Закон Ома: его суть и что из него действительно необходимо электрику

Знать закон Ома электрику просто необходимо. Но и не только ему. Без знания его основ не обойдется, например и электронщик. Потому что и ему в своей работе приходится производить ремонт, настройку и наладку как электрических, так и электронных схем.

В принципе, необходимость знания данного закона не стоит ограничивать кругом только тех лиц, которые профессионально соприкасаются с электричеством. Электрикой в той или иной мере занимается каждый из нас, производя какой-то бытовой ремонт (причем данный факт довольно распространен в России). Поэтому закон этот, – хотя бы в общих его чертах, – следует знать каждому культурному человеку.

В сегодняшней статье мы напомним основные моменты закона Ома. Причем мы не станем залезать в теоретические глубины. А ограничимся только тем, что действительно может понадобиться человеку, сталкивающемуся с электрикой.

Ток, напряжение и сопротивление цепи: что это такое?

Ток, напряжение и сопротивления – это, пожалуй, самые главные понятия, используемые в законе Ома. Причем для их обозначения используются, как правило, следующие латинские буквы:

• R – величина сопротивления (измеряется в омах, Ом);
• U – величина напряжения (измеряется в вольтах, В);
• I – сила тока (единица измерения –амперы, А).

Чтобы все было ясно с этими понятиями из курса школьной физики, дадим небольшое пояснение.

Итак, начнем, пожалуй, с того, что поясним, что такое цепь. Электрическая цепь возникает тогда, когда образуется проводящий путь для электрического заряда. Причем заряд в ней перемещается постоянно. Этот процесс его непрерывного перемещения по проводникам, входящим в состав цепи, и называют током. Часто его сравнивают с потоком воды, которая течет в полой трубе.

Силу или своего рода «насос», заставляющий частиц-носителей заряда (то есть электроны) передвигаться по цепи, называют напряжением. Оно представляет собой определенный потенциал или меру потенциальной энергии. Причем этот потенциал всегда относителен и существует только между двумя различными точками.

Если мы упоминаем какую-то величину напряжения, действующего в электрической сети, то мы всегда понимаем под этим определенную потенциальную энергию. То есть ту энергию, которая заставляет перемещаться носителей заряда (электроны) из одной точки цепи в другую конкретную точку. Если конкретных точек не упоминать, то термин «напряжение» утрачивает свой смысл.

Проходя через проводники, ток, как правило, сталкивается с некоторым трением или, иначе говоря, противодействием своему движению. Данное противодействие получило название сопротивления.

Итак, мы дали краткое объяснение основных понятий. Поэтому теперь вполне можно переходить и к основному вопросу нашей статьи.

Читайте также Самые частые ошибки, совершаемые начинающими электриками

В чем состоит значимость закона Ома и его основная суть

Автором этого закона, а точнее его первооткрывателем является немецкий физик Георг Симон Ом. Причем открыл он его более двух веков тому назад. А точнее – в 1826 году.

Формулировку этого закона помнят, пожалуй, многие еще из школьного курса физики. В ней констатируются, в частности, сразу две пропорциональные зависимости:

• во-первых, прямая – сила тока прямо пропорциональна напряжению в своем участке цепи;
• во-вторых, обратная – сила тока обратно пропорциональна величине сопротивления в своей цепи.

Но это только лишь суть определения закона. Из него вытекают два важных следствия:

1. Чем больше напряжение в участке цепи, тем больше и сила тока в нем.
2. Чем больше величина сопротивления участка цепи, тем меньше окажется сила протекающего там тока.

Значимость выявления закономерностей, установленных данным законом, для науки очень и очень велика. Потому что в результате ученые и практики получили возможность количественного измерения электрического тока.

Чтобы лучше уловить суть данного вопроса, советуем вам посмотреть следующий видеоролик. Там на примере воды, текущей из бачка по трубам, довольно понятно раскрывается действие этого важного закона физики.

Закон Ома и варианты расчетов для отдельного участка и для полной электрической цепи

Если рассматривать электрическую цепь, применяя к ней закон Ома, то можно вычленить два варианта расчетов:

• в отдельном участке цепи;
• в полноценной схеме.

Рассмотрим поочередно оба этих варианта.

Расчет тока в отдельном участке электрической схемы

Если речь идет об участке электрической цепи, то, как правило, исключают источник ЭДС. То есть не принимают во внимание то дополнительное внутреннее сопротивление, которое в нем имеется. В результате расчетная формула для данного варианта очень проста и выглядит следующим образом:

I = U / R

Значение использованных символов мы уточнять не будем. Потому что каждый из вас это, пожалуй, помнит. Более того, мы об этом говорили немного раньше.

Трактовать приведенную выше формулу можно очень просто. Причем совершенно также, как мы это уже сделали в первом нашем разделе:

Сила тока в участке цепи пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна величине сопротивления.

Формула очень четко описывает взаимозависимость параметров участка цепи. В результате ее удобно использовать, чтобы рассчитать величину необходимых характеристик. Например, можно без труда вычислить размер впаиваемого в схему сопротивления, если параметры напряжения и тока уже заданы.

Если воспользоваться приведенным выше рисунком, то можно без труда вычислить, например, силу тока, который протекает через 5-омное сопротивление, находящееся под напряжением 12 вольт. Расчет сложным совсем не является. Причем производится он путем обычной подстановки соответствующих значений. В результате тока оказывается равным:

I = 12/5 = 2,4 ампера

Аналогичным образом можно решить задачу по поиску напряжения (если известны величины тока и сопротивления) или сопротивления (если известны параметры напряжения и тока). Это позволяет без малейшего труда подобрать или нужную величину рабочего напряжения, или необходимую силу тока, или оптимальные параметры резистивного элемента.

Пожалуй, понятно, что в любой схеме провода играют роль сопротивлений. Размер нагрузки, которая на них приходится, определяется уровнем напряжения. Следовательно, благодаря закону Ома, можно подобрать необходимое сечение проводника.

Конечно, делать это необходимо, отталкиваясь от свойств того материала, из которого изготовлена жила. То есть учитывая удельную проводимость этих материалов.

Читайте также Решил заняться электрикой – узнай, как при этом не наломать дров!

Закон Ома и расчет по нему для полной цепи

В отличие от участка цепи, полноценная электрическая цепь включает в себя, как правило:

• один или несколько участков;
• источник питания или, иначе говоря, источник ЭДС (электродвижущей силы) Это может быть, к примеру, обычная батарейка.

То есть резистивный компонент, имеющийся в участке цепи, дополняется внутренним сопротивлением источника ЭДС. В результате приведенную выше формулу необходимо изменить следующим образом:

I = U / (R + r)

В принципе, значение сопротивления источника ЭДС ничтожно мало. Хотя и не всегда. Потому что оно определяется внутренней структурой самого источника. Но даже если это сопротивление очень невелико, оно может играть довольно большую роль. Особенно если в состав электрической цепи входит большое количество проводников.

Как правило, включение в цепь внутреннего сопротивления источника оказывается последовательным. В результате схематично это можно представить следующим образом:

Все, что мы изложили выше, полностью применимо только для тех случаев, когда в цепи протекает постоянный ток. Если же ток переменный, то в действии закона Ома возникают некоторые особенности.

Как работает закона Ома в цепях переменного тока

Если в цепи протекает переменный ток, то оперировать понятием «сопротивление» больше не стоит. Потому что лучше для этих условий подойдет понятие «импеданс». А оно, в частности, подразумевает сочетание двух нагрузок:

• во-первых, резистивной (R_a);
• во-вторых, реактивной (R_r).

В основе подобных явлений лежат как параметры индуктивных элементов, так и законы коммутации, свойственные для переменной величины напряжения и для синусоидальной величины тока.

Таким образом, эквивалентную схему электрической цепи в данном случае можно представить следующим образом:

В подобной цепи значения напряжения и тока как бы сдвинуты относительно друг друга. В результате возникают два новых вида мощности – активная (резистивная) и реактивная (емкостная или индуктивная).

Для расчета данных явлений, как правило, используют следующую формулу:

Z = U / I или Z = R + J × (XL — XC)

Причем используемые в этой формуле символы имеют следующее значение:

• Z – импеданс;
• R, XC и XL – нагрузки, соответственно – активная, емкостная и индуктивная;
• J – коэффициент.

Нюансы, связанные с последовательным и параллельным подключением элементов

В принципе, всем нам известно, что элементы электрической цепи можно подключать как последовательно, так и параллельно. Но при каждом виде подключения возникают некоторые особенности, связанные с током и напряжением. В результате применение закона Ома в этих случаях различно.

Цепи с последовательно подключенными резистивными элементами

Если в цепи используется последовательное соединение элементов, то для нее справедливы следующие формулировки:

• R = R₁+ R₂;
• U = U₁+ U₂;
• I = I₁= I₂.

Из приведенных выше выражений можно без труда понять, что ток в участке цепи с последовательным подключением элементов остается неизменным. Причем он не зависит от числа имеющихся резистивных компонентов.

Такой участок цепи с присущими ему характеристиками можно представить в виде следующей схемы:

Как мы уже отметили, величина напряжения, прикладываемого ко всем имеющимся резистивным элементам, представляет собой сумму напряжений на каждом из них. Более того, общее напряжение, в принципе, равно величине ЭДС источника питания.

Если же говорить о напряжении, приложенном к каждому отдельному элементу, то вычислить его можно по следующей формуле:

U_Х = I × R_Х

Общее сопротивление участка цепи определяется как сумма номиналов всех имеющихся резистивных элементов. То есть пользоваться следует формулой, которую мы привели в самом начале данного раздела.

Цепи с параллельно подключенными резистивными элементами

Если взять участок цепи с параллельно подключенными резистивными элементами, то в результате, в соответствии с законом Ома, получим следующее соотношение присущих ему характеристик:

• 1 / R = 1 / R₁+ 1 / R₂ + …
• U = U₁= U₂ …
• I = I₁+ I₂ …

Такой участок цепи с присущими ему характеристиками можно представить в виде следующей схемы:

Цепи со смешанным подключением резистивных элементов

Нельзя забывать и о том, что участки электрической цепи могут иметь смешанный вид. То есть они могут иметь в своем составе совокупность параллельных и последовательных соединений.

Чтобы рассчитать резистивный номинал подобного участка цепи, во-первых, определяют резистивный номинал параллельного соединения. Далее к полученной величине добавляют сумму номиналов резисторов, подключенных последовательно.

Читайте также Зачем нужны электрику стриппер и кримпер и что это за инструменты

Как на практике можно использовать последовательные и параллельные соединения

В принципе, теорию знать вообще-то неплохо. Но как теория может помогать практике? Попытаемся разобраться.

В принципе, параллельным или последовательным может быть соединение элементов любого типа. Однако в нашем случае мы ограничились только простейшими формулами. То есть такими, которые характеризуют линейные элементы. К таким элементам относятся, в частности, резисторы. Поэтому первый пример приведем именно для резисторов.

Первый пример

Вполне может случиться, например, что у вас под рукой отсутствует нужный резистор большого номинала. Однако вы располагаете несколькими более мелкими сопротивлениями. Чтобы найти нужное решение и построить нужную цепь, вы вполне можете последовательно соединить несколько маленьких резисторов.

В принципе, приведенный пример является вполне жизненным. И им вполне можно воспользоваться на практике.

Второй пример

Теперь приведем другой пример, но с батарейками. Оказывается, срок жизни этих элементов питания вполне можно продлить. Решение этой задачи – их параллельное соединение. В соответствии с законом Ома, напряжение в этом случае останется неизменным. Чтобы проверить этот факт, вы всегда можете произвести замер с помощью мультиметра.

Однако к данному примеру нужно сделать маленькое уточнение. Это на тот случай, если вы решите им воспользоваться.

Параллельно можно соединять только те источники питания, у которых потенциал совершенно одинаков.

Если же попробовать соединить батарейки с разными зарядами, то элемент с более высоким потенциалом начнет заряжать разряженную батарейку. Их общий потенциал будет в результате значительно меньшим.

Закон Ома в интегральном и дифференциальном виде

Изложенные выше моменты и формулы справедливы только для таких случаев, когда электрическая схема включает в себя лишь проводники одного типа и одной структуры. То есть когда она является однородной.

Однако на практике зачастую встречаются такие схемы, где структура проводников на разных участках различна. Например, может меняться сечение проводов. Или могут применяться проводники, изготовленные из различных материалов.

Чтобы учесть существующие различия, применяют закон Ома в интегрально-дифференциальном виде. Величину плотности тока в бесконечно малом проводнике рассчитывают, как правило, принимая во внимание напряженность и уровень удельной проводимости.

При дифференциальных расчетах используют, как правило, формулу:

J = ό × E

Если речь идет об интегральном расчете, то используемая формула имеет следующий вид:

I × R = φ1 – φ2 + έ

Однако в практической работе обычного электрика подобные вычисления обычно не встречаются. Потому что они, пожалуй, относятся к разделу высшей математики или физики.

Заключение и полезное видео

Чтобы вы могли лучше понять изложенное выше, мы рекомендуем вам посмотреть следующий видеоролик:

Итак, пожалуй, всем понятно, что в ходе своей работы с проявлениями закона Ома постоянно сталкивается все люди, работающие с элементами электрической сети. В результате для них данный физический закон является своего рода прописной истиной, которую надо уметь правильно использовать. Причем особенно глубоких знаний, как, например, для ученого или студента, при этом не требуется. Потому что для практической работы вполне достаточно хорошо знать только основные вариации его формулировки.