Закон Ома

Закон Ома

Закон Ома часто называют основным законом электричества. Открывший его в 1826 г. известный немецкий физик Георг Симон Ом установил зависимость между основными физическими величинами электрической цепи – сопротивлением, напряжением и силой тока.

Электрическая цепь

Закон Ома

Чтобы лучше понять смысл закона Ома, нужно представлять, как устроена электрическая цепь.

Что же такое электрическая цепь? Это путь, который проходят электрически заряженные частицы (электроны) в электрической схеме.

Чтобы в электрической цепи существовал ток, необходимо наличие в ней устройства, которое создавало бы и поддерживало разность потенциалов на участках цепи за счёт сил неэлектрического происхождения. Такое устройство называется источником постоянного тока, а силы - сторонними силами.

Электрическую цепь, в которой находится источник тока, называют полной электрической цепью. Источник тока в такой цепи выполняет примерно такую же функцию, что и насос, перекачивающий жидкость в замкнутой гидравлической системе.

Простейшая замкнутая электрическая цепь состоит из одного источника и одного потребителя электрической энергии, соединённых между собой проводниками.

Закон Ома 

Параметры электрической цепи

Электрический ток в такой цепи представляет собой движение электронов в проводнике. И хотя в действительности они движутся по направлению к положительному полюсу источника, в физике направлением тока принято считать движение от положительного полюса к отрицательному.

Количество заряженных частиц, протекающих через поперечное сечение проводника, называется силой тока. Обозначается эта величина буквой I  и измеряется в амперах.

Но проводник оказывает сопротивление движению электронов. Величину, характеризующую противодействие электрической цепи или её участка электрическому току, называют электрическим сопротивлением. Его величина называется омом в честь знаменитого физика и обозначается буквой R.

Величина, равная разности потенциалов источника электрического тока, называется электрическим напряжением. Обозначается буквой U. Измеряется в вольтах.

Участок цепи без источника тока называют внешней цепью. Её сопротивление обозначают буквой R, а внутреннее сопротивление источника – r. ЭДС источника обозначается символом ε. ЭДС источника состоит из падения напряжения U во внешней цепи и падения напряжения U1 на самом источнике.

ε = U +U1,

Внешняя цепь рассматривается как участок цепи. Вообще, любую электрическую цепь можно представить в виде участков, между двумя точками которых течёт электрический ток. Каждый участок можно охарактеризовать падением напряжения U, сопротивлением R и силой тока I.

Опытным путём Ом установил взаимосвязь между этими основными параметрами электрической цепи: «Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению на этом участке».

I = U/R

Это и есть формула закона Ома для участка цепи.

Опыт Ома

Закон Ома

Свой знаменитый закон Ом вывел экспериментальным путём.

Проведём несложный опыт.

Соберём электрическую цепь, в которой источником тока будет аккумулятор, а прибором для измерения тока – последовательно включенный в цепь амперметр. Нагрузкой служит спираль из проволоки. Напряжение будем измерять с помощью вольтметра, включенного параллельно спирали. Замкнём с помощью ключа электрическую цепь и запишем показания приборов.

Подключим к первому аккумулятору второй с точно таким же параметрами. Снова замкнём цепь. Приборы покажут, что и сила тока, и напряжение увеличились в 2 раза.

Если к 2 аккумуляторам добавить ещё один такой же, сила тока увеличится втрое, напряжение тоже утроится.

Вывод очевиден: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению, приложенному к концам проводника.

В нашем опыте величина сопротивления оставалась постоянной. Мы меняли лишь величину тока и напряжения на участке проводника. Оставим лишь один аккумулятор. Но в качестве нагрузки будем использовать спирали из разных материалов. Их сопротивления отличаются. Поочерёдно подключая их, также запишем показания приборов. Мы увидим, что здесь всё наоборот. Чем больше величина сопротивления, тем меньше сила тока. Сила тока в цепи обратно пропорциональна сопротивлению.

Итак, наш опыт позволил нам установить зависимость силы тока от величины напряжения и сопротивления.

Конечно, опыт Ома был другим. В те времена не существовало амперметров, и, чтобы измерить силу тока, Ом использовал крутильные весы Кулона. Источником тока служил элемент Вольта из цинка и меди, которые находились в растворе соляной кислоты. Медные проволоки помещались в чашки со ртутью. Туда же подводились концы проводов от источника тока. Проволоки были одинакового сечения, но разной длины. За счёт этого менялась величина сопротивления. Поочерёдно включая в цепь различные проволоки, наблюдали за углом поворота магнитной стрелки в крутильных весах. Собственно, измерялась не сама сила тока, а изменение магнитного действия тока за счёт включения в цепь проволок различного сопротивления. Ом называл это «потерей силы».

Но так или иначе эксперименты учёного позволили ему вывести свой знаменитый закон.

Закон Ома

Георг Симон Ом 

Закон Ома для полной цепи

Закон Ома

Между тем, формула, выведенная самим Омом, выглядела так:

Закон Ома 

Это не что иное, как формула закона Ома для полной электрической цепи: «Сила тока в цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешней цепи и внутреннего сопротивления источника».

В опытах Ома величина Х показывала изменение величины тока. В современной формуле ей соответствует сила тока I, протекающего в цепи. Величина а характеризовала свойства источника напряжения, что соответствует современному обозначению электродвижущей силы (ЭДС) ε. Значение величины l зависело от длины проводников, соединявших элементы электрической цепи. Эта величина являлась аналогией сопротивления внешней электрической цепи R. Параметр b характеризовал свойства всей установки, на которой проводился опыт. В современной обозначении это r – внутреннее сопротивление источника тока.

Как выводится современная формула закона Ома для полной цепи?

ЭДС источника равна сумме падений напряжений на внешней цепи (U) и на самом источнике (U1).

ε = U +U1.

Из закона Ома I = U/R следует, что U = I · R, а U1 = I · r.

Подставив эти выражения в предыдущее, получим:

ε = I · R + I · r = I · (R + r), откуда

Закон Ома 

По закону Ома напряжение во внешней цепи равно произведению силы тока на сопротивление. U = I · R. Оно всегда меньше, чем ЭДС источника. Разница равна величине U1 = I · r.

Что происходит при работе батарейки или аккумулятора? По мере того, как разряжается батарейка, растёт её внутренне сопротивление. Следовательно, увеличивается U1 и уменьшается U.

Полный закон Ома превращается в закон Ома для участка цепи, если убрать из него параметры источника.

Короткое замыкание

Закон Ома

А что произойдёт, если сопротивление внешней цепи вдруг станет равно нулю? В повседневной жизни мы можем наблюдать это, если, например, повреждается электрическая изоляция проводов, и они замыкаются между собой. Возникает явление, которое называется коротким замыканием. Ток, называемый током короткого замыкания, будет чрезвычайно большим. При этом выделится большое количество теплоты, которое может привести к пожару. Чтобы этого не случилось, в цепи ставят устройства, называемые предохранителями. Они устроены так, что способны разорвать электрическую цепь в момент короткого замыкания.

Закон Ома для переменного тока

В цепи переменного напряжения кроме обычного активного сопротивления встречается реактивное сопротивление (ёмкости, индуктивности).

Для таких цепей U = I · Z, где Z - полное сопротивление, включающее в себя активную и реактивную составляющие.

Но большим реактивным сопротивлением обладают мощные электрические машины и силовые установки. В бытовых приборах, окружающих нас, реактивная составляющая настолько мала, что её можно не учитывать, а для расчётов использовать простую форму записи закона Ома:

I = U/R

С помощью закона Ома можно рассчитать параметры любой электрической цепи.

Мощность и закон Ома

Закон Ома

Ом не только установил зависимость между напряжением, током и сопротивлением электрической цепи, но и вывел уравнение для определения мощности:

P = U · I = I2 · R

Как видим, чем больше ток или напряжение, тем больше мощность. Так как проводник или резистор не является полезной нагрузкой, то мощность, которая приходится на него, считается мощностью потерь. Она идёт на нагревание проводника. И чем больше сопротивление такого проводника, тем больше теряется на нём мощности. Чтобы уменьшить потери от нагревания, в цепи используют проводники с меньшим сопротивлением. Так делают, например, в мощных звуковых установках.

Вместо эпилога

Закон Ома

Небольшая подсказка для тех, кто путается и не может запомнить формулу закона Ома.

Разделим треугольник на 3 части. Причём, каким образом мы это сделаем, совершенно неважно. Впишем в каждую из них величины, входящие в закон Ома - так, как показано на рисунке.

Закроем величину, которую нужно найти. Если оставшиеся величины находятся на одном уровне, то их нужно перемножить. Если же они располагаются на разных уровнях, то величину, расположенную выше, необходимо разделить на нижнюю.

Закон Ома

Закон Ома широко применяется на практике при проектировании электрических сетей в производстве и в быту.