вернее, его первооткрывателем. Это произошло более двух веков назад, а именно в 1826 году.

Многие помнят формулировку этого закона с курса школьной физики.

• В первую очередь, линейная зависимость – величина силы тока прямо пропорциональна напряжению на данном участке электрической цепи.
• Во-вторых, обратная сила тока прямо пропорциональна величине сопротивления в своей цепи.

Это определение закона предоставляет основу для двух важных последствий.

1. При большей разности потенциалов по участку цепи, через него течёт больший ток.
2. Чем выше сопротивление участка цепи, тем слабее будет ток.

Открытие закономерностей данным законом имеет огромную ценность для науки. По результатам его работы учёные и практикующие специалисты получили возможность измерять электрический ток количественно.

Для более глубокого понимания темы предлагаем ознакомиться с видеороликом, где на примере потока воды из бачка через трубы доступно демонстрируется действие данного закона физики.

Закон Ома и способы вычислений как для отдельных участков, так и для всей электрической цепи.

Рассматривая электрическую цепь через призму закона Ома, можно выявить два подхода к расчету.

• в отдельном участке цепи;
• в полноценной схеме.

Рассмотрим поочередно оба этих варианта.

Расчёт силы тока на отрезке электрической цепи.

При рассмотрении участка электрической цепи обычно не учитывается источник ЭДС, то есть не берётся во внимание его дополнительное внутреннее сопротивление. В итоге расчетная формула для этого случая получается достаточно простой и имеет следующий вид:

I = U / R

Значение используемых символов уточнять не будем, так как каждый из вас, возможно, это помнит. Об этом говорили немного раньше.

Формулу можно трактовать весьма легко. Именно так же, как в начале нашего изложения.

Ток, протекающий по участку цепи, увеличивается с ростом напряжения и уменьшается при увеличении сопротивления.

Формула ясно показывает взаимосвязь свойств участка цепи. Благодаря этому формулу удобно применять для определения требуемых характеристик. К примеру, с ее помощью можно просто посчитать величину резистора, необходимую для впаивания в схему, если параметры напряжения и тока уже определены.

По рисунку легко вычислить силу тока через пятиомное сопротивление при напряжении 12 вольт. Расчёт простой – достаточно подставить значения в формулу. Получается, ток равен:

I = 12/5 = 2,4 ампера

Подобно этому можно решить задачу по определению напряжения (при известных значениях тока и сопротивления) или сопротивления (если известны параметры напряжения и тока).

В любой электрической схеме провода выполняют функцию сопротивления. Требуемый размер проводов определяется уровнем напряжения и законом Ома позволяет рассчитать необходимое сечение.

Изготовление жилы следует проводить с учетом свойств материала и его удельной проводимости.

Закон Ома и вычисления с его помощью для замкнутой цепи

В отличие от фрагмента цепи, полное электроцепь обычно содержит:

• один или несколько участков;
• Питание устройства или источник ЭДС, например, батарейка.

Следовательно, сопротивление участка цепи, включающее резистивный элемент, складывается с внутренним сопротивлением источника тока. Формула приобретает следующий вид:

I = U / (R + r)

Значение сопротивления источника ЭДС обычно очень мало, но иногда может быть значительным. Это зависит от внутренней структуры самого источника. Даже при малом сопротивлении его влияние может быть ощутимым, особенно в цепи с множеством проводников.

Чаще всего добавление внутреннего сопротивления источника к цепи происходит последовательно.

Изложенное выше верно лишь для постоянного тока. При переменном токе закон Ома имеет специфические особенности.

Как функционирует закон Ома в цепи переменного тока?

При прохождении переменного тока по цепи, вместо понятия «сопротивление» целесообразнее использовать «импеданс», так как это понятие учитывает два фактора нагрузки.

• во-первых, резистивной (R_a);
• во-вторых, реактивной (R_r).

Подобные явления обусловлены характеристиками индуктивных элементов и законами коммутации, применимыми к изменяющемуся напряжению и току в виде синусоиды.

Следовательно, аналог схемы электрической цепи в рассматриваемом случае выглядит так:

В такой цепи величины напряжения и тока не совпадают по фазе. Это порождает два типа мощности: активную, которая связана с сопротивлением, и реактивную, обусловленную емкостью или индуктивностью.

Для вычисления этих явлений обычно применяют такую формулу:

Z = U / I или Z = R + J × (XL — XC)

В данной формуле применяются следующие обозначения для символов.

• Z – импеданс;
• R, XC и XL — нагрузки, соответственно – активная, емкостная и индуктивная.
• J – коэффициент.

Особенности подключения элементов поочередно и одновременно.

Наше общее знание гласит, что элементы электрических схем соединяют последовательно или параллельно. Однако каждый способ соединения имеет свои нюансы относительно тока и напряжения, влияющие на применение закона Ома.

Цепочки из последовательно соединённых резисторов.

При последовательном соединении элементов в цепи применяются следующие формулировки.

• R = R₁+ R₂;
• U = U₁+ U₂;
• I = I₁= I₂.

Из данных выражений понятно, что ток в участке цепи с последовательно соединенными элементами постоянный и не меняется при разном количестве сопротивлений.

Можно представить такой отрезок цепи со своими особенностями в виде схемы:

Мы ранее отмечали, что напряжение, действующее на все сопротивления, равняется сумме напряжений на каждом из них. В целом, это напряжение совпадает с силой тока источника питания.

Для расчета напряжения на каждом отдельном элементе применяем такую формулу.

U_Х = I × R_Х

Общее сопротивление участка цепи складывается из сумм номиналов всех сопротивлений.

Сети из последовательно соединенных резисторов.

При расчете участка цепи с параллельно соединенными резисторами по закону Ома получается определенное соотношение их свойств.

• 1 / R = 1 / R₁+ 1 / R₂ + …
• U = U₁= U₂ …
• I = I₁+ I₂ …

Такой участок цепи с его характеристиками можно изобразить следующей схемой.

Цепи с комбинированной связкой сопротивлений.

Важно помнить, что участки электрической цепи могут состоять как из параллельных, так и из последовательных соединений.

Для расчета сопротивления такого участка цепи сначала находят сопротивление параллельного соединения. Затем к нему прибавляют полное сопротивление резисторов, соединенных последовательно.

Как применять последовательное и параллельное соединение в действительности?

Знание теории важно, но как оно переходит в практику? Рассмотрим это.

Соединения элементов могут быть как параллельными, так и последовательными. В данной ситуации рассматриваются лишь простейшие формулы, описывающие линейные элементы, к которым относятся, например, резисторы. Поэтому в качестве первого примера будет использован резистор.

Первый пример

Возможно, у вас нет под рукой резистора с большим сопротивлением. Но есть несколько меньших. Для получения необходимого решения и построения требуемой цепи можно соединить несколько маленьких резисторов последовательно.

Данный пример применим к реальной жизни и может быть использован практически.

Второй пример

Рассмотрим другой пример с батарейками. Срок службы этих источников питания можно продлить. Для этого их соединяют параллельно. Согласно закону Ома, напряжение при этом остаётся постоянным. Проверить это можно с помощью мультиметра.

Необходимо учесть этот момент, если вы сочтете его полезным для себя.

При одновременном подключении источников питания допустимо соединение только тех, чья разность потенциалов идентична.

Соединение батареек с различным зарядом приведет к зарядке разряженной батареи элементом с большим потенциалом. Общий потенциал системы станет меньше.

Закон Ома в интегральном и дифференциальном виде

Данные положения и формулы верны только если электрическая схема состоит исключительно из проводников одинакового типа и строения, то есть однородна.

В реальности нередки схемы с разной структурой проводников в различных зонах. К примеру, сечения проводов могут отличаться. Также возможна установка проводников из разных материалов.

Для учета имеющихся отличий используют закон Ома в интегрально-дифференциальном выражении. Плотность тока в невероятно маленьком проводе обычно определяют, учитывая силу электрического поля и величину удельной проводимости.

В дифференциальном исчислении часто применяют следующую формулу:

J = ό × E

При проведении интегрального расчета применяется следующая формула:

I × R = φ1 – φ2 + έ

В практике обычных электриков такие расчеты обычно не применяются. Поскольку, скорее всего, относится к разделам высшей математики или физики.

Заключение и полезное видео

Для более глубокого понимания темы предлагаем ознакомиться с нижеследующим видеоматериалом.

Работая с электрическими сетями, люди часто сталкиваются с законом Ома. Для них этот физический закон становится привычной истиной, требующей умелого применения. Глубокие познания не всегда необходимы, например, для практического использования. Достаточно знать основные формулировки закона.