Закон Ома
Закон Ома – полученный экспериментальным путём закон, который устанавливает связь силы тока в проводнике с напряжением на концах проводника и его сопротивлением, был открыт в 1826 году немецким физиком-экспериментатором Георгом Омом.
Строгая формулировка закона Ома может быть записана так: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах (разности потенциалов) и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника.
Формула закона Ома записывается в следующем виде:
где:
I – сила тока в проводнике, единица измерения силы тока – ампер [А];
U – электрическое напряжение (разность потенциалов), единица измерения напряжения- вольт [В];
R – электрическое сопротивление проводника, единица измерения электрического сопротивления – ом [Ом]
Электрическая цепь
Чтобы лучше понять смысл закона Ома, нужно представлять, как устроена электрическая цепь.
Что 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.
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
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 (последовательно). Снова замкнём цепь. Приборы покажут, что и сила тока, и напряжение увеличились в 2 раза.
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.
Шпаргалка для запоминания
Существует мнемоническое правило для запоминания этого закона, которое можно назвать треугольник Ома. Изобразим все три характеристики (напряжение, сила тока и сопротивление) в виде треугольника. В вершине которого находится напряжение, в нижней левой части – сила тока, а в правой – сопротивление.
Правило работы такое: закрываем пальцем величину в треугольнике, которую нужно найти, тогда две оставшиеся дадут верную формулу для поиска закрытой.
Для наглядного объяснения своего закона Георг Ом течение тока сравнивал с течением воды по трубе, чем тоньше труба – тем больше сопротивление и меньше ток. Чем больше воды подаётся в трубу, тем выше ток.
Мне нравится такое сравнение как на картинке ниже:
Короткое замыкание
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
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.
Движение тока в цепи постоянного тока
Считалось, что ток движется от + к – до тех пор, пока не открыли электрон. Оказалось, что электроны двигаются от минуса к плюсу. Решили оставить предположение как есть. Путаницу может внести и то, что, если в металлах двигаются отрицательно заряженные электроны, то в электролитах присутствуют и положительные ионы, и отрицательные.
