Электрику необходимо знать закон Ома, однако он полезен не только ему. Без понимания его принципов не справится, к примеру, и электронщик. Ведь в своей работе ему часто требуется ремонт, настройка и отладка как электрических, так и электронных схем.
В общем, знание этого закона не должно быть ограничено только специалистами в области электричества. Каждый из нас в той или иной степени сталкивается с электричеством, выполняя бытовой ремонт, что является довольно распространенным явлением в России. Поэтому, как минимум в общих чертах, этот закон должен быть известен любому образованному человеку.
В данной статье мы освежим в памяти ключевые положения закона Ома. При этом мы не будем углубляться в сложные теоретические аспекты, а сосредоточимся исключительно на тех сведениях, которые могут быть полезны тем, кто имеет дело с электричеством.
Ток, напряжение и сопротивление цепи: что это такое?
В законе Ома ток, напряжение и сопротивление – одни из ключевых понятий, для обозначения которых обычно применяются латинские буквы:
- R – величина сопротивления (измеряется в омах, Ом);
- U – величина напряжения (измеряется в вольтах, В);
- Электрический ток обозначается буквой I и измеряется в амперах (А).
Для лучшего понимания терминов, используемых в школьном курсе физики, приведем краткое разъяснение.
Начнем с определения понятия «цепь». Электрическая цепь формируется, когда создается проводящая траектория для электрического заряда. Внутри цепи заряд движется непрерывно. Этот постоянный перенос заряда по проводникам, из которых состоит цепь, и представляет собой электрический ток. Его часто используют как аналогию с потоком воды, движущимся по трубе.
Напряжение – это сила или, своего рода, «насос», который обеспечивает перемещение частиц, переносящих электрический заряд (электронов) по цепи. Оно характеризует определенный потенциал или величину потенциальной энергии. Важно отметить, что этот потенциал всегда является относительным и проявляется только между двумя разными точками.
Упоминание величины напряжения в электрической сети подразумевает наличие определенной потенциальной энергии. Это энергия, которая приводит в движение носители заряда, такие как электроны, из одной точки цепи в другую. Без указания конкретных точек термин «напряжение» теряет свою значимость.
При прохождении через проводники ток испытывает определённое трение или, иными словами, препятствие для своего перемещения. Это препятствие называется сопротивлением.
После того, как мы предоставили сжатое описание ключевых понятий, можно приступить к рассмотрению главного вопроса, который освещается в статье.
В чем заключается важность закона Ома и какова его главная идея
Закон, о котором идет речь, был впервые сформулирован немецким физиком Георгом Симоном Омом. Это открытие произошло более двух веков назад, в 1826 году.
Вероятно, многие из нас помнят формулировку этого закона еще со школьной программы. Она, в частности, устанавливает сразу две взаимосвязанные зависимости:
- во-первых, прямая – сила тока прямо пропорциональна напряжению в своем участке цепи;
- во-вторых, обратная – сила тока обратно пропорциональна величине сопротивления в своей цепи.
Это лишь основное понятие, определяющее закон. Из него проистекают два значимых следствия:
- Увеличение напряжения в электрической цепи приводит к возрастанию силы тока, протекающего по ней.
- Увеличение сопротивления участка цепи приводит к уменьшению величины протекающего тока.
Установление закономерностей, определенных данным законом, имеет огромное значение для развития науки. Это дало ученым и специалистам возможность проводить количественное измерение электрического тока.
Для более глубокого понимания сути вопроса рекомендуется ознакомиться с представленным видеороликом. В нем на примере воды, движущейся по трубам из бачка, наглядно показано, как действует данный важный закон физики.
Закон Ома и способы вычисления для отдельного звена цепи и для всей электрической цепи
При анализе электрической цепи с использованием закона Ома выделяют два подхода к вычислениям:
- в отдельном участке цепи;
- в полноценной схеме.
Рассмотрим поочередно оба этих варианта.
Определение величины тока, протекающего через конкретный участок электрической цепи
При рассмотрении электрической цепи обычно отбрасывают источник электродвижущей силы. Это позволяет не учитывать его внутреннее сопротивление, которое может исказить результаты. В связи с этим, формула для расчетов в данном случае значительно упрощается и имеет следующий вид:
I = U / R
Мы не будем пояснять значение использованных символов, поскольку, вероятно, каждый из вас их помнит. К тому же, мы уже обсуждали этот вопрос ранее.
Предложенную формулу можно интерпретировать довольно легко, подобно тому, как мы уже делали это в первой части нашей работы:
Величина тока, протекающего в цепи, зависит от напряжения: чем оно выше, тем больше ток. При этом, чем больше сопротивление участка цепи, тем меньше ток.
Данная формула ясно демонстрирует, как параметры электрической цепи связаны между собой. Благодаря этому, ее удобно применять для определения требуемых характеристик. К примеру, можно легко вычислить номинал сопротивления, которое необходимо включить в схему, при известных значениях напряжения и тока.
Используя представленную схему, можно легко определить, например, силу тока, проходящего через резистор сопротивлением 5 Ом, подключенный к источнику напряжения в 12 вольт. Вычисления не представляют собой сложной задачи и сводятся к простой подстановке известных величин. В результате ток оказывается равным:
I = 12/5 = 2,4 ампера
При известных значениях тока и сопротивления, задачу определения напряжения можно решить схожим способом. Это дает возможность легко подобрать требуемое рабочее напряжение, необходимую силу тока или оптимальные характеристики резистора.
В любой электрической цепи провода выступают в качестве элементов, обладающих сопротивлением. Величина тока, протекающего по ним, зависит от уровня напряжения. Таким образом, с помощью закона Ома можно определить требуемое сечение проводника.
Безусловно, этот процесс требует учета характеристик материала, из которого состоит проводник. В частности, необходимо учитывать его удельную проводимость.
Закон Ома и применение для вычислений в замкнутой электрической цепи
В отличие от простого звена, полная электрическая цепь обычно состоит из:
- один или несколько участков;
- источник питания или, иначе говоря, источник ЭДС (электродвижущей силы) Это может быть, к примеру, обычная батарейка.
Таким образом, резистивный элемент в цепи дополняется внутренним сопротивлением источника ЭДС. В связи с этим, представленную ранее формулу требуется скорректировать:
I = U / (R + r)
В большинстве случаев сопротивление источника ЭДС крайне мало. Однако, оно не всегда незначительно, поскольку зависит от его внутренней структуры. Даже при небольшом значении, это сопротивление может оказывать существенное влияние, особенно если электрическая цепь содержит множество проводников.
Обычно внутреннее сопротивление источника включается в цепь последовательно, что схематически отображается следующим образом:
Изложенные выше положения справедливы исключительно для цепей, в которых циркулирует постоянный ток. В случае переменного тока в действии закона Ома проявляются определенные отличия.
Закон Ома в цепях переменного тока функционирует несколько иначе, чем в цепях постоянного тока
При наличии переменного тока в цепи использование термина «сопротивление» становится некорректным. Более подходящим в таких условиях является понятие «импеданс», которое, в частности, включает в себя сочетание двух видов нагрузки:
- во-первых, резистивной (Ra);
- во-вторых, реактивной (Rr).
Такие явления обусловлены характеристиками индуктивных компонентов, а также принципами переключения, которые определяются переменным напряжением и синусоидальным током.
В данном случае, аналогичная электрическая цепь может быть представлена следующим образом:
В такой электрической цепи фазы напряжения и тока смещены. Это приводит к появлению двух разновидностей мощности: активной, рассеиваемой на резисторах, и реактивной, связанной с наличием конденсаторов или индуктивностей).
Для определения этих показателей обычно применяют следующую формулу:
Z = U / I или Z = R + J × (XL — XC)
При этом символы, применяемые в данной формуле, обозначают следующее:
- Z – импеданс;
- R, XC и XL обозначают активную, емкостную и индуктивную нагрузки;
- J – коэффициент.
Особенности последовательного и параллельного соединения элементов
Нам хорошо известно, что компоненты электрической цепи можно соединять последовательно или параллельно. Однако каждый способ подключения имеет свои особенности, касающиеся значений тока и напряжения. Поэтому применение закона Ома в этих ситуациях отличается.
Соединения, состоящие из последовательно соединенных резисторов
При последовательном соединении элементов в цепи действуют следующие закономерности:
- R = R1+ R2;
- U = U1+ U2;
- I = I1= I2.
Анализ представленных выше данных позволяет легко установить, что ток, протекающий в цепи с последовательно соединенными элементами, остается постоянным. Этот ток не меняется в зависимости от количества резисторов в цепи.
Данный фрагмент цепи, обладающий определенными свойствами, можно отобразить следующей схемой:
Как было сказано ранее, напряжение, подаваемое на все резистивные элементы, является суммой напряжений, действующих на каждый из них. При этом, суммарное напряжение, по сути, соответствует значению электродвижущей силы источника питания.
В отношении напряжения, воздействующего на каждый элемент, его величина определяется по следующей формуле:
UХ = I × RХ
Сопротивление участка цепи является суммой номинальных значений всех резисторов, входящих в него. Для расчета используют формулу, представленную ранее в этом разделе.
Цепи, содержащие параллельно соединенные резисторы
При рассмотрении участка цепи, содержащего параллельно соединенные резисторы, в соответствии с законом Ома, можно вывести следующее соотношение, определяющее его параметры:
- 1 / R = 1 / R1+ 1 / R2 + …
- U = U1= U2 …
- I = I1+ I2 …
Данный фрагмент цепи, обладающий определенными свойствами, схематически изображен следующим образом:
Схемы, состоящие из резисторов, соединённых комбинированным способом
Следует учитывать, что элементы электрической цепи могут быть организованы в смешанных схемах, включающих как последовательное, так и параллельное соединения.
Прежде чем вычислить номинальное сопротивление такого звена, сначала определяют сопротивление параллельного соединения. Затем к этому значению прибавляют сумму номиналов резисторов, соединенных последовательно.
Как применять последовательные и параллельные соединения на практике
В общем, знание теории весьма полезно. Однако, как теоретические знания могут быть применимы на практике? Попробуем понять.
В зависимости от задачи, элементы можно соединять как параллельно, так и последовательно. Однако в данном случае мы рассматриваем только самые простые формулы, описывающие линейные элементы, например, резисторы. Поэтому первый пример будет посвящен именно резисторам.
Первый пример
Вполне вероятно, что у вас не окажется нужного резистора с большим номиналом. В таком случае, если в наличии есть несколько резисторов меньшего размера, вы можете объединить их, соединив последовательно, чтобы получить требуемое сопротивление и создать необходимую схему.
В целом, данный пример выглядит вполне реалистичным и может быть применен в реальных условиях.
Второй пример
Срок службы батареек можно увеличить. Для этого рекомендуется соединять их параллельно. Согласно закону Ома, при таком соединении напряжение не изменится. Для подтверждения этого утверждения можно выполнить измерение с помощью мультиметра.
Впрочем, для данного примера следует внести небольшое дополнение, которое может пригодиться при его использовании.
Соединять источники питания следует только в том случае, если их электрический потенциал идентичен.
При подключении батареек с отличающимися уровнями заряда, батарея с более высоким потенциалом начнет подзаряжать разряженную. В результате их совместный потенциал существенно снизится.
Закон Ома в интегральном и дифференциальном виде
Описанные ранее положения и формулы применимы только к электрическим схемам, состоящим из проводников одного типа и имеющих одинаковую структуру. Иными словами, речь идет об однородных схемах.
В реальных условиях нередко возникают схемы, в которых структура проводников варьируется на разных участках. Так, например, может изменяться площадь поперечного сечения проводов. Или же могут использоваться проводники, произведенные из разных материалов.
Для учета существующих различий используют интегрально-дифференциальную форму записи закона Ома. Плотность тока в бесконечно малом проводнике обычно определяют, принимая во внимание напряженность электрического поля и величину удельной проводимости.
Для проведения дифференциальных вычислений обычно применяют формулу:
J = ό × E
При выполнении интегрального расчета применяется следующая формула:
I × R = φ1 – φ2 + έ
На практике электрику редко приходится проводить такие расчеты. Скорее, они относятся к областям высшей математики или физики.
Заключение и полезное видео
Для более глубокого понимания представленной информации предлагаем вам ознакомиться с видеоматериалом:
В процессе работы с электрическими цепями каждый специалист постоянно сталкивается с законом Ома. Поэтому для многих он становится общеизвестным принципом, которым необходимо уметь пользоваться. Для выполнения практических задач не требуется углублённых знаний, как у исследователя или студента, достаточно хорошо знать основные формулировки этого закона.
