Закон Ома часто называют основным законом электричества. Открывший его в 1826 г. известный немецкий физик Георг Симон Ом установил зависимость между основными физическими величинами электрической цепи – сопротивлением, напряжением и силой тока.
Электрическая цепь
Чтобы лучше понять смысл закона Ома, нужно представлять, как устроена электрическая цепь.
Что же такое электрическая цепь? Это путь, который проходят электрически заряженные частицы (электроны) в электрической схеме.
Чтобы в электрической цепи существовал ток, необходимо наличие в ней устройства, которое создавало бы и поддерживало разность потенциалов на участках цепи за счёт сил неэлектрического происхождения. Такое устройство называется источником постоянного тока , а силы - сторонними силами .
Электрическую цепь, в которой находится источник тока, называют полной электрической цепью . Источник тока в такой цепи выполняет примерно такую же функцию, что и насос, перекачивающий жидкость в замкнутой гидравлической системе.
Простейшая замкнутая электрическая цепь состоит из одного источника и одного потребителя электрической энергии, соединённых между собой проводниками.
Параметры электрической цепи
Свой знаменитый закон Ом вывел экспериментальным путём.
Проведём несложный опыт.
Соберём электрическую цепь, в которой источником тока будет аккумулятор, а прибором для измерения тока – последовательно включенный в цепь амперметр. Нагрузкой служит спираль из проволоки. Напряжение будем измерять с помощью вольтметра, включенного параллельно спирали. Замкнём с помощью ключа электрическую цепь и запишем показания приборов.
Подключим к первому аккумулятору второй с точно таким же параметрами. Снова замкнём цепь. Приборы покажут, что и сила тока, и напряжение увеличились в 2 раза.
Если к 2 аккумуляторам добавить ещё один такой же, сила тока увеличится втрое, напряжение тоже утроится.
Вывод очевиден: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению, приложенному к концам проводника .
В нашем опыте величина сопротивления оставалась постоянной. Мы меняли лишь величину тока и напряжения на участке проводника. Оставим лишь один аккумулятор. Но в качестве нагрузки будем использовать спирали из разных материалов. Их сопротивления отличаются. Поочерёдно подключая их, также запишем показания приборов. Мы увидим, что здесь всё наоборот. Чем больше величина сопротивления, тем меньше сила тока. Сила тока в цепи обратно пропорциональна сопротивлению .
Итак, наш опыт позволил нам установить зависимость силы тока от величины напряжения и сопротивления.
Конечно, опыт Ома был другим. В те времена не существовало амперметров, и, чтобы измерить силу тока, Ом использовал крутильные весы Кулона. Источником тока служил элемент Вольта из цинка и меди, которые находились в растворе соляной кислоты. Медные проволоки помещались в чашки со ртутью. Туда же подводились концы проводов от источника тока. Проволоки были одинакового сечения, но разной длины. За счёт этого менялась величина сопротивления. Поочерёдно включая в цепь различные проволоки, наблюдали за углом поворота магнитной стрелки в крутильных весах. Собственно, измерялась не сама сила тока, а изменение магнитного действия тока за счёт включения в цепь проволок различного сопротивления. Ом называл это «потерей силы».
Но так или иначе эксперименты учёного позволили ему вывести свой знаменитый закон.
Георг Симон Ом
Закон Ома для полной цепи
Между тем, формула, выведенная самим Омом, выглядела так:
Это не что иное, как формула закона Ома для полной электрической цепи: « Сила тока в цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешней цепи и внутреннего сопротивления источника ».
В опытах Ома величина Х показывала изменение величины тока. В современной формуле ей соответствует сила тока I , протекающего в цепи. Величина а характеризовала свойства источника напряжения, что соответствует современному обозначению электродвижущей силы (ЭДС) ε . Значение величины l зависело от длины проводников, соединявших элементы электрической цепи. Эта величина являлась аналогией сопротивления внешней электрической цепи R . Параметр b характеризовал свойства всей установки, на которой проводился опыт. В современной обозначении это r – внутреннее сопротивление источника тока.
Как выводится современная формула закона Ома для полной цепи?
ЭДС источника равна сумме падений напряжений на внешней цепи (U ) и на самом источнике (U 1 ).
ε = U + U 1 .
Из закона Ома I = U / R следует, что U = I · R , а U 1 = I · r .
Подставив эти выражения в предыдущее, получим:
ε = I · R + I · r = I · (R + r) , откуда
По закону Ома напряжение во внешней цепи равно произведению силы тока на сопротивление. U = I · R . Оно всегда меньше, чем ЭДС источника. Разница равна величине U 1 = I · r .
Что происходит при работе батарейки или аккумулятора? По мере того, как разряжается батарейка, растёт её внутренне сопротивление. Следовательно, увеличивается U 1 и уменьшается U .
Полный закон Ома превращается в закон Ома для участка цепи, если убрать из него параметры источника.
Короткое замыкание
А что произойдёт, если сопротивление внешней цепи вдруг станет равно нулю? В повседневной жизни мы можем наблюдать это, если, например, повреждается электрическая изоляция проводов, и они замыкаются между собой. Возникает явление, которое называется коротким замыканием . Ток, называемый током короткого замыкания , будет чрезвычайно большим. При этом выделится большое количество теплоты, которое может привести к пожару. Чтобы этого не случилось, в цепи ставят устройства, называемые предохранителями. Они устроены так, что способны разорвать электрическую цепь в момент короткого замыкания.
Закон Ома для переменного тока
В цепи переменного напряжения кроме обычного активного сопротивления встречается реактивное сопротивление (ёмкости, индуктивности).
Для таких цепей U = I · Z , где Z - полное сопротивление, включающее в себя активную и реактивную составляющие.
Но большим реактивным сопротивлением обладают мощные электрические машины и силовые установки. В бытовых приборах, окружающих нас, реактивная составляющая настолько мала, что её можно не учитывать, а для расчётов использовать простую форму записи закона Ома:
I = U / R
Мощность и закон Ома
Ом не только установил зависимость между напряжением, током и сопротивлением электрической цепи, но и вывел уравнение для определения мощности:
P = U · I = I 2 · R
Как видим, чем больше ток или напряжение, тем больше мощность . Так как проводник или резистор не является полезной нагрузкой, то мощность, которая приходится на него, считается мощностью потерь. Она идёт на нагревание проводника. И чем больше сопротивление такого проводника, тем больше теряется на нём мощности. Чтобы уменьшить потери от нагревания, в цепи используют проводники с меньшим сопротивлением. Так делают, например, в мощных звуковых установках.
Вместо эпилога
Небольшая подсказка для тех, кто путается и не может запомнить формулу закона Ома.
Разделим треугольник на 3 части. Причём, каким образом мы это сделаем, совершенно неважно. Впишем в каждую из них величины, входящие в закон Ома - так, как показано на рисунке.
Закроем величину, которую нужно найти. Если оставшиеся величины находятся на одном уровне, то их нужно перемножить. Если же они располагаются на разных уровнях, то величину, расположенную выше, необходимо разделить на нижнюю.
Закон Ома широко применяется на практике при проектировании электрических сетей в производстве и в быту.
Принцип работы одного из основополагающих законов электротехники хочется начать объяснять с аллегории - показа небольшого карикатурного изображения 1 из трех человечков под именами «Напряжение U», «Сопротивление R» и «Ток I».
На нем видно, что «Ток» пытается пролезть через сужение в трубе, которое «Сопротивление» усердно затягивает. В то же время «Напряжение» прилагает максимально возможное усилие для прохождения, проталкивания «Тока».
Этот рисунок напоминает, что - это упорядоченное движение заряженных частиц в определенной среде. Передвижение их возможно под действием приложенной внешней энергии, создающей разность потенциалов - напряжение. Однако, внутренние силы проводников и элементов схемы уменьшают величину тока, оказывают сопротивление его перемещению.
Рассмотрим простую схему 2, поясняющую действие закона Ома для участка электрической цепи постоянного тока.
В качестве источника напряжения U используем , которую подключим к сопротивлению R толстыми и одновременно короткими проводами в точках А и В. Допустим, что провода не влияют на величину прохождения тока I к резистору R.
Формула (1) выражает соотношения между сопротивлением (омы), напряжением (вольты) и током (амперы). Ее называют . Кружок под формулой облегчает ее запоминание и пользование для выражения каждого из составляющих параметров U, R или I (U расположено сверху над черточкой, а R и I - снизу).
Если надо определить один из них, то мысленно закрываем его и работаем с двумя оставшимися, выполняя арифметические действия. Когда величины расположены на одной строчке, то их перемножаем. А в случае расположения их на разных уровнях выполняем деление верхнего на нижний.
Эти соотношения показаны на формулах 2 и 3 рисунка 3 ниже.
В этой схеме для измерения тока используется амперметр, который соединен последовательно с нагрузкой R, а напряжения - вольтметр, подключенный параллельно точкам 1 и 2 резистора. Учитывая конструктивные особенности приборов, допустим, что амперметр не влияет на величину тока в схеме, а вольтметр - напряжения.
Определение сопротивления с помощью закона Ома
Пользуясь показаниями приборов (U=12 В, I=2,5 А) можно по формуле 1 определить величину сопротивления R=12/2,5=4,8 Ом.
На практике этот принцип заложен в работу измерительных приборов - омметров, определяющих активное сопротивление различных электрических устройств. Поскольку они могут быть настроены на замеры различных диапазонов величин, то их соответственно подразделяют на микроомметры и миллиомметры, работающие с малыми сопротивлениями и тера-, гиго- и мегаомметры - измеряющие очень большие значения.
Для конкретных условий эксплуатации их выпускают:
переносными;
щитовыми;
лабораторными моделями.
Принцип работы омметра
Для выполнения замеров обычно используются магнитоэлектрические приборы, хотя в последнее время широко внедряются электронные (как аналоговые, так и цифровые).
В омметре магнитоэлектрической системы используется токоограничивающий резистор R, пропускающий через себя только миллиамперы и чувствительная измерительная головка (миллиамперметр). Она реагирует на протекание малых токов через прибор за счет взаимодействия двух электромагнитных полей от постоянного магнита N-S и поля, создаваемого током, проходящим через обмотку катушки 1 с токопроводящей пружинкой 2.
В результате взаимодействия сил магнитных полей происходит отклонение стрелки прибора на определенный угол. Шкала головки для облегчения работы сразу проградуирована в омах. При этом используется выражение сопротивления через ток по формуле 3.
У омметра для обеспечения точных замеров должно поддерживаться стабилизированное значение подаваемого напряжения от батареи питания. С этой целью применяется калибровка посредством использования добавочного регулировочного резистора R рег. С его помощью до начала измерения на схему ограничивается подача излишнего напряжения от источника, выставляется строго стабильная, нормируемая величина.
Определение напряжения с помощью закона Ома
Во время работ с электрическими схемами бывают случаи, когда необходимо узнать падение напряжения на каком-то элементе, например, резисторе, а известно его сопротивление, которое обычно маркируется на корпусе, и проходящий сквозь него ток. Для этого не обязательно подключать вольтметр, а достаточно воспользоваться расчетами по формуле 2.
В нашем случае для рисунка 3 проведем расчеты: U=2,5·4,8 =12 В.
Определение тока с помощью закона Ома
Этот случай описывает формула 3. Его используют для расчета нагрузок в электрических схемах, выбора сечений проводников, кабелей, предохранителей или защитных автоматов.
В нашем примере расчет выглядит так: I=12/4,8=2,5 А.
Шунтирование
Этот способ в электротехнике используют для исключения работы определенных элементов из схемы без их демонтажа. Для этого на ненужном резисторе замыкают накоротко проводником входящую и отходящую клеммы (на рисунке 1 и 2) - шунтируют.
В результате ток схемы выбирает для себя путь с меньшим сопротивлением через шунт и резко возрастает, а напряжение зашунтированного элемента падает до нуля.
Короткое замыкание
Этот режим является частным случаем шунтирования и, в общем-то, показан на рисунке выше, когда закоротка устанавливается на выходные клеммы источника. При его возникновении создаются очень опасные большие токи, способные поражать людей и сжигать не защищенное электрооборудование.
Для борьбы со случайно возникающими замыканиями в электрической сети используют защиты. На них выставляют такие уставки, которые не мешают работать схеме в нормальном режиме. Они отключают питание только при аварийных случаях.
Например, если ребенок по неосторожности всунет в домашнюю розетку проволоку, то правильно настроенный автоматический выключатель вводного квартирного щита практически моментально отключит электроснабжение.
Все, что описано выше, относится к закону Ома для участка цепи постоянного тока, а не полной схемы, где процессов может быть значительно больше. Следует представлять, что это только небольшая часть применения его в электротехнике.
Закономерности, выявленные знаменитым ученым Георгом Симоном Омом между током, напряжением и сопротивлением по-разному описываются в различных средах и цепях переменного тока: однофазных и трехфазных.
Вот основные формулы, выражающие соотношения электрических параметров в металлических проводниках.
Более сложные формулы для проведения специальных расчетов закона Ома на практике.
Как видим, исследования, которые провел гениальный ученый Георг Симон Ом, имеют огромное значение даже в наше время бурного развития электротехники и автоматики.
Закон Ома для полной цепи – эмпирический (полученный из эксперимента) закон, который устанавливает связь между силой тока, электродвижущей силой (ЭДС) и внешним и внутренним сопротивлением в цепи.
При проведении реальных исследований электрических характеристик цепей с постоянным током необходимо учитывать сопротивление самого источника тока. Таким образом в физике осуществляется переход от идеального источника тока к реальному источнику тока, у которого есть свое сопротивление (см. рис. 1).
Рис. 1. Изображение идеального и реального источников тока
Рассмотрение источника тока с собственным сопротивлением обязывает использовать закон Ома для полной цепи.
Сформулируем закона Ома для полной цепи так (см. рис. 2): сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи, где под полным сопротивлением понимается сумма внешних и внутренних сопротивлений.
Рис. 2. Схема закона Ома для полной цепи.
- R – внешнее сопротивление [Ом];
- r – сопротивление источника ЭДС (внутреннее) [Ом];
- I – сила тока [А];
- ε– ЭДС источника тока [В].
Рассмотрим некоторые задачи на данную тему. Задачи на закон Ома для полной цепи, как правило, дают ученикам 10 класса, чтобы они могли лучше усвоить указанную тему.
I. Определите силу тока в цепи с лампочкой, сопротивлением 2,4 Ом и источником тока, ЭДС которого равно 10 В, а внутреннее сопротивление 0,1 Ом.
По определению закона Ома для полной цепи, сила тока равна:
II. Определить внутреннее сопротивление источника тока с ЭДС 52 В. Если известно, что при подключении этого источника тока к цепи с сопротивлением 10 Ом амперметр показывает значение 5 А.
Запишем закон Ома для полной цепи и выразим из него внутреннее сопротивление:
III. Однажды школьник спросил у учителя по физике: «Почему батарейка садится?» Как грамотно ответить на данный вопрос?
Мы уже знаем, что реальный источник обладает собственным сопротивлением, которое обусловлено либо сопротивлением растворов электролитов для гальванических элементов и аккумуляторов, либо сопротивлением проводников для генераторов. Согласно закону Ома для полной цепи:
следовательно, ток в цепи может уменьшаться либо из-за уменьшения ЭДС, либо из-за повышения внутреннего сопротивления. Значение ЭДС у аккумулятора почти постоянный. Следовательно, ток в цепи понижается за счет повышения внутреннего сопротивления. Итак, «батарейка» садится, так как её внутреннее сопротивление увеличивается.
Закон Ома для участка цепи: сила тока I на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению U на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению R.
Формула
закона:
I
=.
Отсюда запишем формулыU
=
IR
и R
=
.
Рис.1.
Участок
цепи
Рис.2.
Полная
цепь
Закон
Ома для полной цепи: сила
тока
I
полной электрической цепи
равнаЭДС
(электродвижущей силе) источника тока
Е
,
деленной на полное сопротивление цепи
(R
+ r).
Полное
сопротивление цепи равно сумме
сопротивлений внешней цепи R
и внутреннего r
источника тока.Формула
закона I
=
.
На
рис. 1 и 2 приведены схемы электрических
цепей.
3. Последовательное и параллельное соединение проводников
Проводники в электрических цепях могут соединяться последовательно и параллельно . Смешанное соединение сочетает оба эти соединения.
Сопротивление,при включении которого вместо всех других проводников, находящихся между двумя точками цепи, ток и напряжение остаются неизменными, называют эквивалентным сопротивлением этих проводников.
Последовательное соединение
Последовательным называется соединение, при котором каждый проводник соединяется только с одним предыдущим и одним последующим проводниками.
Как следует из первого правила Кирхгофа , при последовательном соединении проводников сила электрического тока, протекающего по всем проводникам, одинакова (на основании закона сохранения заряда).
1. При последовательном соединении проводников (рис. 1) сила тока во всех проводниках одинакова: I 1 = I 2 = I 3 = I
Рис.
1.Последовательное
соединение двух проводников.
2. Согласно закону Ома, напряженияU 1 иU 2 на проводниках равны U 1 = IR 1 , U 2 = IR 2 , U 3 = IR 3 .
Напряжение при последовательном соединении проводников равно сумме напряжений на отдельных участках (проводниках) электрической цепи.
U = U 1 + U 2 + U 3
Позакону Ома, напряжения U 1, U 2 на проводниках равныU 1 = IR 1 , U 2 = IR 2 , В соответствии вторым правилом Кирхгофа напряжение на всем участке:
U = U 1 + U 2 = IR 1 + IR 2 = I(R 1 + R 2 )= I·R. Получаем: R = R 1 + R 2
Общее напряжение U на проводниках равно сумме напряжений U 1 , U 2 , U 3 равно: U = U 1 + U 2 + U 3 = I · (R 1 + R 2 + R 3 ) = IR
где R ЭКВ – эквивалентное сопротивление всей цепи. Отсюда: R ЭКВ = R 1 + R 2 + R 3
При последовательном соединении эквивалентное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных участков цепи: R ЭКВ = R 1 + R 2 + R 3 +…
Этот результат справедлив для любого числа последовательно соединенных проводников.
Из закона Омаследует: при равенстве сил тока при последовательном соединении:
I
=
,
I
=
.
Отсюда
=
или
=
,
т. е. напряжения на отдельных участках
цепи прямо пропорциональны сопротивлениям
участков.
При последовательном соединении n одинаковых проводников общее напряжение равно произведению напряжению одного U 1 на их количество n :
U ПОСЛЕД = n · U 1 . Аналогично для сопротивлений: R ПОСЛЕД = n · R 1
При размыкании цепи одного из последовательно соединенных потребителей ток исчезает во всей цепи, поэтому последовательное соединение на практике не всегда удобно.
Такими как электрический ток, напряжение, сопротивление и мощность. Настал черед основных электрических законов, так сказать, базиса, без знания и понимания которых невозможно изучение и понимание электронных схем и устройств.
Закон Ома
Электрический ток, напряжение, сопротивление и мощность, безусловно, между собой связаны. А взаимосвязь между ними описывается, без сомнения, самым главным электрическим законом – законом Ома . В упрощенном виде этот закон называется: закон Ома для участка цепи. И звучит этот закон следующем образом:
«Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи».
Для практического применения формулу закона Ома можно представить в виде вот такого треугольника, который помимо основного представления формулы, поможет определить и остальные величины.
Работает треугольник следующим образом. Чтобы вычислить одну из величин, достаточно закрыть ее пальцем. Например:
В предыдущей статье мы проводили аналогию между электричеством и водой , и выявили взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением. Также хорошей интерпретацией закона Ома может послужить следующий рисунок, наглядно отображающий сущность закона:
На нем мы видим, что человечек «Вольт» (напряжение) проталкивает человечка «Ампера» (ток) через проводник, который стягивает человечек «Ом» (сопротивление). Вот и получается, что чем сильнее сопротивление сжимает проводник, тем тяжелее току через него проходить («сила тока обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи» – или чем больше сопротивление, тем хуже приходится току и тем он меньше). Но напряжение не спит и толкает ток изо всех сил (чем выше напряжение, тем больше ток или – «сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению»).
Когда фонарик начинает слабо светить, мы говорим – «разрядилась батарейка». Что с ней произошло, что значит разрядилась? А значит это, что напряжение батарейки снизилось и оно больше не в состоянии «помогать» току преодолевать сопротивление цепей фонарика и лампочки. Вот и получается, что чем больше напряжение – тем больше ток.
Последовательное подключение – последовательная цепь
При последовательном подключении потребителей, например обычных лампочек, сила тока в каждом потребителе одинаковая, а вот напряжение будет отличаться. На каждом из потребителей напряжение будет падать (снижаться).
А закон Ома в последовательной цепи будет иметь вид:
При последовательном соединении сопротивления потребителей складываются. Формула для расчета общего сопротивления:
Параллельное подключение – параллельная цепь
При параллельном подключении, к каждому потребителю прикладывается одинаковое напряжение, а вот ток через каждый из потребителей, в случае, если их сопротивление отличается – будет отличаться.
Закон Ома для параллельной цепи, состоящей из трех потребителей, будет иметь вид:
При параллельном соединении общее сопротивление цепи всегда будет меньше значения самого маленького отдельного сопротивления. Или еще говорят, что «сопротивление будет меньше наименьшего».
Общее сопротивление цепи, состоящей из двух потребителей, при параллельном соединении:
Общее сопротивление цепи, состоящей из трех потребителей, при параллельном соединении:
Для большего числа потребителей расчет производится исходя из того, что при параллельном соединении проводимость (величина обратная сопротивлению) рассчитывается как сумма проводимостей каждого потребителя.
Электрическая мощность
Мощность – это физическая величина, характеризующая скорость передачи или преобразования электрической энергии. Рассчитывается мощность по следующей формуле:
Таким образом зная, напряжение источника и измерив потребляемый ток, мы можем определить мощность потребляемую электроприбором. И наоборот, зная мощность электроприбора и напряжение сети, можем определить величину потребляемого тока. Такие вычисления порой необходимы. Например, для защиты электроприборов используются предохранители или автоматические выключатели. Чтобы правильно подобрать средство защиты нужно знать потребляемый ток. Предохранители, применяемые в бытовой технике, как правило подлежат ремонту и для их восстановления достаточно