Что такое закон Ома?

Круглосуточно и повсеместно нас окружают устройства, работающие от электричества. Столь широкое техническое разнообразие стало возможным благодаря множеству выдающихся ученых, внесших свой вклад в изучение свойств этого явления. Одним из таких ученых был немецкий физик Георг Симон Ом, который в 1826 году после нескольких неудачных попыток вывел взаимосвязь между тремя физическими величинами: напряжением, силой тока и сопротивлением.

Закон Ома и все его производные позволили задавать точные параметры электрических цепей и легли в основу электротехники. В этой статье мы разберемся со значением терминов и формул, рассмотрим примеры задач и их решений, а также определим практическое значение закона Ома.

Определение закона Ома простыми словами

Закон Ома гласит, что при постоянном сопротивлении сила тока прямо пропорциональна напряжению. Это значит, что определенное увеличение или уменьшение напряжения, например в 3 раза, приведет к аналогичному изменению силы тока. Если же напряжение в цепи постоянно, то сила тока обратно пропорциональна сопротивлению. То есть увеличение сопротивления в 3 раза приведет к трехкратному уменьшению силы тока. Для более глубокого понимания взаимодействия мы разберем основные термины из закона Ома:сила тока, напряжение, сопротивление.

Сила тока: что это такое?

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц по проводникам. Носителями тока являются электроны — частицы с отрицательным зарядом. Сила тока показывает, сколько электронов перемещается по проводнику за единицу времени. В системе СИ сила тока (I) измеряется в амперах (А).

Напряжение: что это такое?

Напряжение — это физическая величина, которая определяет возможность возникновения электрического тока благодаря разности потенциалов между точками проводника. Напряжение определяется через отношение работы, затраченной на перемещение заряда, к величине этого заряда. В системе СИ напряжение (U) измеряется в вольтах (В).

Сопротивление: что это такое?

Сопротивление — это свойство элементов электрической цепи, которое препятствует прохождению тока, то есть уменьшает его силу. В системе СИ сопротивление (R) измеряется в омах (Ом).

Закон Ома для участка цепи

Для участка цепи применяется базовый закон Ома, который выражается следующими формулами:

• U=I*R
• I=U/R
• R=U/I

Запомнить эту пропорциональность можно с помощью треугольника _I^U_R, вершина которого обозначена напряжением, а углы у основания — силой тока и сопротивлением. Прикрывая рукой величину, которую необходимо измерить, вы получите правильную формулу.

Закон Ома для замкнутой полной цепи

Использование базовой формулы для вычислений на полной замкнутой цепи приводит к значительной погрешности, так как не учитывает внутреннее сопротивление источника напряжения (электродвижущей силы). В таком случае используется второй закон Ома:

• ε — электродвижущая сила (формально она не является напряжением, но при решении задач разницу между этими понятиями можно опустить);
• R — сопротивление всех элементов цепи, за исключением источника электродвижущей силы;
• r — сопротивление источника электродвижущей силы.

Закон Ома для переменного тока

Описанные выше закономерности применяются для цепей, работающих от постоянного тока, при котором неизменными остаются направление движения заряженных частиц и значение напряжения. В большинстве современных устройств используется переменный ток, который позволяет передавать энергию на большие расстояния с последующим снижением напряжения.

Чтобы понять закон Ома, применимый к сетям переменного тока, сначала рассмотрим несколько определяющих его терминов.

• Электрический импеданс (Z) — комплексное электрическое сопротивление между узлами цепи. Включает в себя активное и реактивное (емкостное и индуктивное) сопротивление.
• Активное сопротивление (R_a) — сопротивление, которое образуется вследствие преобразования какого-либо вида энергии в электричество.
• Реактивное сопротивление (R_r) — разность между индуктивным и емкостным сопротивлением.
• Индуктивное сопротивление (L) — сопротивление, вызванное возникновением самоиндукции (электродвижущей силы в проводнике). Самоиндукция препятствует как увеличению, так и уменьшению тока.
• Емкостное сопротивление (C) — сопротивление, обратно пропорциональное частоте переменного тока. Оно возникает в элементах цепи, обладающих способностью накапливать электрический заряд (емкостью).

На основании ранее описанных явлений закон Ома для переменного тока учитывает понятие электрического импеданса и выглядит следующим образом:

Резисторы и реостаты: их роль в цепи

Резистор — это элемент электрический цепи, включенный в нее с целью увеличения сопротивления. В электрических устройствах резисторы выполняют ряд важных функций.

• Позволяют менять значения напряжения и силы тока путем линейного преобразования.
• Поглощают или рассеивают излишки электроэнергии для стабилизации работы схем.
• Ограничивают подачу тока для обеспечения сохранности компонентов.

Реостат является резистором с переменным сопротивлением. С его помощью можно регулировать и подстраивать показатели, не внося изменений в саму электрическую цепь. Таким образом, реостат является более функциональным резистором. На практике эти два термина используют как синонимы, обозначая основной смысл — изменение значений сопротивления.

Параллельное и последовательное соединение: зачем они нужны?

В электрических цепях элементы могут быть соединены последовательно или параллельно. В первом случае они располагаются один за другим на всем пути движения тока. В схемах с последовательным соединением сопротивление всех резисторов и напряжение на каждом участке складываются, а сила тока остается одинаковой на любом участке цепи. Этот способ в основном используется в небольших устройствах, которые работают при целенаправленном включении:

• фонарики;
• дверные звонки;
• новогодние гирлянды.

Описанный выше способ имеет существенный недостаток, так как при выходе из строя одного из элементов цепи подача тока прекратится. Поэтому в более сложных устройствах резисторы подключаются к общему источнику питания параллельно, то есть независимо друг от друга. При таком способе напряжение цепи остается неизменным, а общая сила тока вычисляется путем сложения значений на каждом ответвлении проводника. Чтобы посчитать общее сопротивление, необходимо сложить обратные значения сопротивления на каждом участке:

Примеры использования параллельного соединения:

• электричество в доме (разные приборы можно включить по отдельности);
• лампы в люстре (если одна из них перегорела, остальные продолжают работать);
• измерительные приборы (вольтметры, амперметры или мультиметры подключаются независимо друг от друга для точности измерений).

Таблица удельных сопротивлений различных материалов

Удельным сопротивлением называют свойства проводников, которые влияют на препятствование движению электрического тока. Это базовые значения, зависящие от атомарной структуры тех или иных материалов. В Международной системе СИ удельное сопротивление выражают в омах на квадратные метры (площадь сечения проводника), однако на практике для удобства расчетов чаще используются омы на квадратные миллиметры. Полученный результат необходимо разделить на длину проводника в метрах.

Ниже мы приводим значения удельного сопротивления разных материалов при постоянной температуре +20 °C. В случаях с некоторыми сплавами с непостоянным составом указаны диапазоны.

Применение и практическое значение законов Ома

Описанные выше взаимосвязи, а также дифференциальная форма закона Ома играют ключевую роль в электротехнике. Точный расчет взаимосвязи силы тока, напряжения и сопротивления обеспечивает стабильность функционирования всех устройств с электрическими цепями, в том числе:

• линий электропередач;
• электродвигателей;
• бытовых приборов;
• промышленного оборудования;
• средств связи;
• медицинских приборов;
• космической электроники.

Задачи на закон Ома с решениями

Примеры задач для участка электрической цепи

Задача 1. Определите силу тока на участке цепи с постоянным сопротивлением 15 Ом, если напряжение на нем составляет 30 вольт?

Решение:

U=30 В

R=15 Ом

I=U/R=30/15=2 А

Ответ: сила тока составляет 2 ампера.

Задача 2. Посчитайте напряжение на участке цепи, по которому проходит ток силой 0,25 амперов, а сопротивление равно 30 Ом.

Решение:

I=0,25 А

R=30 Ом

U=I*R=0,25*30=7,5 В

Ответ: напряжение равно 7,5 вольтам.

Примеры задач для полной замкнутой цепи

Задача 1. В цепь под напряжением 220 вольт подключен резистор, дающий сопротивление 10 Ом. Внутреннее сопротивление источника электродвижущей силы составляет 12 Ом. Какой будет сила тока в данной цепи?

Решение:

ε=220 В

R=10 Ом

r=12 Ом

Ответ: сила тока составляет 10 амперов.

Задача 2. К аккумулятору с электродвижущей силой 30 вольт подсоединен резистор с сопротивлением 5 Ом. При этом сопротивление проводника составляет 1 Ом. Также известно, что сила тока в цепи равна 3 амперам. Рассчитайте внутреннее сопротивление аккумулятора.

Решение:

ε=30 В

R=5+1=6 Ом

I=3 А

Ответ: аккумулятор имеет внутреннее сопротивление 4 ома.

Коммуникация между компонентами: как это работает?

Коммуникация между компонентами электрической цепи происходит за счет движения электрического тока. Каждый элемент оснащен зажимами (полюсами), подключенными к проводнику. К двухполюсным элементам относятся резисторы и конденсаторы, а трансформаторы или усилители, как правило, имеют несколько полюсов.

Кроме того, элементы делятся на активные и пассивные. Первые являются источниками электричества (аккумуляторы, батарейки, генераторы), вторые же отвечают за накапливание энергии (конденсаторы) или ее рассеивание (резисторы).

Ограничения применимости: при каких условиях не выполняется закон Ома?

Закон Ома имеет ряд ограничений применимости. Использовать его не имеет смысла, если выполняется хотя бы одно из перечисленных ниже условий:

• сверхпроводимость (нулевое сопротивление): при вычислении силы тока напряжение придется разделить на ноль, что невозможно;
• проводник имеет неметаллическую структуру: в неметаллических проводниках сопротивление может меняться, что нарушает принцип линейности;
• колебания температуры: по аналогии с предыдущим пунктом, изменение температуры проводника влияет на показатель сопротивления;
• высокочастотный ток: при частоте в несколько килогерц электрическое поле меняется с очень высокой скоростью, что приводит к инерционному движению электронов;
• контакт с диэлектриком: материалы с низкой электрической проводимостью способствуют эффекту поляризации, из-за которого заряды меняют направление движения на противоположное;
• цепь находится в вакууме: электроны почти не сталкиваются друг с другом;
• цепь находится в плазме: количество электронов непостоянно.

О значении закона Ома в электротехнике

Закон Ома имеет важнейшее значение в электротехнике, так как он не только описывает принципы работы устройств, но и позволяет разрабатывать новое высокотехнологичное оборудование. Точный расчет показателей силы тока, напряжения и сопротивления обеспечивает стабильность электрических систем и их энергоэффективность. Новые устройства с широким функционалом делают нашу жизнь комфортнее и позволяют решать сложные задачи в кратчайшие сроки.

Изображение на обложке: Freepik