Закон Ома

Закон Ома является одним из фундаментальных законов электродинамики, определяющим взаимосвязь между напряжением (разностью потенциала на концах проводника), сопротивлением проводника и силой тока, текущего через проводник. Его важно знать и понимать. Не только, чтобы пилить анекдоты про него, но для того, чтобы иметь общее представление о фундаментальных законах природы.

Определение и формула

«Формулировка закона звучит так: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна его сопротивлению.»

Часто для понимания сути формулировки, используют подобную, очень иллюстративную, картинку.

Закон Ома, image #1

На ней изображено, как Вольт пытается пропихнуть Ампера через сужение, созданное коварным Омом, затягивающим свой канат всё туже и туже.

Математическая формулировка закона Ома для участка ц

епи, который не содержит ЭДС, выглядит так:

Внимание! Эта формула справедлива для постоянного тока, для переменного тока она имеет небольшие отличия, к этому вернемся позже
Внимание! Эта формула справедлива для постоянного тока, для переменного тока она имеет небольшие отличия, к этому вернемся позже

Здесь I — сила тока [А], U — напряжение [В], R — сопротивление [Ом]

Закон Ома для участка цепи применяют для расчёта сопротивления резистора на участке схемы, или определения тока через него при известном напряжении и сопротивлении. Например, у нас есть резистор сопротивлением 6 Ом, к его выводам приложено напряжение 12 В. Необходимо узнать, какой ток будет протекать через него.

Рассчитаем:I = 12В / 6Ом = 2А.

Вообще говоря, идеальный проводник не имеет сопротивления, однако оно возникает из-за структуры составляющего его вещества.

Известно, напряжение связано с энергией электрического тока Е через суммарную величину протекающего заряда q:

Закон Ома, image #3

Подставляя вместо U, согласно закону Ома, IR, и учитывая, что при I = const q = It, получаем соотношение:

Закон Ома, image #4

или, отбрасывая силу тока и время:

Закон Ома, image #5

Это отражает, что сопротивление связано с энергией, которую ток должен затратить, чтобы по проводу пройти.

В этом проявляется глубокая связь закона Ома с законом сохранения энергии. Прекрасно видно, что чем больше сопротивление участка цепи, тем сложнее току будет его пройти. Протекание тока приводит к диссипации энергии – её рассеянию в виде теплоты. При этом количество теплоты, выделяемой рассматриваемым участком цепи, определяется законом Джоуля-Ленца, математическая формулировка которого совпадает с полученным нами соотношением:

Закон Ома, image #6

Резюмируя сказанное, можно прийти к выводу, что наличие сопротивления приводит к энергопотерям, уменьшить которые можно, лишь уменьшая сопротивление.

Сопротивление проводника определяется его геометрией (длиной и поперечной площадью) и природой материала. Для сравнения различных веществ по способности сопротивляться току пользуются понятием «удельное сопротивление», которое, в отличии от обычного, от размеров проводника не зависит, и определяется только природой вещества (а еще, конечно, температурой и т.п). Удельное сопротивление является такой же важной характеристикой веществ, как и плотность, молярная масса и т. д.

Лично я в школе запоминал эту формулу так:«ролики на смазку»
Лично я в школе запоминал эту формулу так:«ролики на смазку»

Здесь ρ – удельное сопротивление, ℓ – длина проводника, а S – площадь его поперечного сечения. Подставляя в формулу размерности, выясняется, что ρ измеряется в Ом-метрах (Ом⋅м).

Измерение удельного сопротивления растворов (кондуктометрия) играет большую роль и в химических исследованиях. Кондуктометрия позволяет определять концентрации растворов электролитов, а с другой стороны, что важно при проведении фундаментальных исследований, выяснять, какое количество ионов образовалось при диссоциации того или иного соединения, определять константы диссоциации и т. п.

Среди простых веществ наименьшим удельным сопротивлением обладают металлы. Среди них лидируют серебро, медь, и алюминий.

Энергопотери возрастают при увеличении тока, как следует из формулы Джоуля-Ленца. Борьба с ними стала причиной перехода с алюминиевых проводов на медные в домашних электросетях. Удельное сопротивление меди (Ом на метр длины) почти в полтора раза меньше, чем алюминия. Соответственно, медные провода меньше нагреваются, выдерживают бóльшие токи, что позволяет, например, уменьшить площадь сечения провода.

Еще один пример: спирали нагревательных приборов и резисторов обладают большим удельным сопротивлением, так как изготавливаются из разных высокоомных сплавов, таких как нихром, кантал 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.

Закон Ома, image #8

Закон Ома для параллельной и последовательной цепи

В зависимости от типа соединения наблюдается разный характер протекания тока и распределения напряжений.

1) Последовательное соединение.

Закон Ома, image #9

Для участка цепи последовательного соединения элементов напряжение, ток и сопротивление находятся по формулам:

Закон Ома, image #10
Закон Ома, image #11
Закон Ома, image #12

Это значит, что в цепи из произвольного количества последовательно соединенных элементов везде протекает один и тот же ток. При этом напряжение, приложенное ко всем элементам (сумма падений напряжения), равно выходному напряжению источника питания. К каждому элементу в отдельности приложена своё напряжение, которое зависит от силы тока и сопротивления этого элемента :

Закон Ома, image #13

2) Параллельное соединение.

Закон Ома, image #14

Сила тока, напряжение и сопротивление для участка цепи с параллельно соединёнными элементами рассчитывается по формулам:

Закон Ома, image #15
Закон Ома, image #16
Закон Ома, image #17

Для смешанного соединения нужно приводить цепь к эквивалентному виду. Такая ситуация приведена на рисунке. Здесь имеются последовательно соединённые резисторы R1 и R2, параллельно соединённые R3 и R4, и последовательно соединённый R5. Чтобы найти полное сопротивление участка, можно предложить эквивалентную цепь из резисторов R12, R34 и R5. При этом:

R12 = R1 + R2 → 1/R34 = 1/R3 + 1/R4 → Rэ = R12 + R34 + R5

Закон Ома, image #18

Закон Ома для полной цепи

Полная цепь предполагает наличие источника питания. Идеальный источник питания – это прибор, который имеет единственную характеристику, а именно:

· 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 ещё и такие параметры, как мощность и внутреннее сопротивление, которое можно представить как воображаемый резистор, установленный последовательно с источником ЭДС.

Закон Ома, image #19

Закон Ома для полной цепи выглядит похоже на таковой для участка, но добавляется внутренне сопротивление источника питания. Для полной цепи он записывается формулой:

Закон Ома, image #20

Где ℰ – ЭДС, В; 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.

На этом у меня все! Учите физику – мать вашу!

509 views·6 shares