Закон Ома - это фундаментальный закон электротехники, позволяющий понимать и просчитывать зависимость тока, напряжения исопротивления в электрических цепях. Его можно использовать для вычисления любой из искомых величин, еслиучесть два оставшихся. Для этого можно использовать треугольник Ома, где закрытая величина определяется двумя другими. Закон Ома - основной закон в мире электротехники и его необходимо знать и умело применять для решения практических задач.
В этой статье мы рассмотрим закон Ома для участка цепи и расскажем, как использовать его для расчета параметров цепи.
Введение
Основным законом электротехники, при помощи которого можно изучать и рассчитывать электрические цепи, является закон Ома, устанавливающий соотношение между током, напряжением и сопротивлением. Необходимо отчетливо понимать его сущность и уметь правильно пользоваться им при решении практических задач. Часто в электротехнике допускаются ошибки из-за неумения правильно применить закон Ома.
Какая формула выражает закон Ома для участка цепи
В результате взаимодействия электронов с атомами и другими электронами возникают силы, действующие на электроны в разнообразных направлениях. Это приводит к частичной хаотичности в движении электронов и вызывает уменьшение силы тока. Тем самым проводник препятствует прохождению электрического тока, т. е. обладает электрическим сопротивлением.
Так как на данном участке отношение напряжения U к силе тока I неизменно и зависит только от проводника, то условились измерять сопротивление R участка величиной этого отношения: R = U/I.
Закон Ома для участка цепи гласит: Ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению. В этом легко убедиться. Например, если составить электрическую цепь из отработанной батарейки карманного фонаря (напряжение которой мало) и электрической лампочки, то лампочка будет светиться слабо или совсем не светится. Это говорит о том, что через нее идет слабый ток.
Заменив новой батарейкой, которая дает достаточное напряжение, мы заметим, что лампочка будет светить ярко. Это значит, что через лампочку прошел более сильный ток.
Включая в электрическую цепь одну батарейку, затем две и т. д., т. е. увеличивая напряжение в несколько раз, наблюдаем при этом увеличение силы тока во столько же раз (при случае, если температура проводника заметно не меняется при прохождении тока).
Включая в цепь (в данный ее участок) проводники, обладающие различными сопротивлениями (при одной и той же разности потенциалов), мы заметим, что при изменении сопротивления участка цепи меняется и ток в нем.
А именно, опыт показывает, что с увеличением сопротивления проводника сила тока в нем уменьшается. Отношение напряжения на данном участке цепи к силе тока постоянно и служит мерой сопротивления участка.
Это означает, что падение напряжения на участке цепи равно произведению его сопротивления на силу тока в нем.
Если увеличить в несколько раз напряжение, действующее в электрической цепи, то ток в этой цепи увеличится во столько же раз. А если увеличить в несколько раз сопротивление цепи, то ток во столько же раз уменьшится. Подобно этому водяной поток в трубе тем больше, чем сильнее давление и чем меньше сопротивление, которое оказывает труба движению воды.
В популярной форме этот закон можно сформулировать следующим образом: чем выше напряжение при одном и том же сопротивлении, тем выше сила тока и в то же время чем выше сопротивление при одном и том же напряжении, тем ниже сила тока.
Чтобы выразить закон Ома математически наиболее просто, считают, что сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В проходит ток 1 А, равно 1 Ом.
Ток в амперах можно всегда определить, если разделить напряжение в вольтах на сопротивление в омах. Поэтому закон Ома для участка цепи записывается следующей формулой:
I = U/R
которое можно прочитать так: сила тока на данном участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.
Этот закон был открыт экспериментально немецким ученым Омом в 1827 г. и называется в честь его законом Ома для участка цепи.
Закон Ома математически можно записать еще в таком виде:
U = IR
Это означает, что падение напряжения на участке цепи равно произведению его сопротивления на силу тока в нем.
Закон Ома для участка цепи — это фундаментальный принцип электрических цепей, который позволяет рассчитывать ток, текущий через проводник, на основе напряжения на нем и сопротивления, которое он оказывает току. Это простой и мощный инструмент для понимания поведения электрических цепей и решения проблем, связанных с напряжением, током и сопротивлением.
Как можно представить графически закон Ома
Графическое представление закона Ома может быть выполнено несколькими способами, в зависимости от того, какие параметры вы хотите проиллюстрировать. Вот несколько примеров:
- График вольт-амперной характеристики (ВАХ). Это наиболее распространенный способ графического представления закона Ома. На графике по оси абсцисс откладывается сила тока (I), а по оси ординат — напряжение (U). Линия на графике показывает прямую пропорциональность между током и напряжением.
- Треугольник Ома. Это метод визуализации взаимосвязи между током (I), напряжением (U) и сопротивлением R. Треугольник разделен на три части, каждая из которых представляет один из параметров, и позволяет легко вычислить третий параметр, зная два других.
- Круговая диаграмма. Подобно треугольнику Ома, круговая диаграмма используется для визуализации взаимосвязей между током, напряжением и сопротивлением, но в форме круга.
Эти методы помогают лучше понять и запомнить основные соотношения, описываемые законом Ома, и удобны при решении задач по электротехнике.
Вольт – амперная характеристика сопротивления (сила тока в нагрузке линейно изменяется с изменением напряжения)
Выше на рисунке закон Ома представлен графически. Зависимость силы тока от напряжения показана прямой линией, выходящей из начала осей координат. Такой график называют вольт – амперной характеристикой сопротивления.
Треугольник Ома (магический труегольник)
Как использовать треугольник Ома: закрываем искомую величину - два других символа дадут формулу для её вычисления. Кстати, законом Ома называется только одна формула из треугольника – та, которая отражает зависимость тока от напряжения и сопротивления. Две другие формулы, хотя и являются её следствием, физического смысла не имеют.
Расчеты, выполняемые с помощью закона Ома для участка цепи, будут правильны в том случае, когда напряжение выражено в вольтах, сопротивление в омах и ток в амперах. Если используются кратные единицы измерений этих величин (например, миллиампер, милливольт, мегаом и т. д.), то их следует перевести соответственно в амперы, вольты и омы. Чтобы подчеркнуть это, иногда формулу закона Ома для участка цепи пишут так:
ампер = вольт/ом
Можно также рассчитывать ток в миллиамперах и микроамперах, при этом напряжение должно быть выражено в вольтах, а сопротивление — в килоомах и мегаомах соответственно.
Закон Ома для участка цепи и Закон Ома полной цепи - в чем отличие
Кроме закона Ома для участка цепи также существует обобщенный закон Ома (закон для полной цепи) определяет связь между основными электрическими величинами на участке цепи постоянного тока, содержащего резистор и идеальный источник ЭДС: Закон Ома для полной цепи
Закон Ома для участка цепи и Закон Ома для полной цепи схожи в том, что оба они описывают взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением в электрической цепи. Однако есть разница в способах их применения.
Закон Ома для участка цепи используется для расчета тока, протекающего через определенный сегмент цепи, на основе напряжения на сегменте и сопротивления сегмента. Преимущество этого закона в том, что его просто и легко применять. Однако оно применяется только к определенному участку схемы и не учитывает влияние других компонентов схемы.
Закон Ома для полной цепи используется для расчета тока, протекающего через всю цепь, на основе электродвижущей силы (ЭДС) источника питания и общего сопротивления цепи. Этот закон выражается формулой
I = E/R,
где I — ток, E — ЭДС, а R — полное сопротивление.
Преимущество этого закона в том, что он учитывает влияние всех компонентов цепи, включая источник питания и общее сопротивление. Однако он более сложен и требует больше информации для применения.
Таким образом, закон Ома для сегмента цепи используется для расчета тока, протекающего через определенный сегмент цепи, а закон Ома для всей цепи используется для расчета тока, протекающего через всю цепь. Оба закона основаны на одном и том же принципе взаимосвязи между током, напряжением и сопротивлением, но применяются по-разному в зависимости от контекста схемы. Выбор того, какой закон использовать, зависит от конкретной проблемы и доступной информации.
Открытие закона Ома
Георг Симон Ом Георг Ом (1787—1854) был учителем в Кельне и Берлине, затем профессором в Мюнхене. В течение ряда лет (1824—1827) исследовал электрическую цепь и пришел к открытию своего знаменитого закона.
После школы он начал преподавать математику и физику, но все больше интересовался исследованиями в области электричества. В 1827 году он выступил с очень смелым заявлением о том, что ток, проходящий через электрическую цепь, прямо пропорционален напряжению.
Как связаны электрический ток, сопротивление и напряжение? Соотношения между этими величинами сегодня кажутся самоочевидными, но во времена их первооткрывателя Георга Ома доказать их было совсем не просто.
Коллеги-ученые с самого начала смеялись над этим просто сформулированным законом. Даже премия полученная Омом от Королевского общества в Лондоне в 1841 году не развеяла сомнений, хотя и принесла ее обладателю большую известность.
Георг Симон Ом (1789 - 1854)
Споры о справедливости закона Ома продолжались десятилетия после его смерти. Лишь через пятьдесят лет после публикации открытия закон Ома был окончательно подтвержден научной комиссией.
В 1881 году Международный физический конгресс в Париже решил, что единица электрического сопротивления будет называться омом.
Другие статьи про электричество в простом и доступном изложении:
Что такое напряжение, ток и сопротивление: как они используются на практике
Как зависит сопротивление от температуры
Источники ЭДС и тока: основные характеристики и отличия
Что такое электрическая мощность
Электрическое и магнитное поле - в чем различие
Примеры применения закона Ома: как определить силу тока, напряжение и сопротивление
Закон Ома справедлив для любого участка цепи. Если требуется определить ток в данном участке цепи, то необходимо напряжение, действующее на этом участке, разделить на сопротивление именно этого участка.
Применение закона Ома для участка цепи
Приведем пример расчета тока по закону Ома. Пусть требуется определить ток в лампе, имеющей сопротивление 2,5 Ом, если напряжение, приложенное к лампе, составляет 5 В. Разделив 5 В на 2,5 Ом, получим значение тока, равное 2 А. Во втором примере определим ток, который будет протекать под действием напряжения 500 В в цепи, сопротивление которой равно 0,5 МОм. Для этого выразим сопротивление в омах. Разделив 500 В на 500 000 Ом, найдем значение тока в цепи, которое равно 0,001 А или 1 мА.
Часто, зная ток и сопротивление, определяют с помощью закона Ома напряжение. Запишем формулу для определения напряжения
U = IR
Из этой формулы видно, что напряжение на концах данного участка цепи прямо пропорционально току и сопротивлению. Смысл этой зависимости понять нетрудно. Если не изменять сопротивление участка цепи, то увеличить ток можно только путем увеличения напряжения. Значит при постоянном сопротивлении большему току соответствует большее напряжение. Если же надо получить один и тот же ток при различных сопротивлениях, то при большем сопротивлении должно быть соответственно большее напряжение.
Напряжение на участке цепи часто называют падением напряжения. Это нередко приводит к недоразумению. Многие думают, что падение напряжения есть какое-то потерянное ненужное напряжение. В действительности же понятия напряжение и падение напряжения равнозначны. Потери и падение напряжения - в чем различие?
Падение напряжения — постепенное падение потенциала вдоль цепи, по которой течет ток, обусловленное тем, что цепь обладает активным сопротивлением. По закону Ома падение напряжения в каком-либо участке цепи U равно произведению сопротивления этого участка цепи R на силу тока в нем I, т. е. U — RI. Таким образом, чем больше сопротивление участка цепи, тем больше падение напряжения в этом участке цепи при данной силе тока.
Расчет напряжения с помощью закона Ома можно показать на следующем примере. Пусть через участок цепи с сопротивлением 10 кОм проходит ток 5 мА и требуется определить напряжение на этом участке.
Умножив I = 0,005 А на R — 10000 Ом, получим напряжение,равное 50 В. Можно было бы получить тот же результат, умножив 5 мА на 10 кОм: U = 50 В
В электронных устройствах ток обычно выражается в миллиамперах, а сопротивление — в килоомах. Поэтому удобно в расчетах по закону Ома применять именно эти единицы измерений.
По закону Ома рассчитывается также сопротивление, если известно напряжение и ток. Формула для этого случая пишется следующим образом: R = U/I.
Сопротивление всегда представляет собой отношение напряжения к току. Если напряжение увеличить или уменьшить в несколько раз, то ток увеличится или уменьшится в такое же число раз. Отношение напряжения к току, равное сопротивлению, остается неизменным.
Не следует понимать формулу для определения сопротивления в том смысле, что сопротивление данного проводника зависит оттока и напряжения. Известно, что оно зависит от длины, площади сечения и материала проводника. По внешнему виду формула для определения сопротивления напоминает формулу для расчета тока, но между ними имеется принципиальная разница.
Ток в данном участке цепи действительно зависит от напряжения и сопротивления и изменяется при их изменении. А сопротивление данного участка цепи является величиной постоянной, не зависящей от изменения напряжения и тока, но равной отношению этих величин.
Когда один и тот же ток проходит в двух участках цепи, а напряжения, приложенные к ним, различны, то ясно, что участок, к которому приложено большее напряжение, имеет соответственно большее сопротивление.
А если под действием одного и того же напряжения в двух разных участках цепи проходит различный ток, то меньший ток всегда будет на том участке, который имеет большее сопротивление. Все это вытекает из основной формулировки закона Ома для участка цепи, т. е. из того, что ток тем больше, чем больше напряжение и чем меньше сопротивление.
Расчет сопротивления с помощью закона Ома для участка цепи покажем на следующем примере. Пусть требуется найти сопротивление участка, через который при напряжении 40 В проходит ток 50 мА. Выразив ток в амперах, получим I = 0,05 А. Разделим 40 на 0,05 и найдем, что сопротивление составляет 800 Ом.
Закон Ома используется в качестве основы для применения законов Кирхгофа при анализе электрических цепей: Первый и второй законы Кирхгофа - формулы и примеры использования
Используя закон Ома для расчета сопротивления, тока и напряжения на отдельных участках цепи, и применяя законы Кирхгофа для анализа сложных цепей с множеством узлов и контуров, можно определить токи и напряжения во всей цепи.
Как уже было сказано выше, закон Ома можно наглядно представить в виде так называемой вольт-амперной характеристики. Как известно, прямая пропорциональная зависимость между двумя величинами представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Такую зависимость принято называть линейной.
Ниже на русунке показан в качестве примера график закона Ома для участка цепи с сопротивлением 100 Ом. По горизонтальной оси отложено напряжение в вольтах, а по вертикальной оси — ток в амперах. Масштаб тока и напряжения может быть выбран каким угодно. Прямая линия проведена так, что для любой ее точки отношение напряжения к току равно 100 Ом. Например, если U = 50 В, то I = 0,5 А и R = 50 : 0,5 = 100 Ом.
Рис. 2. Закон Ома (вольт-амперная характеристика)
График закона Ома для отрицательных значений тока и напряжения имеет такой же вид. Это говорит о том, что ток в цепи проходит одинаково в обоих направлениях. Чем больше сопротивление, тем меньше получается ток при данном напряжении и тем более полого идет прямая.
Приборы, у которых вольт-амперная характеристика является прямой линией, проходящей через начало координат, т. е. сопротивление остается постоянным при изменении напряжения или тока, называются линейными приборами. Применяют также термины линейные цепи, линейные сопротивления.
Существуют также приборы, у которых сопротивление изменяется при изменении напряжения или тока. Тогда зависимость между током и напряжением выражается не по закону Ома, а более сложно. Для таких приборов вольт-амперная характеристика не будет прямой линией, проходящей через начало координат, а является либо кривой, либо ломаной линией. Эти приборы называются нелинейными.
Смотрите также по этой теме: Применение закона Ома на практике
Когда закон Ома не работает
Закон Ома не работает в некоторых случаях, особенно со сверхпроводниками, из-за их чрезвычайно низкого сопротивления. Это может создать иллюзию, что закон не работает, но на самом деле сопротивление настолько мало, что становится трудно наблюдать прямую связь между током, напряжением и сопротивлением, как описано законом Ома.
Закон Ома имеет свои ограничения и неприменим к определенным типам материалов, таким как диоды и транзисторы: Когда закон Ома не работает
Закон Ома применим при определенных условиях, а именно:
- Материал проводника должен быть омическим, то есть подчиняться линейной зависимости между напряжением, током и сопротивлением.
- Температура проводника должна быть постоянной, так как изменения температуры могут повлиять на сопротивление материала.
- Проводник должен находиться в устойчивом состоянии, то есть ток и напряжение постоянны и не меняются с течением времени.
- Проводник не должен подвергаться воздействию внешних магнитных полей, поскольку они могут повлиять на сопротивление материала.
- Проводник не должен быть поврежден или иметь дефекты, которые могли бы повлиять на его сопротивление.
Важно отметить, что хотя закон Ома является фундаментальным законом электротехники, он не является гарантией того, как цепь будет вести себя или функционировать. Вместо этого он дает базовое понимание того, как ток течет через проводник, в зависимости от его сопротивления и напряжения.
По сути, закон Ома представляет собой математическую зависимость между током, напряжением и сопротивлением, и он не является гарантией того, как схема будет работать или функционировать.
Это инструмент, используемый для анализа и прогнозирования поведения электрических цепей, но он не диктует, как следует проектировать или строить схему. Поэтому важно понимать ограничения закона Ома и использовать его как отправную точку для анализа и проектирования электрических цепей, а не как окончательное руководство.
Что нужно знать о законе Ома для контрольной или экзамена?
Все проводники оказывают некоторое сопротивление прохождению электрического тока. Тогда конкретное сопротивление зависит от нескольких факторов. Решающее значение имеет материал, из которого изготовлен проводник, а также его длина и толщина (соответственно величина площади перпендикулярного сечения).
Важно знать, что электрический ток, напряжение и сопротивление являются тесно связанными величинами. Закон Ома гласит, что электрический ток (I) прямо пропорционален напряжению (U) в электрической цепи с постоянным сопротивлением (R). Следовательно, электрическое сопротивление можно понимать как константу пропорциональности между током и напряжением.
- Связь между электрическим током, напряжением и сопротивлением в простой электрической цепи была открыта немецким физиком Георгом Симоном Омом в 1826 году.
- Закон Ома гласит, что электрический ток в цепи прямо пропорционален электрическому напряжению.
- Единицей электрического тока является Ампер [А].
- Электрический ток – это упорядоченное движение электрически заряженных частиц. Его можно измерить амперметром.
- Единицей электрического сопротивления является Ом [Ом].
- Электрическое сопротивление — это величина, выражающая способность проводника проводить электрический ток.
- 1 Ом — это значение электрического сопротивления, при котором создается падение 1 В при токе 1 А.
- Единицей электрического напряжения в системе СИ является 1 вольт [В].
- В разветвленной электрической цепи резисторы соединены рядом друг с другом. Когда электрический ток, протекающий через резистор, увеличивается вдвое, его электрическое сопротивление не изменяется.
Андрей Повный - преподаватель Филиала БГТУ Гомельский государственный политехнический колледж, редактор сайта "Школа для электрика"