Определение закона Ома

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 ключевых формулировки закона Ома:

1. Используется для расчетов в конкретной части цепи: «Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению».
2. 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».
3. 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.

Математическую взаимосвязь между напряжением, током, сопротивлением показывают с помощью треугольника Ома. Вверху находится сопротивление, а внизу — ток и напряжение.

Eirik / Public Domain / Wikipedia📷Диаграмма, которая поможет запомнить закон Ома

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 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.

Задачи на закон Ома

1. Если через резистор с сопротивлением 5 Ом протекает ток 2 А, то каким на нем будет напряжение?
2. Источник электромагнитного поля 8 В подключен к лампочке. Электрический ток 2 А протекает через него. Рассчитайте сопротивление электроприбора.
3. 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:

1. 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.
2. 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.
3. 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.

Читайте также:

Рябков предупредил об опасности обмена ядерными ударами с США
Ламбсдорфф — РБК: «Есть надежда, что ситуация начнет улучшаться»
Силы ПВО сбили украинские беспилотники на подлете к Сочи