«Не знаешь Ома – сиди дома» — пословица старых электриков. Действительно, этот закон очень важен для понимания того, как связаны напряжение, ток и сопротивление, или проще говоря — от чего зависит ток и мощность нагрузки и как их рассчитать.
Для понимания этих базовых вещей нужно знать закон Ома для участка цепи и закон Ома для полной цепи. Главное различие между ними, что первый распространяется на отдельный участок или элемент и учитывает только его сопротивление и приложенное к нему напряжение, а второй учитывает и внутреннее сопротивление источника питания. Давайте разберёмся подробнее.
Закон Ома для участка цепи
Самый простой и всем известный со школы вариант — закон Ома для участка цепи. Его определение звучит следующим образом:
В виде формулы это выглядит так:
I=U/R,
где I — ток, U — напряжение, R— сопротивление.
То есть чтобы определить силу тока нужно знать напряжение на участке цепи (на элементе) и его сопротивление.
Напряжение на элементе равно произведению тока на сопротивление, то есть чтобы найти напряжение нужно знать ток в участке цепи и его сопротивление:
U=IR
Чтобы найти сопротивление по закону Ома, нужно знать напряжение и ток:
R=U/I
К сведению: правильнее говорить «падение напряжения», но для упрощения в разговорной речи говорят просто «напряжение на элементе» или «… на участке цепи».
Электрическое сопротивление измеряется в Омах, величина 1 Ом выражает такое сопротивление проводника, при котором по нему будет протекать ток в 1 ампер, если к нему приложить напряжение в 1 вольт.
Как запомнить эти формулы?
В виде формулы это выглядит так:
I=U/R,
где I — ток, U — напряжение, R— сопротивление.
То есть чтобы определить силу тока нужно знать напряжение на участке цепи (на элементе) и его сопротивление.
Напряжение на элементе равно произведению тока на сопротивление, то есть чтобы найти напряжение нужно знать ток в участке цепи и его сопротивление:
U=IR
Чтобы найти сопротивление по закону Ома, нужно знать напряжение и ток:
R=U/I
К сведению: правильнее говорить «падение напряжения», но для упрощения в разговорной речи говорят просто «напряжение на элементе» или «… на участке цепи».
Электрическое сопротивление измеряется в Омах, величина 1 Ом выражает такое сопротивление проводника, при котором по нему будет протекать ток в 1 ампер, если к нему приложить напряжение в 1 вольт.
Как запомнить эти формулы?
Для запоминания формул закона Ома есть удобная мнемоническая подсказка так называемый «треугольник Ома». В нём сверху размещена буква U, а снизу I и R. Как несложно догадаться, они обозначают напряжение, ток и сопротивление соответственно.
Для запоминания формул закона Ома есть удобная мнемоническая подсказка так называемый «треугольник Ома». В нём сверху размещена буква U, а снизу I и R. Как несложно догадаться, они обозначают напряжение, ток и сопротивление соответственно.
Как пользоваться треугольником? Всё просто — закройте пальцем величину, которую нужно найти, а оставшиеся не закрытыми буквы нужно умножить или разделить друг на друга, что подробно проиллюстрировано ниже.
Есть еще одна шпаргалка в виде круга разделенного на сегменты, где перечислены все необходимые формулы, кроме перечисленных выше, добавлены и формулы для вычисления мощности.
Примеры
Итак, чтобы научиться рассчитывать напряжение на участке цепи, решим простенькую задачу. У нас есть цепь, состоящая из 3 резисторов и идеального источника с напряжением 12В постоянного тока. Пусть участком цепи у нас будет резистор R2, найдём напряжение на нём.
Дано:
U= 12 В;
R1= 1 кОм;
R2= 2 кОм;
R3= 3 кОм;
Найти:
I — ?;
U(R2) — ?;
По закону Ома чтобы найти напряжение нужно знать ток через участок цепи и его сопротивление.
U=IR
Последнее у нас известно, поэтому нужно найти ток в цепи, элементы соединены последовательно, поэтому ток через каждый из них одинаков, и чтобы найти его силу — нужно сначала найти общее сопротивление всех элементов, но сначала переведём его в Омы:
R1 = 1 кОм = 1000 Ом; R2 = 2 кОм = 2000 Ом; R3 = 3 кОм = 3000 Ом.
Теперь найдём общее сопротивление:
Rобщ=R1+R2+R3=1000+2000+3000= 6000 Ом
Тогда ток в цепи равен:
I= U/R = 12/6000 = 0,002 А
И наконец падение напряжения на резисторе R2:
U(R2) = I*U(R2) = 0,002*2000=4В
Итого, на выводах резистора R2 будет 4 вольта.
Закон Ома для полной цепи
Определение закона Ома для полной цепи вы видите ниже, жирным выделено основное отличие от закона для участка цепи.
В формуле добавляется внутреннее сопротивление источника питания, а напряжение заменяется на ЭДС:
I=E/(R+r),
где I – ток, E – ЭДС, R – сопротивление, r- внутреннее сопротивление источника.
Внутреннее сопротивление источника обуславливается его устройством, например, сечением вторичной обмотки трансформатора, химическим составом, степенью заряда и состоянием электродов аккумуляторов и батареек и так далее. На схеме условно рисуется в виде резистора внутри источника, но на самом деле никакого «внутреннего» или «скрытого» сопротивления там нет, как было отмечено выше.
Почему важно учитывать внутреннее сопротивление источника? Всё очень просто — вы замечали, как погасают лампочки в автомобиле, когда стартер запускает двигатель? Это происходит из-за просадок на проводах и в аккумуляторе от высоких пусковых токов. В принципе, подобное мы наблюдаем, когда лампы накаливания «просаживаются» по яркости во время пуска мощной нагрузки, например, электродвигателей.
Примеры
Давайте проанализируем, как влияет внутреннее сопротивление источника на напряжение нагрузки. Допустим, что у нас есть какой-то источник с внутренним сопротивлением (r) в 1 Ом и ЭДС (E) в 12 Вольт. И есть 3 разных нагрузки, с сопротивлением (R) каждой из них: 10, 5 и 1 Ом соответственно. Нагрузку будем подключать по очереди, по одной для каждого расчета.
Рассчитаем ток первой нагрузки:
I1=E/(R1+r)=12/(10+1)=1.09 А
Рассчитаем напряжение на нагрузке:
U1=I1*R1=1.09*10=10.9 В
Сразу видим, что на нагрузке уже не 12, а 10 вольт, посчитаем другие варианты:
Рассчитаем ток второй нагрузки:
I2=E/(R2+r)=12/(5+1)=2 А
Рассчитаем напряжение на нагрузке:
U2=I2*R2=2*5=10 В
Рассчитаем ток третей нагрузки:
I3=E/(R3+r)=12/(1+1)=6 А
Рассчитаем напряжение:
U3=I3*R3=6*1=6 В
Как вы можете видеть на внутреннем сопротивлении падает какое-то напряжение, и падение напряжение прямо пропорционально току нагрузки. При этом до нагрузки доходит всё меньше и меньше напряжения.
Сделаем то же самое, но для источника с внутренним сопротивлением 0.1 Ома. Рассчитаем ток первой нагрузки:
I1=E/(R1+r)=12/(10+0,1)=1.18 А
Рассчитаем напряжение:
U1=I1*R1=1.18*10=11.8 В
Ток второй нагрузки:
I2=E/(R2+r)=12/(5+0,1)=2,35 А
Рассчитаем напряжение на нагрузке:
U2=I2*R2=2,35*5=11.75 В
Рассчитаем ток третей нагрузки:
I3=E/(R3+r)=12/(1+0,1)=10,9 А
Рассчитаем напряжение:
U3=I3*R3=10,9*1=10,9 В
Для удобства соберем все результаты расчётов в одну таблицу.
Из таблицы мы видим, что чем меньше внутреннее сопротивление источника — тем меньше просаживается напряжение под нагрузкой.
Заключение
Георг Симон Ом жил в 1786-1854 годах, в 1826 году вывел теоретически и подтвердил с помощью опытов закон выражающий связь напряжения, тока и сопротивления. Этот закон назвали в честь открывателя — законом Ома, а также единицу измерения электрического сопротивления.
Закон Ома — один из важнейших и основополагающих в электротехнике, он широко используется при расчетах электрических схем.
Пишите в комментариях, понравился ли вам такой формат теоретической статьи и какие статьи хотите увидеть в будущем?
