Закон Ома связывает сопротивление цепи с напряжением и током. Применение правил цепи этого закона дает возможность определить показатели для проектирования электроцепей. Электричество течет через материал, переносимый электронами, крошечными заряженными частицами внутри атомов.
В металлах атомы заключены в твердую кристаллическую структуру. Хотя большинство электронов внутри этих атомов зафиксированы, некоторые могут проникать сквозь нее. Металлы оказывающие относительно небольшое сопротивление походящим через него электронам являются хорошими проводниками.
Формулировка закона
- Закон относится к базовому положению в электротехнике.
- Формула Ома для участка цепи:
- V = IR, где:
- V — напряжение между 2-мя точками, В;
- R — сопротивление, свойство материала, используемого для описания противодействия потоку тока, Ом;
- I — сила тока на участке цепи — поток электронов или электронно-дефицитных атомов, определяемая в А.
Закон Ома
Преобразование пропорциональности в уравнение, приводит к постоянной «R» — сопротивлению.
Зависимость тока и сопротивления
В 1-м случае, закон Ома для участка цепи выражается формулой: I = V/R, понятно, что электроток рассчитывают делением V на R. 2-й вариант утверждает, что V рассчитывают, если известны I и R в цепи. Из уравнения очевидно, что если растут I или R, в то время как другой не изменяется, напряжение также должно возрасти.
Зависимость тока и напряжения
Третий вариант подтверждает, что можно рассчитать R в цепи, перед тем, как найти сопротивление участка цепи по формуле нужно знать два других показателя. Если ток поддерживается постоянным, то рост напряжения приведет к увеличению сопротивления.
Замкнутая сеть
Для замкнутой цепи
Замкнутая цепь означает закрытое электросоединение, по которому циркулирует ток. Когда существует ряд проводов, соединяющих друг с другом и замыкающих цепь так, что I проходит от одного конца круга к другому, это будет замкнутая цепь.
Неоднородная цепь
Для неоднородного участка цепи
Возможно применение омовских расчетов для неоднородных цепей:
I = (V+E)/R=VAB/R
Если Еcт и Екул совпадут по направлению — ЭДС и напряжение будут иметь одинаковый знак.
Фактически в замкнутом участке сети V=0, поскольку кулоновское поле неактивно.
В связи с чем: I = E /(R+r), где: r — показатель относится источнику тока.
В дифференциальной форме
Формулу очень часто представляют в дифференциальном виде, поскольку проводник обычно неоднородный и потребуется разбить его на минимально возможные участки. Ток, проходящий через него, связан с величиной и направлением, поэтому считается скалярной величиной.
Всякий раз, когда нужно найти результирующий ток через провод, берут алгебраическую сумму всех отдельных токов. Поскольку это правило действует только для скалярных величин, ток принимают также в качестве скалярной величины. Известно, через сечение проходит ток dI = jdS.
Напряженье, на нем равняется Еdl, тогда для провода с постоянным сечением и равной протяженности будет верно соотношение:
Дифференциальная форма
Поэтому, выражение тока в векторном виде будет: j = E.
Важно! В случае металлических проводников с ростом температуры проводимость падает, а для полупроводников — растет. Омовский закон не демонстрирует строгую пропорциональность. Сопротивление большой группы металлов и сплавов исчезает при температуре, близкой к абсолютному нулю, а процесс называется сверхпроводимостью.
Для переменного тока
Нужно понимать, что закон не применим напрямую к переменным цепям, например, с катушками индуктивности, конденсаторами или линиям передач. Закон может использоваться только для чисто резистивных цепей переменного тока без каких-либо изменений. В цепи RLC противодействие току является импедансом Z, который образует комбинацию двух ортогональных частей сопротивления.
Переменный ток
Im=Vm/Z
В этом случае Vm связано с Im с помощью константы пропорциональности Z (импеданса) и константы пропорциональности R. Для чисто резистивных линий, где (Z = R).
- Vm = ImZ и Vm = ImR
- Z — это общее сопротивление участка к переменному току, состоящее из реальной части — сопротивления и мнимой — реактивности.
- Формула ее определяется теоремой Пифагора, поскольку угол Ф зависит от реактивной составляющей.
Интегральная форма
В интегральной форме
Данную форму можно получить из дифференциального выражения с использованием
теоремы Гаусса (дивергенции) к закону сохранения заряда. Для того чтобы вывести интегральный закон Ома для конкретной неоднородного проводника, показывают направление вектора плотности I, сам I и потенциалы на входе/ выходе.
Участок с положительной ЭДС (Е) источник, а с отрицательной — потребитель. Поэтому в записи закона Ома, его нужно писать в арифметическом выражении:
I = Е/(r + R).
Единицы измерения
При выполнении расчетов по закону Ома используют совместимые единицы в СИ. Если отличны от «Ом»- для сопротивления, «Ампер» — для тока и «Вольт» — для напряжения, то перед выполнением расчетов выполняют преобразование единиц измерения. Например, килоомы должны быть переведены в омы, а микроамперы — в амперы.
Сопротивление — это свойство любого объекта или материала сопротивляться, или противостоять потоку электротока. Единицей его принят «Ом». Аббревиатура для электросопротивления — R, а символ — греческая буква омега. Для некоторых электрорасчетов используется его обратная величина проводимость — 1/R, символ, которой имеет обратное значение омеги.
Вольт — это энергия в 1 Дж, потребляемая, когда в цепи протекает электрозаряд в 1 кулон: 1 В = 1 Дж / 1С.
Ампер измеряет количество электрического заряда, который течет в электроцепи за 1 секунду: 1А = 1С / 1сек.
Треугольник Ома
Взаимосвязь между величинами легко получить по треугольнику Ома. Это простой способ запомнить отношения напряжения, тока и сопротивления. Он служит уловкой, чтобы найти любую из трех величин, учитывая, что две другие известны.
При этом величины U, I и R расположены в виде треугольника, как показано на рисунке выше. Напряжение (U) находится наверху, а две другие величины, то есть ток (I) и сопротивление ®, расположены ниже рядом друг с другом горизонтально. Разделение между верхней и нижней частями указывает на деление, а линия, разделяющая левую и правую части на умножение.
I — сила тока
Единица тока — количества заряда ©, которое перемещается за единицу времени. Ампер (A) является общей единицей тока, равной 1 С/сек, а символом его — «I». Ток — внутреннее свойство, поскольку зависит от других аспектов, таких как размер системы. Чтобы точно сравнить величину тока для разных систем, ток нормализуется по площади или массе системы. Это описано следующими выражениями:
J = I / S;
J = I / m
Где:
- J — плотность тока в мм2 или гр;
- I — сила тока (A);
- S — площадь сечения провода мм2;
- m — масса (гр).
Обратите внимание! Часто «J» используется как ток вместо «I». Для того чтобы предотвратить путаницу с мнимыми числами, нужно уточнять символы, так как они могут варьироваться в зависимости от конкретного случая.
U — напряжение
Напряжение является еще одной важной единицей закона Ома, которая устанавливает объем работы, необходимой для перемещения заряда.
Напряжение «V» измеряет электрический потенциал «Вольт», которым объект обладает по отношению к заряду. Подавая напряжение, выполняется работа, которая обеспечивает движение заряда.
Количество заряда, известный как точечный заряд, его определение может быть выполнено следующим образом:
V = kq / (r • r), где:
- V — электрический потенциал (V);
- k — кулоновская постоянная = 8,99 × 10 9Н • м 2 • С −2;
- q — заряд точки©;
- r — расстояние от точечного заряда (м).
R — электрическое сопротивление
Сопротивление — величина обратная напряжению, ее можно сравнить с эффектом перемещения тела против движения в проточной воде. Единицей R принят «Ом», который обозначается заглавной греческой буквой «Омега».
Обратная величина сопротивления (1 /R) известна как проводимость, которая измеряет способность объекта проводить заряд, выраженную в единицах Siemens.
Используемая геометрически независимая величина называется удельным сопротивлением и обычно обозначается греческим символом r.
Дополнительная информация. Закон Ома помогает установить три важные показателя работы электросети, что упрощает расчет мощности.
Он не применим к односторонним сетям имеющих такие элементы, как диод, транзистор и аналогичные им.
И также он не применим к нелинейным элементам, примерами которых являются тиристоры, поскольку значение сопротивления этих элементов изменяется при разных данных напряжения и тока.
На более высоких частотах распределенное поведение становится доминирующим. То же самое происходит с очень длинными линиями электропередач. Даже на такой низкой частоте, как 60 Гц, очень длинная линия электропередачи, например, 30 км имеет распределенную природу.
Основная причина заключается в том, что действующие электрические сигналы, распространяющиеся в цепях, представляют собой электромагнитные волны, а не вольт и ампер, которые инфицируются электромагнитной волной. Проводники просто действуют как направляющие для волн.
Так, например, коаксиальный кабель будет показывать Z = 75 Ом, даже если его сопротивление постоянному току незначительно.
Закон Ома — это фундаментальный закон электротехники. Он имеет большое количество практических применений во всех электроцепях и электронных компонентах.
Наиболее распространённые примеры применения закона Ома:
В свое время выводы Ома стали катализатором новых исследований в области электричества и сегодня они не утратили свою значимость, поскольку на них базируется современная электротехника. В 1841 году Ом был удостоен высшей награды Королевского общества, медали Копли, а термин «Ом» был признан единицей сопротивления еще в 1872 году.
Закон Ома для «чайников»: понятие, формула, объяснение
Говорят: «не знаешь закон Ома – сиди дома». Так давайте же узнаем (вспомним), что это за закон, и смело пойдем гулять.
Основные понятия закона Ома
Как понять закон Ома? Нужно просто разобраться в том, что есть что в его определении. И начать следует с определения силы тока, напряжения и сопротивления.
Сила тока I
Пусть в каком-то проводнике течет ток. То есть, происходит направленное движение заряженных частиц – допустим, это электроны. Каждый электрон обладает элементарным электрическим зарядом (e= -1,60217662 × 10-19 Кулона). В таком случае через некоторую поверхность за определенный промежуток времени пройдет конкретный электрический заряд, равный сумме всех зарядов протекших электронов.
Отношение заряда к времени и называется силой тока. Чем больший заряд проходит через проводник за определенное время, тем больше сила тока. Сила тока измеряется в Амперах.
Напряжение U, или разность потенциалов
Это как раз та штука, которая заставляет электроны двигаться. Электрический потенциал характеризует способность поля совершать работу по переносу заряда из одной точки в другую. Так, между двумя точками проводника существует разность потенциалов, и электрическое поле совершает работу по переносу заряда.
Читайте также: Системы автономного электроснабжения для частного дома
Физическая величина, равная работе эффективного электрического поля при переносе электрического заряда, и называется напряжением. Измеряется в Вольтах. Один Вольт – это напряжение, которое при перемещении заряда в 1 Кл совершает работу, равную 1 Джоуль.
Сопротивление R
Ток, как известно, течет в проводнике. Пусть это будет какой-нибудь провод.
Двигаясь по проводу под действием поля, электроны сталкиваются с атомами провода, проводник греется, атомы в кристаллической решетке начинают колебаться, создавая электронам еще больше проблем для передвижения.
Именно это явление и называется сопротивлением. Оно зависит от температуры, материала, сечения проводника и измеряется в Омах.
Памятник Георгу Симону Ому
Формулировка и объяснение закона Ома
Закон немецкого учителя Георга Ома очень прост. Он гласит:
Сила тока на участке цепи прямо пропорционально напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.
Георг Ом вывел этот закон экспериментально (эмпирически) в 1826 году. Естественно, чем больше сопротивление участка цепи, тем меньше будет сила тока. Соответственно, чем больше напряжение, тем и ток будет больше.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Данная формулировка закона Ома – самая простая и подходит для участка цепи. Говоря «участок цепи» мы подразумеваем, что это однородный участок, на котором нет источников тока с ЭДС. Говоря проще, этот участок содержит какое-то сопротивление, но на нем нет батарейки, обеспечивающей сам ток.
Если рассматривать закон Ома для полной цепи, формулировка его будет немного иной.
Пусть у нас есть цепь, в ней есть источник тока, создающий напряжение, и какое-то сопротивление.
Закон запишется в следующем виде:
Объяснение закона Ома для полой цепи принципиально не отличается от объяснения для участка цепи. Как видим, сопротивление складывается из собственно сопротивления и внутреннего сопротивления источника тока, а вместо напряжения в формуле фигурирует электродвижущая сила источника.
Кстати, о том, что такое что такое ЭДС, читайте в нашей отдельной статье.
Как понять закон Ома?
Чтобы интуитивно понять закон Ома, обратимся к аналогии представления тока в виде жидкости. Именно так думал Георг Ом, когда проводил опыты, благодаря которым был открыт закон, названный его именем.
Представим, что ток – это не движение частиц-носителей заряда в проводнике, а движение потока воды в трубе. Сначала воду насосом поднимают на водокачку, а оттуда, под действием потенциальной энергии, она стремиться вниз и течет по трубе. Причем, чем выше насос закачает воду, тем быстрее она потечет в трубе.
Отсюда следует вывод, что скорость потока воды (сила тока в проводе) будет тем больше, чем больше потенциальная энергия воды (разность потенциалов)
Сила тока прямо пропорциональна напряжению.
Теперь обратимся к сопротивлению. Гидравлическое сопротивление – это сопротивление трубы, обусловленное ее диаметром и шероховатостью стенок. Логично предположить, что чем больше диаметр, тем меньше сопротивление трубы, и тем большее количество воды (больший ток) протечет через ее сечение.
Сила тока обратно пропорциональна сопротивлению.
Такую аналогию можно проводить лишь для принципиального понимания закона Ома, так как его первозданный вид – на самом деле довольно грубое приближение, которое, тем не менее, находит отличное применение на практике.
В действительности, сопротивление вещества обусловлено колебанием атомов кристаллической решетки, а ток – движением свободных носителей заряда. В металлах свободными носителями являются электроны, сорвавшиеся с атомных орбит.
Ток в проводнике
В данной статье мы постарались дать простое объяснение закона Ома. Знание этих на первый взгляд простых вещей может сослужить Вам неплохую службу на экзамене. Конечно, мы привели его простейшую формулировку закона Ома и не будем сейчас лезть в дебри высшей физики, разбираясь с активным и реактивным сопротивлениями и прочими тонкостями.
Если у Вас возникнет такая необходимость, Вам с удовольствием помогут сотрудники нашего студенческого сервиса. А напоследок предлагаем Вам посмотреть интересное видео про закон Ома. Это действительно познавательно!
Закон Ома для участка цепи и полной цепи формулы и определения
В данной статье расскажем про закон Ома, формулы для полной цепи (замкнутой), участка цепи, неоднородного участка цепи, в дифференциальной и интегральной форме, переменного тока, а также для магнитной цепи.
Вы узнаете какие материалы соответствуют и не соответствуют закону Ома, а также где он встречается.
Закон Ома: постоянный ток , протекающий через проводник, прямо пропорционален напряжению , приложенному к его концам и обратно пропорционален сопротивлению .
Закон Ома был сформулирован немецким физиком и математиком Георгом Омом в 1825-26 годах на основе опыта. Это экспериментальный закон, а не универсальный — он применим к некоторым материалам и условиям.
Закон Ома является частным случаем более позднего и более общего — второго закона Кирхгофа
- Ниже будет представлено видео, в котором объясняется закон Ома на пальцах.
Формула закона Ома для участка цепи
Закон Ома для замкнутой (полной) цепи
Закон Ома для полной цепи — это значение силы (интенсивности) тока в настоящей цепи, который зависит от сопротивления нагрузки и от источника тока (E), также его называют вторым законом Ома.
Электрическая лампочка является потребителем источника тока, подключив их вместе, они создают полную электро-цепь. На картинке выше, вы можете увидеть полную электрическую цепь, состоящую из аккумулятора и лампы накаливания.
Электричество, проходит через лампу накаливания и через сам аккумулятор. Следовательно, ток проходя через лампу, в дальнейшем пройдет и через аккумулятор, то есть сопротивление лампочки складывается со сопротивлением аккумулятора.
Сопротивление нагрузки (лампочка), называют внешним сопротивлением, а сопротивление источника тока (аккумулятора) — внутренним сопротивление. Сопротивление аккумулятора обозначается латинской буквой r.
Когда электричество течет вокруг цепи, внутреннее сопротивление самой ячейки сопротивляется потоку тока, и поэтому тепловая энергия теряется в самой ячейке.
- E = электродвижущая сила в вольтах, V
- I = ток в амперах, A
- R = сопротивление нагрузки в цепи в Омах, Ω
- r = внутреннее сопротивление ячейки в Омах, Ω
- Мы можем изменить это уравнение;
- и затем
В этом уравнении появляется ( V ), что является конечной разностью потенциалов, измеренной в вольтах (V). Это разность потенциалов на клеммах ячейки при протекании тока в цепи, она всегда меньше э.д.с. ячейки.
Закон Ома для неоднородного участка цепи
Если на участке цепи действуют только потенциальные силы (Рисунок 1а), то закон Ома записывается в известном виде . Если же в кругу проявляется еще и действие сторонних сил (Рисунок 2б), то закон Ома примет вид , откуда . Это и есть закон Ома для любого участка цепи.
Закон Ома можно распространить и на весь круг. Соединив точки 2 и 1 (Рисунок 3в), преобразуем разность потенциалов в ноль, и учитывая сопротивление источника тока, закон Ома примет вид . Это и есть выражение закона Ома для полной цепи.
Последнее выражение можно представить в различных формах. Как известно, напряжение на внешнем участке зависит от нагрузки, то есть или , или .
В этих выражениях Ir — это падение напряжения внутри источника тока, а также видно, что напряжение U меньше ε на величину Ir . Причем, чем больше внешнее сопротивление по сравнению с внутренним, тем больше U приближается к ε.
Рассмотрим два особых случая, в отношении внешнего сопротивления цепи.
1) R = 0 — такое явление называют коротким замыканием. Тогда, из закона Ома имеем — , то есть ток в цепи возрастает до максимума, а внешний спад напряжения U → 0. При этом в источнике выделяется большая мощность, что может привести к его неисправности.
2) R = ∞ , то есть электрическая цепь разорвана, тогда , а . Итак, в этом случае, ЭДС численно равна напряжению на клеммах разомкнутого источника тока.
Закон Ома в дифференциальной форме
Закон Ома можно представить в таком виде, чтобы он не был связан с размерами проводника. Выделим участок проводника Δ l , на концах которой приложено потенциалы φ 1 и φ 2. Когда средняя площадь сечения проводника Δ S , а плотность тока j , то сила тока
Если Δ l → 0, то взяв предел отношения, . Итак, окончательно получим , или в векторной форме — это выражение закона Ома в дифференциальной форме. Этот закон выражает силу тока в произвольной точке проводника в зависимости от его свойств и электрического состояния.
Закон ома для переменного тока
Это уравнение представляет собой запись закона Ома для цепей переменного тока относительно их амплитудных значений. Понятно, что оно будет справедливым и для эффективных значений силы и тока: .
Для цепей переменного тока возможен случай, когда , а это значит, что U L = U C . Поскольку эти напряжения находятся в противофазе, то они компенсируют друг друга. Такие условия называют резонансом напряжений. Резонанс можно достичь или при ω = const , изменяя С и L , или же при постоянных С и L подбирают ω, которая называется резонансным. Как видно — .
Особенности резонанса напряжений следующие:
- полное сопротивление цепи минимальное, Z = R ;
- амплитуда тока — максимальная ;
- амплитуда значений приложенного напряжения равна амплитуде на активном сопротивлении;
- напряжение и ток находятся в одинаковых фазах (φ = 0);
- мощность источника передается только активному сопротивлению, следовательно полезная мощность — максимальная.
Резонанс токов получают при параллельном соединении индуктивности и емкости на рисунке слева. По первому закону Кирхгофа результирующий ток в какой-то момент времени I = IL+IC.
Читайте также: Трубы для дымохода: какую лучше выбрать для устройства дымоотвода
Несмотря на то, что суммы ІL и IC могут быть достаточно большими, ток в главном круге станет равным нулю, а значит сопротивление цепи станет максимальным.
Зависимость силы тока от частоты при различных активных сопротивлениях показана на рисунке справа.
Закон Ома в интегральной форме
Проинтегрируем (1) по участку круга L с точки 1 до точки 2
(4)
Интерпретация закона Ома
Интенсивность тока, являющаяся действием приложенного напряжения, ведет себя пропорционально его напряжению. Например: если приложенное напряжение увеличивается в два раза, оно также удваивает силу тока (интенсивность тока).
Помните, что закон Ома удовлетворяется только частью материалов — в основном металлами и керамическими материалами.
Когда закон Ома встречается и какие материалы соответствуют и не соответствуют закону Ома
Закон Ома является экспериментальным законом, выполненным для некоторых материалов (например, металлов) для фиксированных условий тока, в частности температуры проводника.
Материалы, относящиеся к закону Ома, называются омическими направляющими или линейными проводниками. Примерами проводников, которые соответствуют закону Ома, являются металлы (например, медь, золото, железо), некоторые керамические изделия и электролиты.
Материалы, не относящиеся к закону Ома, в которых сопротивление является функцией интенсивности протекающего через них тока, называются нелинейными проводниками. Примерами руководств, не относящихся к закону Ома, являются полупроводники и газы.
Закон Ома не выполняется, когда изменяются параметры проводника, особенно температура.
Закон Ома для полной цепи
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.
Формула 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 и полной цепи: формулы и объяснение || Правило знаков для эдс
Где I – это ток, измеряется в Амперах, U – напряжение в вольтах, R – сопротивление в Омах.
Такая формула нам говорит, что ток прямопропорционален напряжению и обратнопропорционален сопротивлению – это точная формулировка Закона Ома. Физический смысл этой формулы – это описать зависимость тока через участок цепи при известном его сопротивлении и напряжении.
Внимание! Эта формула справедлива для постоянного тока, для переменного тока она имеет небольшие отличия, к этому вернемся позже.
f(x) = ky или f(u) = IR или f(u)=(1/R)*I
I=12 В/6 Ом=2 А
Идеальный проводник не имеет сопротивления, однако из-за структуры молекул вещества, из которого он состоит, любое проводящее тело обладает сопротивлением.
Например, это стало причиной перехода с алюминиевых проводов на медные в домашних электросетях. Удельное сопротивление меди (Ом на 1 метр длины) меньше чем алюминия.
Соответственно медные провода меньше греются, выдерживают большие токи, значит можно использовать провод меньшего сечения.
Еще один пример — спирали нагревательных приборов и резисторов обладают большим удельным сопротивлением, т.к. изготавливаются из разных высокоомных металлов, типа нихрома, кантала и пр.
Когда носители заряда движутся через проводник, они сталкиваются с частицами в кристаллической решетке, вследствие этого выделяется энергия в виде тепла и проводник нагревается.
Чем больше ток – тем больше столкновений – тем больше нагрев.
Rпровод=ρ(L/S)
- Где ρ – удельное сопротивление в Ом*мм2/м, L – длина в м, S – площадь поперечного сечения.
- I=I1=I2
- U=U1 U2
- R=R1 R2
Uэл=I*Rэлемента
I=I1 I2
U=U1=U2
1/R=1/R1 1/R2
Для смешанного соединения нужно приводить цепь к эквивалентному виду. Например, если один резистор соединен с двумя параллельно соединенными резисторами – то сперва посчитайте сопротивление параллельно соединенных. Вы получите общее сопротивление двух резисторов и вам остаётся сложить его с третьим, который с ними соединен последовательно.
Полная цепь предполагает наличие источника питания. Идеальный источник питания – это прибор, который имеет единственную характеристику:
- напряжение, если это источник ЭДС;
- силу тока, если это источник тока;
Такой источник питания способен выдать любую мощность при неизменных выходных параметрах. В реальном же источнике питания есть еще и такие параметры как мощность и внутреннее сопротивление. По сути, внутреннее сопротивление – это мнимый резистор, установленный последовательно с источником ЭДС.
I=ε/(R r)
Где ε – ЭДС в Вольтах, R – сопротивление нагрузки, r – внутреннее сопротивление источника питания.
На практике внутреннее сопротивление является долями Ома, а для гальванических источников оно существенно возрастает. Вы это наблюдали, когда на двух батарейках (новой и севшей) одинаковое напряжение, но одна выдает нужный ток и работает исправно, а вторая не работает, т.к. проседает при малейшей нагрузке.
где
U — напряжение на концах участка цепи, R
— сопротивление участка цепи. (сам
проводник тоже можно считать участком
цепи).
существует своя определенная вольт-амперная
пассивный элемент электрической цепи,
в идеале характеризуемый только
сопротивлением электрическому току,
то есть для идеального резистора в любой
момент времени должен выполняться закон
Ома для участка цепи:
мгновенное значение напряжения на
резисторе пропорционально току проходящему
соединение резисторов
последовательном соединении резисторов
Для каждой сложной цепи, пользуясь
законами Кирхгофа, можно составить
строго определенное число независимых
друг от друга уравнений. Как будет
показано ниже, это число всегда равно
числу неизвестных токов в цепи.
Число уравнений находится в зависимости
от числа ветвей (n)
и числа узлов (k).
Любая ветвь цепи характеризуется
величиной э. д. с. (Е)
действующей в ней, сопротивлением
(R)
и величиной тока (I).
Если в данной ветви действуют несколько
э. д. с. и имеется несколько сопротивлений,
то она характеризуется алгебраической
суммой всех э. д. с. и суммой всех
сопротивлений, т.е.
Используя
первый закон Кирхгофа, можно составить
(k-1)
уравнений, связывающих между собой
величины токов в ветвях. Таким
образом, число уравнений на одно
меньше, чем число всех узлов цепи.
Это объясняется тем, что все токи,
входящие в уравнение для узла k,
уже вошли в предыдущие уравнения.
На схеме в узле А сходятся токи I1,
I2,
I3; в
узле В —I2,
I3,
I4,
I5;
в узле С — I4,
I5,
I1.
Историческая справка
Год открытия Закон Ома — 1826 немецким ученым Георгом Омом. Он эмпирически определил и описал закон о соотношении силы тока, напряжения и типа проводника.
Позже выяснилось, что третья составляющая – это не что иное, как сопротивление.
Впоследствии этот закон назвали в честь открывателя, но законом дело не ограничилось, его фамилией и назвали физическую величину, как дань уважения его работам.
Величина, в которой измеряют сопротивление, названа в честь Георга Ома. Например, резисторы имеют две основные характеристики: мощность в ваттах и сопротивление – единица измерения в Омах, килоомах, мегаомах и т.д.
Применение законов Кирхгофа для расчета сложных цепей
- Для полного
- При
параллельном соединении резисторов
складываются величины, обратно
пропорциональные сопротивлению (то
есть общая проводимость складывается - из проводимостей каждого резистора )
- Схема
состоит из двух параллельно включённых
блоков, один из них состоит из
последовательно включённых резисторов и ,
общим сопротивлением ,
другой из резистора ,
общая проводимость будет равна , - то есть общее сопротивление .
- Для
расчёта таких цепей из резисторов,
которые нельзя разбить на блоки
последовательно или параллельно
соединённые между собой, применяют правила
Кирхгофа.
Иногда для упрощения расчётов бывает
полезно использовать преобразование
треугольник-звезда и - применять принципы симметрии.
I=12 В/6 Ом=2 А
Uэл=I*Rэлемента
- I=I1 I2
- U=U1=U2
- 1/R=1/R1 1/R2
- I=ε/(R r)
Закон Ома в дифференциальной и интегральной форме
Для однородного участка цепи приведенные выше формулы справедливы, для неоднородного проводника необходимо его разбить на максимально короткие отрезки, чтобы изменения его размеров были минимизированы в пределах этого отрезка. Это называется Закон Ома в дифференциальной форме.
Иначе говоря: плотность тока прямо пропорциональной напряжённости и удельной проводимости для бесконечно малого участка проводника.
Закон Ома для переменного тока
При расчете цепей переменного тока вместо понятия сопротивления вводят понятие «импеданс». Импеданс обозначают буквой Z, в него входит активное сопротивление нагрузки Ra и реактивное сопротивление X (или Rr). Это связано с формой синусоидального тока (и токов любых других форм) и параметрами индуктивных элементов, а также законов коммутации:
Таким образом, ток начинает отставать или опережать напряжение, и полная мощность разделяется на активную и реактивную.
XL и XC – это реактивные составляющие нагрузки.
Здесь – Q – реактивная мощность, обусловленная переменным током и индуктивно-емкостными составляющими, P – активная мощность (выделяется на активных составляющих), S – полная мощность, cosФ – коэффициент мощности.
Возможно, вы заметили, что формула и её представление пересекается с теоремой Пифагора.
Это действительно так и угол Ф зависит от того, насколько велика реактивная составляющая нагрузки – чем её больше, тем он больше.
На практике это приводит к тому, что реально протекающий в сети ток больше чем тот, что учитывается бытовым счетчиком, предприятия же платят за полную мощность.
Здесь j – это мнимая единица, что характерно для комплексного вида уравнений. Реже обозначается как i, но в электротехнике также обозначается и действующее значение переменного тока, поэтому, чтобы не путаться, лучше использовать j.
Мнимая единица равняется √-1. Логично, что нет такого числа при возведении в квадрат, которого может получиться отрицательный результат «-1».
Как запомнить закон Ома
Чем больше напряжение – тем больше ток, чем больше сопротивление – тем меньше ток.
Или воспользоваться мнемоническими картинками и правилами. Первая это представление закона Ома в виде пирамиды – кратко и понятно.
Вторая – это карикатурное представление. Здесь показано: чем больше старается Ом, тем труднее проходит Ампер, а чем больше Вольт – тем легче проходит Ампер.
Закон Ома для полной цепи и для участка цепи
Этот простой вариант трактовки, известный нам со школы.
Однородный открытый участок электроцепи
То есть, поднимая напряжение, мы тем самым увеличиваем ток. В то время, как увеличение такого параметра, как «R», ведет к снижению «I». Естественно, что на рисунке сопротивление цепи показано одним элементом, хотя это может быть последовательное, параллельное (вплоть до произвольного)соединение нескольких проводников.
В дифференциальной форме закон мы приводить не будем, поскольку в таком виде он применяется, как правило, только в физике.
Трактовка для полной цепи будет несколько иной, чем для участка, поскольку в законе, составленном Омом, еще учитывает параметр «r», это сопротивление источника ЭДС. На рисунке ниже проиллюстрирована подобная схема.
Схема с подключенным с источником
Заметим, если «R» сделать равным 0, то появляется возможность рассчитать «I», возникающий во время короткого замыкания.
Собственно, падение напряжения характеризуется параметром «I*r». Это свойство характерно многим гальваническим источникам питания.
Под таким типом подразумевается участок, где помимо электрического заряда производится воздействие других сил. Изображение такого участка показано на рисунке ниже.
Схема неоднородного участка
Закон Ома и резистор
Резисторы являются пассивными элементами, которые оказывают сопротивление потоку электрического тока в цепи. Резистор, который функционирует в соответствии с законом Ома, называется омическим сопротивлением. Когда ток проходит через такой резистор, то падение напряжения на его выводах пропорционально величине сопротивления.
Формула Ома остается справедливой и для цепей с переменным напряжением и током. Для конденсаторов и катушек индуктивности закон Ома не подходит, так как их ВАХ (вольт-амперная характеристика) по сути, не является линейной.
Формула Ома действует так же для схем с несколькими резисторами, которые могут быть соединены последовательно, параллельно или иметь смешанное соединение. Группы резисторов, соединенные последовательно или параллельно могут быть упрощены в виде эквивалентного сопротивления.
В статьях о параллельном и последовательно соединении более подробно описано как это сделать.
Закон Ома — формула
Формула закона Ома может быть использована, когда известно две из трех переменных. Соотношение между сопротивлением, током и напряжением может быть записано по-разному. Для усвоения и запоминания может быть полезен «треугольник Ома».
Ниже приведены два примера использования такого треугольного калькулятора.
| Имеем резистор сопротивлением в 1 Ом в цепи с падением напряжения от 100В до 10В на своих выводах. Какой ток протекает через этот резистор? Треугольник напоминает нам, что: |
| Имеем резистор сопротивлением в 10 Ом через который протекает ток в 2 Ампера при напряжении 120В. Какое будет падение напряжения на этом резисторе? Использование треугольника показывает нам, что:Таким образом, напряжение на выводе будет 120-20 = 100 В. |
Закон Ома — мощность
Когда через резистор протекает электрический ток, он рассеивает определенную часть мощности в виде тепла.
Мощность является функцией протекающего тока I (А) и приложенного напряжения V (В):
- Р — мощность в ваттах (В)
Идеальный резистор рассеивает всю энергию и не сохраняет электрическую или магнитную энергию. Каждый резистор имеет предел мощности, которая может быть рассеяна, не оказывая повреждение резистору. Это мощность называется номинальной.
Окружающие условия могут снизить или повысить это значение. Например, если окружающий воздух горячий, то способность рассеять излишнее тепло у резистора снижается, и на оборот, при низкой температуре окружающего воздух рассеиваемая способность резистора возрастает.
На практике, резисторы редко имеют обозначение номинальной мощности. Тем не менее, большинство из резисторов рассчитаны на 1/4 или 1/8 Вт.
Ниже приведена круговая диаграмма, которая поможет вам быстро определить связь между мощностью, силой тока, напряжением и сопротивлением. Для каждого из четырех параметров показано, как вычислить свое значение.
Закон Ома — калькулятор
Для закрепления понимания работы закона Ома, приведем несколько задач для самостоятельного решения.
| Какая должна быть минимальным мощность этого резистора? Ответ:В соответствии с круговой диаграммой Р = I2*R = 0,12*50 = 0,5 Вт. Таким образом, минимальная мощность должна быть не менее 0,5 Вт, но рекомендуется взять более мощный для дополнительной надежности и долговечности. |
| Какой будет ток в цепи? Ответ:Это простой пример закона Ома. Напряжение и сопротивление известны, так что мы можем вычислить ток по формуле:I = V / R = 6 / 1,2 = 5 А. |
| Электронагреватель (резистор) мощностью 1 кВт подключен в цепь с током 10A. Какое будет падение напряжения на нагревателе? Ответ:Напряжение может быть выражено через ток и мощность по формуле:V = P / I = 1000/10 = 100 В |
Вывод
Как уже упоминалось в начале статьи, вся прикладная электротехника базируется на законе, составленном Омом. Незнание этого базового догмата может привести к неправильному расчету, который, в свою очередь, станет причиной аварии.
Подготовка электриков как специалистов начинается с изучения теоретических основ электротехники. И первое, что они должны запомнить – это закон составленный Омом, поскольку на его основе производятся практически все расчеты параметров электрических цепей различного назначения.
Понимание основного закона электротехники поможет лучше разбираться в работе электрооборудования и его основных компонентов. Это положительно отразится на техническом обслуживании в процессе эксплуатации.
Самостоятельная проверка, разработка, а также опытное изучение узлов оборудования – все это существенно упрощается, если использовать закон Ома для участка цепи. При этом не требуется проводить всех измерений, достаточно снять некоторые параметры и, проведя несложные расчеты, получить необходимые значения.
Закон Ома для участка цепи и полной цепи: формулы и определения
Немецкий физик Георг Симон Ом (1787—1854) открыл основной закон электрической цепи.
Закон Ома для участка цепи:
Определение:Cила тока I на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению U на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению R.
- Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.
- Формула:I=frac{U}{R}
- Падение напряжения на участке проводника равно произведению силы тока в проводнике на сопротивление этого участка.
- Формула:U=IR
- Электрическое сопротивление R это отношение напряжения на концах проводника к силе тока, текущего по проводнику.
- Формула R=frac{U}{I}
Определение единицы сопротивления — Ом
1 Ом представляет собой электрическое сопротивление участка проводника, по которому при напряжении 1(Вольт) протекает ток 1 (Ампер).
Закон Ома для полной цепи
Определение: Сила тока в цепипропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и внутреннего сопротивления источника
Формула I=frac{varepsilon}{R+r}
- varepsilon — ЭДС источника напряжения, В;
- I — сила тока в цепи, А;
- R — сопротивление всех внешних элементов цепи, Ом;
- r — внутреннее сопротивление источника напряжения, Ом.
Как запомнить формулы закона Ома
Треугольник Ома поможет запомнить закон. Нужно закрыть искомую величину, и два других символа дадут формулу для её вычисления.
- U — электрическое напряжение;
- I — сила тока;
- P — электрическая мощность;
- R — электрическое сопротивление
Смотри также:
- Первый закон Ньютона
- Второй закон Ньютона
- Третий закон Ньютона
Для закрепления своих знаний решай задания и варианты ЕГЭ по физике с ответами и пояснениями.
