Закон Ома для полной цепи: история и формулы. Закон Ома

Физический закон , определяющий связь (или электрического напряжения) с силой тока , протекающего в проводнике , и сопротивлением проводника. Установлен Георгом Омом в 1826 году и назван в его честь.

Закон Ома для переменного тока

Вышеприведённые соображения о свойствах электрической цепи при использовании источника (генератора) с переменной во времени ЭДС остаются справедливыми. Специальному рассмотрению подлежит лишь учёт специфических свойств потребителя, приводящих к разновремённости достижения напряжением и током своих максимальных значений, то есть учёта фазового сдвига .

Если ток является синусоидальным с циклической частотой ω {\displaystyle \omega } , а цепь содержит не только активные, но и реактивные компоненты (ёмкости , индуктивности), то закон Ома обобщается; величины, входящие в него, становятся комплексными:

• U = U 0 e i ωt - напряжение или разность потенциалов,
• I - сила тока,
• Z = Re −i δ - комплексное сопротивление (электрический импеданс),
• R = √ R a 2 + R r 2 - полное сопротивление,
• R r = ωL − 1/(ωC ) - реактивное сопротивление (разность индуктивного и емкостного),
• R а - активное (омическое) сопротивление, не зависящее от частоты,
• δ = − arctg (R r /R a ) - сдвиг фаз между напряжением и силой тока.

При этом переход от комплексных переменных в значениях тока и напряжения к действительным (измеряемым) значениям может быть произведён взятием действительной или мнимой части (но во всех элементах цепи одной и той же!) комплексных значений этих величин. Соответственно, обратный переход строится для, к примеру, U = U 0 sin ⁡ (ω t + φ) {\displaystyle U=U_{0}\sin(\omega t+\varphi)} подбором такой U = U 0 e i (ω t + φ) , {\displaystyle \mathbb {U} =U_{0}e^{i(\omega t+\varphi)},} что Im ⁡ U = U . {\displaystyle \operatorname {Im} \mathbb {U} =U.} Тогда все значения токов и напряжений в схеме надо считать как F = Im ⁡ F {\displaystyle F=\operatorname {Im} \mathbb {F} }

В данной статье хотелось бы показать не только формулу этого закона, но и пояснить его суть. Закон Ома представляет собой формулу, что показывает зависимость основных характеристик электрической цепи, а именно - напряжения (электродвижущей силы), электрического тока (потока заряженных частиц) и сопротивления (противодействие течению электронов в твёрдом проводнике).

Для лучшего понимания закона Ома, вначале давайте чётче определимся с понятием «электрическая цепь ». Говоря простыми словами, электрическая цепь представляет собой тот путь в электрической схеме, по которому протекают заряды (провода, электро - и радио - элементы, устройства и прочее). Электрическая цепь, естественно, начинается с источника электропитания. Электрические заряды представляют собой избыток электронов, что под действием внутренних факторов (электромагнитное поле, химические процессы, фотонные явления и т.д.) стремятся перейти на противоположную клемму этого источника электропитания.

Упрощенно выражаясь, силой стремления заряженных частиц перейти на противоположную сторону источника будет являться напряжение. Количество заряженных частиц (их поток), которое будет течь в электрической цепи - это электрический ток. А различные факторы, что создают преграды внутри проводников для потока заряженных частиц, препятствуя их движению, естественно будет сопротивлением. Кроме сопротивления общей внешней цепи существует и внутреннее сопротивление самого источника электропитания. Его также следует при необходимости учитывать в расчётах. Между этими электрическими характеристиками существует определённая, прямолинейная зависимость, которая и показана в законе Ома:

I=U⁄r+R , из которой можно вывести: U=I×(R+r); R+r=U⁄I; r=U/I−R

• I - ток в электрической цепи (Амперы)
• U - Напряжение (Вольты)
• R - Сопротивление цепи (Омы)
• r - внутреннее сопротивление источника питания (Омы)

Полный закон Ома для полной цепи звучит так: сила тока в электрической цепи будет прямо пропорциональна напряжению приложенному к этой цепи, и обратно пропорциональна сумме внутреннего сопротивления источника электропитания и общему сопротивлению всей цепи.

При помощи полного закона Ома для полной цепи можно вычислить общие значения напряжения на клеммах источника электропитания, общий ток (потребляемый этой цепью) и суммарное сопротивление всей цепи. А что же делать, если нам необходимо узнать эти основные электрические характеристики в определённых частях цепи? Применить этот закон к конкретной части цепи (выбросив из формулы внутреннее сопротивление источника электропитания): I=U⁄R

Любую электрическую схему (любой сложности) можно представить в виде простых путей, по которым перемещаются электроны. Взяв любой такой участок и определив его двумя точками, к нему смело можно применять закон Ома. На этих точках будет своё падение напряжения, своё внутреннее сопротивление и свой ток. Зная значения любых двух характеристик, по закону Ома всегда можно вычислить третье.

Выше мы рассматривали закон Ома для постоянного тока. А какой вид примет формула для переменного тока? Прежде чем её привести, давайте охарактеризуем этот самый переменный ток. Это движение заряженных частиц, которое периодически изменяется в направлении и значении. В отличие от постоянного тока, переменному свойственно наличие дополнительных факторов, которые порождают ещё один вид сопротивления. Такое сопротивление называется реактивным (обычное сопротивление проводников является активным). Реактивное сопротивление свойственно емкостям (конденсаторам) и индуктивностям (катушкам).

Закон Ома для переменного тока будет иметь такой вид: I=U⁄Z

• I - ток в электрической цепи
• U - Напряжение
• Z - Комплексное сопротивление

Комплексное сопротивление состоит из суммы активных и реактивных сопротивлений. Если в схеме с переменным током имеются только лишь активные сопротивления, то к ней применяют обычную формулу закона Ома, что приведена выше (для постоянного тока). Когда в схеме присутствуют ещё индуктивности и емкости, то комплексное сопротивление вычисляется так:

Z=R+1/ifC+ifL

• R - активное сопротивление (Омы)
• i - мнимая единица (число, квадрат которого равен -1)
• f - циклическая частота в герцах (в нашем случае частота сети)
• C - величина ёмкости (фарады)
• L - величина индуктивности (генри)

На практике (обычная работа электрика) при использовании закона Ома для переменного тока эту формулу редко используют. Обычно тестером или клещами измеряют ток в переменной цепи, и, зная напряжение, вычисляют комплексное сопротивление (если оно нужно). На этом и завершу тему, полный закон Ома для полной цепи.

P.S. Как говорится: не знаешь закона Ома, сиди дома. Именно закон Ома является основопологающим, на который опирается вся электротехника. Как только Вам нужно вычислить одну из неизвестных величин (имея другие известные), сразу вспоминаем этот закон! На практике сами убедитесь и увидите, как часто будете его вспоминать!

Что же собой представляет закон Ома для полной цепи? Итак, это формула, в которой наглядно видна связь основных параметров электрической цепи: тока, напряжения и сопротивления. Для того чтобы понять суть закона, давайте для начала разберемся с некоторыми понятиями.

Что называют электрической цепью?

Электроцепь - это путь в электрической схеме, которым протекают заряды (электрические элементы, провода и другие устройства). Конечно же, ее началом считается источник электропитания. Под воздействием электромагнитного поля, фотонных явлений или химических процессов электрические заряды стремятся перейти на противоположную клемму этого источника электропитания.

Что такое электрический ток?

Направленное движение заряженных частиц при воздействии на них электрического поля либо других сторонних сил и называется электрическим током. Его направление определяется направленностью протонов (положительных зарядов). Ток будет постоянным, если с течением времени не изменилась ни его сила, ни направление.

История закона Ома

При проведении экспериментов с проводником физику Георгу Ому удалось установить, что сила тока пропорциональна напряжению, которое приложено к его концам:

I / sim U или I = G / U,

где G - электропроводность, а величина R = 1 / G - электрическое сопротивление проводника. Это открытие было установлено знаменитым немецким физиком в 1827 году.

Законы Ома

Для полной цепи определение будет следующим: сила тока в электроцепи равна отношению электродвижущей силы (далее ЭДС) источника к сумме сопротивлений:

I = E / (R + r),

где R - сопротивление внешней цепи, а r - внутреннее сопротивление Довольно часто формулировка закона вызывает затруднения, поскольку не всем знакомо понятие ЭДС, ее отличие от напряжения, далеко не все знают, что означает и откуда появляется внутреннее сопротивление. Для этого и нужны пояснения, ведь закон Ома для полной цепи имеет глубокий смысл.

Формулировку закона для участка цепи можно назвать прозрачной. Речь идет о том, что для ее понимания не нужны дополнительные разъяснения: ток в цепи прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению:

Смысл

Закон Ома для полной цепи прочно связан с законом сохранения энергии. Давайте предположим, что источник тока не имеет внутреннего сопротивления. Что же в таком случае должно происходить? Оказывается, если бы отсутствовало сопротивление, то во внешнюю цепь отдавался бы ток большей величины, соответственно и мощность была бы большей.

Теперь пришло время разобраться с понятием электродвижущей силы. Эта величина представляет собой разность между электрическими потенциалами на клеммах источника, но только без какой-либо нагрузки. В качестве примера давайте возьмем напор воды в приподнятом баке. Уровень воды будет находиться на месте, пока ее не начнут расходовать. При открытии крана уровень жидкости будет уменьшаться, поскольку нет подкачки. Попадая в трубу, вода испытывает сопротивление, то же самое происходит и с электрическими зарядами в проводе.

При отсутствии нагрузок, клеммы находятся в разомкнутом состоянии, получается, что ЭДС и напряжение совпадают по величине. Если же мы, к примеру, включим лампочку, цепь замкнется, а электродвижущая сила создаст напряжение в ней, выполняя полезную работу. Часть энергии из-за внутреннего сопротивления рассеется (это называют потерями).

В том случае, если сопротивление потребителя меньше внутреннего, то на источнике тока выделяется большая мощность. И тогда происходит падение ЭДС во внешней цепи, а на внутреннем сопротивлении теряется существенная часть энергии. Суть законов сохранения заключается в том, что природа не может взять больше, чем отдать.

Хорошо знакома сущность внутреннего сопротивления обитателям «хрущевок», у которых в квартирах имеются кондиционеры, а старая проводка так и не была заменена. Электрический счетчик вращается с бешеной скоростью, нагревается розетка и стена в тех местах, где проходят старые алюминиевые провода, в результате чего кондиционер еле-еле охлаждает воздух в помещении.

Природа r

«Полный Ом» (как привыкли закон называть электрики) плохо понимается, поскольку у внутреннего сопротивления источника, как правило, не электрическая природа. Давайте разберемся с этим на примере солевой батарейки. Известно, что электрическая батарея состоит из нескольких элементов, мы же будем рассматривать лишь один. Итак, у нас имеется готовая батарея «Крона», состоящая из 7 последовательно соединенных элементов.

Как же происходит выработка тока? В сосуд с электролитом поместим угольный стержень в марганцевой оболочке, состоящий из положительных электродов или анодов. Конкретно в данном примере угольный стержень выступает токосъемником. Металлический цинк составляют отрицательные электроды (катоды). В покупных батарейках, как правило, гелевый электролит. Жидкий используется очень редко. В качестве отрицательного электрода выступает цинковый стаканчик с электролитом и анодами.

Оказывается, секрет батарейки кроется в том, что у марганца электрический потенциал не так высок, как у цинка. Поэтому электроны притягиваются к катоду, а он, в свою очередь, отталкивает положительно заряженные ионы цинка к аноду. В результате катод постепенно расходуется. Пожалуй, каждый знает, что если севшую батарейку своевременно не заменить, то она может потечь. С чем же это связано? Все очень просто: через разъединенный стаканчик начнет вытекать электролит.

При движении зарядов на угольном стержне в марганцевой оболочке накапливаются положительные заряды, в то время как на цинке собираются отрицательные. Поэтому их и называют анодом и катодом, однако внутри батарейки выглядят иначе. Разность между зарядами и создаст электродвижущую силу Заряды прекратят движение в электролите, когда разность потенциалов материала электрода приравняется к величине ЭДС, а силы притяжения будут равны силам отталкивания.

Давайте теперь замкнем цепь: для этого достаточно подключить лампочку к батарейке. Проходя через искусственный источник света, заряды будут возвращаться каждый на свое место («дом»), а лампочка загорится. Внутри батарейки снова начнется движение электронов и ионов, поскольку заряды ушли наружу, и снова появилась притягивающая или отталкивающая сила.

На самом деле батарейка вырабатывает ток, почему и светится лампочка, происходит это за счет расхода цинка, превращающегося при этом процессе в иные химические соединения. Для извлечения чистого цинка, согласно закону сохранения энергии, нужно ее затратить, но не в электрическом виде (ровно столько же, сколько было отдано лампочке).

Теперь наконец-то мы можем разобраться с природой внутреннего сопротивления источника. В батарейке - это препятствие движению больших ионов. Движение электронов без ионов невозможно, потому что отсутствует сила притяжения.

В промышленных генераторах r появляется не только из-за электрического сопротивления обмоток, но и за счет внешних причин. Так, к примеру, в гидроэлектростанциях значение величины зависит от КПД турбины, сопротивления тока воды в водоводе, а также от потерь в механической передаче. Кроме того, некоторое влияние оказывает температура воды и то, насколько она заилена.

Переменный ток

Мы уже рассмотрели закон Ома для всей цепи для постоянного тока. Как же изменится формула при переменном токе? Прежде чем мы это узнаем, давайте охарактеризуем само понятие. Переменный ток - это движение электрически заряженных частиц, направление и значение которых изменяется с течением времени. В отличие от постоянного он сопровождается дополнительными факторами, порождающими новый вид сопротивления (реактивного). Свойственно оно конденсаторам и катушкам индуктивности.

Закон Ома для полной цепи для переменного тока имеет вид:

где Z - комплексное сопротивление, состоящее из активных и реактивных.

Не все так плохо

Закон Ома для полной цепи, помимо того что указывает на потери энергии, еще и подсказывает способы их устранения. Обычные электрики редко используют формулу нахождения комплексного сопротивления при наличии в схеме емкостей или индуктивностей. В большинстве случае ток измеряют клещами или специальным тестером. А когда известно напряжение, можно без затруднений вычислить комплексное сопротивление (если это действительно необходимо).

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта «Заметки электрика»..

Сегодня открываю новый раздел на сайте под названием .

В этом разделе я постараюсь в наглядной и простой форме объяснить Вам вопросы электротехники. Скажу сразу, что далеко углубляться в теоретические знания мы не будем, но вот с основами познакомимся в достаточном порядке.

Первое, с чем я хочу Вас познакомить, это с законом Ома для участка цепи. Это самый основной закон, который должен знать каждый .

Знание этого закона позволит нам беспрепятственно и безошибочно определять значения силы тока, напряжения (разности потенциалов) и сопротивления на участке цепи.

Кто такой Ом? Немного истории

Закон Ома открыл всем известный немецкий физик Георг Симон Ом в 1826 году. Вот так он выглядел.

Всю биографию Георга Ома я рассказывать Вам не буду. Про это Вы можете узнать на других ресурсах более подробно.

Скажу только самое главное.

Его именем назван самый основной закон электротехники, который мы активно применяем в сложных расчетах при проектировании, на производстве и в быту.

Закон Ома для однородного участка цепи выглядит следующим образом:

I – значение тока, идущего через участок цепи (измеряется в амперах)

U – значение напряжения на участке цепи (измеряется в вольтах)

R – значение сопротивления участка цепи (измеряется в Омах)

Если формулу объяснить словами, то получится, что сила тока пропорциональная напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи.

Проведем эксперимент

Чтобы понять формулу не на словах, а на деле, необходимо собрать следующую схему:

Цель этой статьи — это показать наглядно, как использовать закон Ома для участка цепи. Поэтому я на своем рабочем стенде собрал эту схему. Смотрите ниже как она выглядит.

С помощью ключа управления (избирания) можно выбрать, либо постоянное напряжение, либо переменное напряжение на выходе. В нашем случае используется постоянное напряжения. Уровень напряжения я меняю с помощью лабораторного автотрансформатора (ЛАТР).

В нашем эксперименте я буду использовать напряжение на участке цепи, равное 220 (В). Контроль напряжения на выходе смотрим по вольтметру.

Теперь мы полностью готовы провести самостоятельно эксперимент и проверить закон Ома в действительности.

Ниже я приведу 3 примера. В каждом примере мы будем определять искомую величину 2 методами: с помощью формулы и практическим путем.

Пример № 1

В первом примере нам нужно найти ток (I) в цепи, зная величину источника постоянного напряжения и величину сопротивления светодиодной лампочки.

Напряжение источника постоянного напряжения составляет U = 220 (В) . Сопротивление светодиодной лампочки равно R = 40740 (Ом) .

С помощью формулы найдем ток в цепи:

I = U/R = 220 / 40740 = 0,0054 (А)

Подключаем последовательно светодиодной лампочке , включенный в режиме амперметр, и замеряем ток в цепи.

На дисплее мультиметра показан ток цепи. Его значение равно 5,4 (мА) или 0,0054 (А), что соответствует току, найденному по формуле.

Пример № 2

Во втором примере нам нужно найти напряжение (U) участка цепи, зная величину тока в цепи и величину сопротивления светодиодной лампочки.

I = 0,0054 (А)

R = 40740 (Ом)

С помощью формулы найдем напряжение участка цепи:

U = I*R = 0,0054 *40740 = 219,9 (В) = 220 (В)

А теперь проверим полученный результат практическим путем.

Подключаем параллельно светодиодной лампочке мультиметр, включенный в режиме вольтметр, и замеряем напряжение.

На дисплее мультиметра показана величина измеренного напряжения. Его значение равно 220 (В), что соответствует напряжению, найденному по формуле закона Ома для участка цепи.

Пример № 3

В третьем примере нам нужно найти сопротивление (R) участка цепи, зная величину тока в цепи и величину напряжения участка цепи.

I = 0,0054 (А)

U = 220 (В)

Опять таки, воспользуемся формулой и найдем сопротивление участка цепи:

R = U/ I = 220/0,0054 = 40740,7 (Ом)

А теперь проверим полученный результат практическим путем.

Сопротивление светодиодной лампочки мы измеряем с помощью или мультиметра.

Полученное значение составило R = 40740 (Ом) , что соответствует сопротивлению, найденному по формуле.

Как легко запомнить Закон Ома для участка цепи!!!

Чтобы не путаться и легко запомнить формулу, можно воспользоваться небольшой подсказкой, которую Вы можете сделать самостоятельно.

Нарисуйте треугольник и впишите в него параметры электрической цепи, согласно рисунка ниже. У Вас должно получится вот так.

Как этим пользоваться?

Пользоваться треугольником-подсказкой очень легко и просто. Закрываете своим пальцем, тот параметр цепи, который необходимо найти.

Если оставшиеся на треугольнике параметры расположены на одном уровне, то значит их необходимо перемножить.

Если же оставшиеся на треугольнике параметры расположены на разном уровне, то тогда необходимо разделить верхний параметр на нижний.

С помощью треугольника-подсказки Вы не будете путаться в формуле. Но лучше все таки ее выучить, как таблицу умножения.

Выводы

В завершении статьи сделаю вывод.

Электрический ток — это направленный поток электронов от точки В с потенциалом минус к точке А с потенциалом плюс. И чем выше разность потенциалов между этими точками, тем больше электронов переместится из точки В в точку А, т.е. ток в цепи увеличится, при условии, что сопротивление цепи останется неизменным.

Но сопротивление лампочки противодействует протеканию электрического тока. И чем больше сопротивление в цепи (последовательное соединение нескольких лампочек), тем меньше будет ток в цепи, при неизменном напряжении сети.

P.S. Тут в интернете нашел смешную, но поясняющую карикатуру на тему закона Ома для участка цепи.

Причиной написания данной статьи явилась не сложность этих формул, а то, что в ходе проектирования и разработки каких-либо схем часто приходится перебирать ряд значений чтобы выйти на требуемые параметры или сбалансировать схему. Данная статья и калькулятор в ней позволит упростить этот подбор и ускорить процесс реализации задуманного. Также в конце статьи приведу несколько методик для запоминания основной формулы закона Ома. Эта информация будет полезна начинающим. Формула хоть и простая, но иногда есть замешательство, где и какой параметр должен стоять, особенно это бывает поначалу.

В радиоэлектронике и электротехнике закон Ома и формула расчёта мощности используются чаше чем какие-либо из всех остальных формул. Они определяют жесткую взаимосвязь между четырьмя самыми ходовыми электрическими величинами: током, напряжением, сопротивлением и мощностью.

Закон Ома. Эту взаимосвязь выявил и доказал Георг Симон Ом в 1826 году. Для участка цепи она звучит так: сила тока прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна сопротивлению

Так записывается основная формула:

Путем преобразования основной формулы можно найти и другие две величины:

Мощность. Её определение звучит так: мощностью называется произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи.

Формула мгновенной электрической мощности:

Ниже приведён онлайн калькулятор для расчёта закона Ома и Мощности. Данный калькулятор позволяет определить взаимосвязь между четырьмя электрическими величинами: током, напряжением, сопротивлением и мощностью. Для этого достаточно ввести любые две величины. Стрелками «вверх-вниз» можно с шагом в единицу менять введённое значение. Размерность величин тоже можно выбрать. Также для удобства подбора параметров, калькулятор позволяет фиксировать до десяти ранее выполненных расчётов с теми размерностями с которыми выполнялись сами расчёты.

Когда мы учились в радиотехническом техникуме, то приходилось запоминать очень много всякой всячины. И чтобы проще было запомнить, для закона Ома есть три шпаргалки. Вот какими методиками мы пользовались.

Первая - мнемоническое правило. Если из формулы закона Ома выразить сопротивление, то R = рюмка.

Вторая - метод треугольника. Его ещё называют магический треугольник закона Ома.

Если оторвать величину, которую требуется найти, то в оставшейся части мы получим формулу для её нахождения.

Третья. Она больше является шпаргалкой, в которой объединены все основные формулы для четырёх электрических величин.

Пользоваться ею также просто, как и треугольником. Выбираем тот параметр, который хотим рассчитать, он находиться в малом кругу в центре и получаем по три формулы для его расчёта. Далее выбираем нужную.

Этот круг также, как и треугольник можно назвать магическим.