Определение закона Ома
. Формулы, задачи с решением, применение
Резисторы
Работа простых бытовых устройств и сложных промышленных установок строится на фундаментальных принципах физики, которые объясняют, как ток взаимодействует с окружающей средой. Один из таких законов стал основой для понимания электрических процессов. РБК Life вместе с преподавателями разобрался, как звучит закон Ома, в каких областях он применяется и как решать задачи с его помощью.
Определение закона Ома
Закон Ома — это фундаментальный физический закон. Он показывает зависимость между силой тока и напряжением и звучит так: «Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению». Закон действует, когда температура и другие показатели окружающей среды постоянны [1].
Закон Ома назван так в честь его первооткрывателя, немецкого физика Георга Ома. В начале 1800-х он проводил эксперименты с электромагнитной силой и потоком электричества через провода различной длины. Батареи в то время были слабыми и разряжались в течение нескольких минут, что осложняло исследования ученого. Но благодаря настойчивости Ом сумел сделать важные выводы. В 1827 году он опубликовал их в брошюре «Гальванические цепи, обработанные математически».
Научный мир холодно принял работу физика, коллеги его не поддержали. Это стало причиной увольнения Ома из колледжа в Кельне. Ежегодно он отправлял прошения королю Баварии, чтобы получить новую должность, и только через шесть лет, в 1833 году, стал профессором Политехнической школы в Нюрнберге. В 1841 году Ом был награжден высшей наградой Английского Королевского общества, медалью Копли, за исследования законов электрических токов [2].
Сколько законов Ома существует
Существует три ключевые формулировки закона Ома:
- Используется для расчетов в конкретной части цепи: «Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению».
- Рассматривает всю цепь целиком, включая источник: «В полной электрической цепи сила тока определяется отношением электродвижущей силы ко всей сумме сопротивлений: внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления цепи».
- Работает для замкнутой цепи: «Сила тока в замкнутой цепи равна отношению электродвижущей силы ко всей сумме сопротивлений цепи, включая внутреннее сопротивление источника и внешние сопротивления».
Закон Ома для участка цепи
Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Математически закон выражается формулой: I = U/R.
Для учеников придумали стишок, с помощью которого легко запомнить закон Ома: «Знает каждый инженер — сила тока U на R». Формула закона Ома для участка цепи записывается I = U/R (I — сила тока (амперы), U — напряжение (вольты), R — сопротивление (омы) ). Чем больше напряжение, тем больше и сила тока, и чем больше сопротивление, тем меньше сила тока.
Математическую взаимосвязь между напряжением, током, сопротивлением показывают с помощью треугольника Ома. Вверху находится сопротивление, а внизу — ток и напряжение.
Диаграмма, которая поможет запомнить закон Ома
Когда я рассказываю о «волшебном треугольнике», то прошу детей закрыть глаза и представить бойцовский ринг, где есть два главных соперника — ток I и сопротивление R. Чем больше сопротивление, тем меньше сила тока, и наоборот — чем больше сила тока, тем «слабее» сопротивление. Третий участник боя, который просто наблюдает — это судья, то есть напряжение U. Как работает этот треугольник? Если закрыть рукой одну из физических величин, то сразу видно формулу, как ее найти. Например, прячем R, значит R = U/I. И так далее.
Закон Ома применим для расчета токов и напряжений в простой цепи или ее отдельной части. Например, он позволяет понять, какой ток будет протекать через резистор при заданном напряжении. Но такую формулу нельзя применять для нелинейных элементов (диодов, транзисторов) [3].
Закон Ома для участка цепи не универсальный, но работает во многих случаях. Используют его для определения напряжения, когда известны ток и сопротивление этого самого участка. Закон говорит нам, что напряжение прямо пропорционально силе тока и сопротивлению, то есть: чем больше сопротивление или ток, тем больше нужно «напрячься».
Закон Ома для полной цепи
Сила тока в полной цепи равна отношению электродвижущей силы (E) источника к сумме внешнего и внутреннего сопротивлений: I = E/R + r.
Закон Ома для полной цепи описывает, как рассчитывать ток, протекающий через всю электрическую цепь, включая внешнее сопротивление ® и внутреннее сопротивление источника ®. Он используется для расчетов цепей, где источник имеет заметное внутреннее сопротивление, и помогает точно учитывать реальное поведение цепи.
Закон Ома для замкнутой цепи
Сила тока в замкнутой цепи равна отношению электродвижущей силы (E) ко всей сумме сопротивлений цепи, включая внутреннее сопротивление источника ® и внешние сопротивления (R1, R2, R3…): I = E/ΣR + r.
Закон Ома для замкнутой цепи помогает определить ток, протекающий через сложную цепь, состоящую из источника тока и всех подключенных внешних элементов. Он обобщает расчет на любые замкнутые контуры.
Применение закона Ома
Закон Ома применяется во всех областях, где речь идет об электрическом токе. Например:
- тепловые и световые приборы, электроника. Закон помогает рассчитать оптимальное сопротивление, чтобы не сгорели важные элементы. Чем больше будет сила тока, тем выше будет и температура. Например, блок питания для телефона устроен так, чтобы понижать напряжение с 220 вольт до 5 вольт. В противном случае сила тока убила бы батарею телефона;
- транспорт. Внутри автомобиля, поезда, самолета, даже космического корабля есть приборы, работа которых возможна благодаря закону Ома;
- строительство и ремонт. Закон Ома нужен при проектировании проводки в новых зданиях и при ремонте квартиры. Он помогает мастерам рассчитать, сколько розеток установить в комнате для бесперебойной работы сети.
Можно ли включать в одну розетку мультиварку, фен и утюг? Многие находят ответ на этот вопрос благодаря опыту, причем не всегда удачному — выбитые пробки, неисправная розетка, а то и обгоревший провод в стене. Закон Ома помогает избежать таких неприятностей. Правда, еще понадобится мультиметр, но сейчас его легко приобрести на любом маркетплейсе.
Интересный случай проявления закона Ома — это короткое замыкание. Когда сопротивление участка электрической цепи стремится к нулю, а сила тока по формуле увеличивается и стремится к бесконечности. Так, например, если вы посмотрите в электрический щиток, то сможете увидеть автоматические выключатели. Они рассчитаны на определенную силу тока (например, автомат С10, который устанавливают на освещение, рассчитан на силу тока 10 ампер). Если где-то в цепи освещения произойдет короткое замыкание, то автомат сработает и отключит всю цепь освещения. Короткое замыкание опасно, когда нет защитных устройств. Но в тоже время, используя принцип короткого замыкания, можно провести опыт и с помощью обычной батарейки и полоски фольги добыть огонь.
Задачи на закон Ома
- Если через резистор с сопротивлением 5 Ом протекает ток 2 А, то каким на нем будет напряжение?
- Источник электромагнитного поля 8 В подключен к лампочке. Электрический ток 2 А протекает через него. Рассчитайте сопротивление электроприбора.
- Источник постоянного тока с ЭДС E = 12 В, внутреннее сопротивление r = 0,5 Ом. Источник замкнут на внешнее сопротивление R = 5,5 Ом. Определить силу тока в цепи.
Решение:
- Для решения задачи воспользуемся формулой закона Ома, которую мы вычислили с помощью треугольника Ома: U = IR. U = 5 Ом ∗ 2 А = 10 В. Ответ: напряжения в резисторе будет равно 10 В.
- Когда нас просят определить значение сопротивления при знании значений напряжения и тока, мы «закрываем» R в треугольнике. Получается формула: R = U/I. R = 8 В / 2 А = 4 Ом. Ответ: сопротивление электроприбора равно 4 Ом.
- По закону Ома для замкнутой цепи формула расчета I = E/ (R + r). I = 12 В / (5,5 Ом + 0,5 Ом) = 2 А. Ответ: сила тока в цепи равна 2 А.
