Закон Ома для участка цепи
Основным законом электротехники, при помощи которого можно изучать и рассчитывать электрические цепи, является закон Ома, устанавливающий соотношение между током, напряжением и сопротивлением. Необходимо отчетливо понимать его сущность и уметь правильно пользоваться им при решении практических задач. Часто в электротехнике допускаются ошибки из-за неумения правильно применить закон Ома.
Закон Ома для участка цепи гласит: ток прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.
Если увеличить в несколько раз напряжение, действующее в электрической цепи, то ток в этой цепи увеличится во столько же раз. А если увеличить в несколько раз сопротивление цепи, то ток во столько же раз уменьшится. Подобно этому водяной поток в трубе тем больше, чем сильнее давление и чем меньше сопротивление, которое оказывает труба движению воды.
В популярной форме этот закон можно сформулировать следующим образом: чем выше напряжение при одном и том же сопротивлении, тем выше сила тока и в то же время чем выше сопротивление при одном и том же напряжении, тем ниже сила тока.
Чтобы выразить закон Ома математически наиболее просто, считают, что сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В проходит ток 1 А, равно 1 Ом.
Ток в амперах можно всегда определить, если разделить напряжение в вольтах на сопротивление в омах. Поэтому закон Ома для участка цепи записывается следующей формулой:
Любой участок или элемент электрической цепи можно охарактеризовать при помощи трёх характеристик: тока, напряжения и сопротивления.
Как использовать треугольник Ома: закрываем искомую величину — два других символа дадут формулу для её вычисления. Кстати, законом Ома называется только одна формула из треугольника – та, которая отражает зависимость тока от напряжения и сопротивления. Две другие формулы, хотя и являются её следствием, физического смысла не имеют.
Расчеты, выполняемые с помощью закона Ома для участка цепи, будут правильны в том случае, когда напряжение выражено в вольтах, сопротивление в омах и ток в амперах. Если используются кратные единицы измерений этих величин (например, миллиампер, милливольт, мегаом и т. д.), то их следует перевести соответственно в амперы, вольты и омы. Чтобы подчеркнуть это, иногда формулу закона Ома для участка цепи пишут так:
Можно также рассчитывать ток в миллиамперах и микроамперах, при этом напряжение должно быть выражено в вольтах, а сопротивление — в килоомах и мегаомах соответственно.
Другие статьи про электричество в простом и доступном изложении:
Закон Ома справедлив для любого участка цепи. Если требуется определить ток в данном участке цепи, то необходимо напряжение, действующее на этом участке (рис. 1), разделить на сопротивление именно этого участка.
Рис 1. Применение закона Ома для участка цепи
Приведем пример расчета тока по закону Ома . Пусть требуется определить ток в лампе, имеющей сопротивление 2,5 Ом, если напряжение, приложенное к лампе, составляет 5 В. Разделив 5 В на 2,5 Ом, получим значение тока, равное 2 А. Во втором примере определим ток, который будет протекать под действием напряжения 500 В в цепи, сопротивление которой равно 0,5 МОм. Для этого выразим сопротивление в омах. Разделив 500 В на 500 000 Ом, найдем значение тока в цепи, которое равно 0,001 А или 1 мА.
Часто, зная ток и сопротивление, определяют с помощью закона Ома напряжение. Запишем формулу для определения напряжения
Из этой формулы видно, что напряжение на концах данного участка цепи прямо пропорционально току и сопротивлению . Смысл этой зависимости понять нетрудно. Если не изменять сопротивление участка цепи, то увеличить ток можно только путем увеличения напряжения. Значит при постоянном сопротивлении большему току соответствует большее напряжение. Если же надо получить один и тот же ток при различных сопротивлениях, то при большем сопротивлении должно быть соответственно большее напряжение.
Напряжение на участке цепи часто называют падением напряжения . Это нередко приводит к недоразумению. Многие думают, что падение напряжения есть какое-то потерянное ненужное напряжение. В действительности же понятия напряжение и падение напряжения равнозначны. Потери и падение напряжения — в чем различие?
Падение напряжения — постепенное падение потенциала вдоль цепи, по которой течет ток, обусловленное тем, что цепь обладает активным сопротивлением. По закону Ома падение напряжения в каком-либо участке цепи U равно произведению сопротивления этого участка цепи R на силу тока в нем I , т. е. U — RI. Таким образом, чем больше сопротивление участка цепи, тем больше падение напряжения в этом участке цепи при данной силе тока.
Расчет напряжения с помощью закона Ома можно показать на следующем примере. Пусть через участок цепи с сопротивлением 10 кОм проходит ток 5 мА и требуется определить напряжение на этом участке.
Умножив I = 0,005 А на R — 10 000 Ом, получим напряжение,равное 5 0 В. Можно было бы получить тот же результат, умножив 5 мА на 10 кОм: U = 50 В
В электронных устройствах ток обычно выражается в миллиамперах, а сопротивление — в килоомах. Поэтому удобно в расчетах по закону Ома применять именно эти единицы измерений.
По закону Ома рассчитывается также сопротивление, если известно напряжение и ток. Формула для этого случая пишется следующим образом: R = U/I.
Сопротивление всегда представляет собой отношение напряжения к току. Если напряжение увеличить или уменьшить в несколько раз, то ток увеличится или уменьшится в такое же число раз. Отношение напряжения к току, равное сопротивлению, остается неизменным.
Не следует понимать формулу для определения сопротивления в том смысле, что сопротивление данного проводника зависит оттока и напряжения. Известно, что оно зависит от длины, площади сечения и материала проводника. По внешнему виду формула для определения сопротивления напоминает формулу для расчета тока, но между ними имеется принципиальная разница.
Ток в данном участке цепи действительно зависит от напряжения и сопротивления и изменяется при их изменении. А сопротивление данного участка цепи является величиной постоянной, не зависящей от изменения напряжения и тока, но равной отношению этих величин.
Когда один и тот же ток проходит в двух участках цепи, а напряжения, приложенные к ним, различны, то ясно, что участок, к которому приложено большее напряжение, имеет соответственно большее сопротивление.
А если под действием одного и того же напряжения в двух разных участках цепи проходит различный ток, то меньший ток всегда будет на том участке, который имеет большее сопротивление. Все это вытекает из основной формулировки закона Ома для участка цепи, т. е. из того, что ток тем больше, чем больше напряжение и чем меньше сопротивление.
Расчет сопротивления с помощью закона Ома для участка цепи покажем на следующем примере. Пусть требуется найти сопротивление участка, через который при напряжении 40 В проходит ток 50 мА. Выразив ток в амперах, получим I = 0,05 А. Разделим 40 на 0,05 и найдем, что сопротивление составляет 800 Ом.
Закон Ома можно наглядно представить в виде так называемой вольт-амперной характеристики . Как известно, прямая пропорциональная зависимость между двумя величинами представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Такую зависимость принято называть линейной .
На рис. 2 показан в качестве примера график закона Ома для участка цепи с сопротивлением 100 Ом. По горизонтальной оси отложено напряжение в вольтах, а по вертикальной оси — ток в амперах. Масштаб тока и напряжения может быть выбран каким угодно. Прямая линия проведена так, что для любой ее точки отношение напряжения к току равно 100 Ом. Например, если U = 50 В, то I = 0,5 А и R = 50 : 0,5 = 100 Ом.
Рис. 2 . Закон Ома (вольт-амперная характеристика)
График закона Ома для отрицательных значений тока и напряжения имеет такой же вид. Это говорит о том, что ток в цепи проходит одинаково в обоих направлениях. Чем больше сопротивление, тем меньше получается ток при данном напряжении и тем более полого идет прямая.
Приборы, у которых вольт-амперная характеристика является прямой линией, проходящей через начало координат, т. е. сопротивление остается постоянным при изменении напряжения или тока, называются линейными приборами . Применяют также термины линейные цепи, линейные сопротивления.
Существуют также приборы, у которых сопротивление изменяется при изменении напряжения или тока. Тогда зависимость между током и напряжением выражается не по закону Ома, а более сложно. Для таких приборов вольт-амперная характеристика не будет прямой линией, проходящей через начало координат, а является либо кривой, либо ломаной линией. Эти приборы называются нелинейными .
Источник
Закон Ома
Закон Ома с точки зрения гидравлики
Как вы уже знаете, электрический ток имеет аналогию с гидравликой. Напряжение — это уровень воды в башне. Сопротивление — это труба или шланг. Сила тока — это объем воды за какой-то период времени.
Теперь давайте рассмотрим такой случай. Пусть вместо башни у нас будет сосуд с водой, в котором пробиты три одинаковых отверстия на разной высоте сосуда. Так как сосуд у нас наполнен водой, следовательно, на дне сосуда давление будет больше, чем на его поверхности.
Как вы видите, нижняя струя, которая находится ближе ко дну, стреляет дальше, чем средняя струя. А средняя струя стреляет дальше, чем верхняя. Заметьте, что отверстия у нас везде одинакового диаметра. То есть можно сказать, что сопротивление каждого отверстия воде одинаково. За одинаковое время, объем воды, вытекаемый с самого нижнего отверстия намного больше, чем объем воды, вытекаемый со среднего и самого верхнего отверстия. А что у нас такое объем воды за какое-то время? Да это же сила тока!
Итак, какую закономерность мы тут видим? Учитывая, что сопротивление везде одинаковое, получается что с увеличением напряжения увеличивается и сила тока!
Думаю, у каждого из вас есть садовый участок. Где-то недалеко от вас всегда есть водонапорная башня
Для чего нужна водонапорная башня? Для контроля уровня расхода воды, а также для создания давления в трубах, иначе как вы будете поливать свои огурцы? Вы никогда не замечали, что башню возводят где-нибудь на возвышенности? Для чего это делается? Как раз для того, чтобы создать давление.
Предположим, что ваш садовый участок находится выше, чем верхушка водобашни. Что произойдет в этом случае? Вода просто-напросто не дойдет до вас! Физика… закон сообщающихся сосудов.
У всех на кухне и в ванной есть краник. После очередного трудового дня вы решили помыть руки. Для этого вы на полную катушку включаете воду, и она начинает течь бурным потоком из краника:
Но вас не устраивает такой поток воды, поэтому, покрутив ручку крана, вы уменьшаете поток воды на минимум:
Что только что сейчас произошло?
Поменяв сопротивление потоку с помощью ручки краника, вы добились того, что этот поток воды стал течь очень слабо.
Давайте же проведем аналогию этой ситуации с электрическим током. Итак, что имеем? Напряжение потока мы не меняли. Где-то там вдалеке стоит водобашня и создает давление в трубах. Мы ведь не имеем права трогать водобашню, а тем более ее сносить). Поэтому уровень воды в башне все время полный, так как насос все время подкачивает воду до максимального уровня. Следовательно, напряжение у нас постоянное и не меняется.
Закрутив обратно ручку краника, мы только что поменяли сопротивление трубы, из которой сделан краник. В данном случае мы увеличили сопротивление потоку воды. А что у нас получилось с потоком водички? Она стала бежать медленнее! То есть, можно сказать, что количество молекул воды за какое-то время при полностью открытом и полузакрытом кранике получилось разное. Ну-ка, вспоминаем, что такое сила тока 😉 Кто забыл, напомню — это количество электронов протекающих через поперечное сечение проводника за какой-то период времени. И что у нас стало с этой силой тока? Она уменьшилась!
При увеличении сопротивления, сила тока, проходящая через это сопротивление, уменьшается.
Итак. Имеем вот такую схему водоснабжения:
Теперь представьте, что вы поливаете огород и вам надо наполнить бочку с водой из шланга за 10 минут. Ни секундой раньше и не позже! У вас в огороде поток воды бежит примерно вот так:
Допустим, с водобашни у нас идет простой резиновый шланг. Сосед случайно припарковал свой автомобиль прямо на шланге и чуть-чуть придавил его
У вас поток воды стал убывать. Идти ругаться с соседом? Он уже ушел по делам, а бочку за 10 минут наполнить не успеете. Потребуется больше времени. Как же быть? А почему бы нам не открыть краник перед водобашней чуток побольше? А это хорошая идея! Открываем краник на полную катушку и добиваемся, чтобы уровень воды в башне стал еще больше, чем был до этого (хотя в башнях стоят защиты от переполнения какого-либо максимального уровня, но для примера упустим этот момент).
Итак, что у нас получается? Сосед придавил шланг, значит увеличил сопротивление. Поэтому сила тока у нас стала меньше. Чтобы восстановить силу тока, мы для этого увеличивали напряжение, то есть уровень воды в башне.
Вывод: при увеличении напряжения увеличивается и сила тока.
Но беда не приходит одна. На башне сломалось реле контроля водонасоса! Насос качает воду и не отключается! Башня переполняется и поток воды из шланга с каждой секундой становиться все больше и больше! Что же делать? Мы же переполним нашу бочку за отведенное нам время! Спокойствие, только спокойствие… Выход есть! Для этого бежим и чуток перекрываем краник , добиваясь того, чтобы поток воды из шланга тек также, как и раньше 😉
В этом случае уровень воды (напряжение) на водобашне стал увеличиваться из-за того, что насос не отключался и все время качал воду. Поэтому, поток воды (сила тока) у нас тоже стала расти. Чтобы выровнять силу тока, мы увеличили сопротивление краника ;-), тем самым привели в норму уровень воды в водобашне (напряжение) до приемлемого уровня.
Напряжение, сопротивление, сила тока — как связаны эти термины?
Для дальнейшего понимания процесса давайте еще раз рассмотрим нашу водобашню:
На рисунке мы видим башню с автоматической регулировкой уровня воды. То есть сколько бы мы не тратили воду из башни, водонасос в будке всегда будет подавать воду до нужного уровня и потом отключаться. Если перевести на язык электроники, то получаем, что «напряжение» на дне водобашни постоянно.
Но вот наступил кризис и вашему соседу стало влом платить высокие тарифы за воду, и поэтому как-то ночью он сделал врезку большого диаметра прямо у подножия водобашни.
Как только просверлил отверстие, вода бурным потоком хлынула из башни. Что можно сказать в этом случае? Сила потока через отверстие оказалась приличная, так как башня у нас под завязку наполнена водой, и уровень воды не собирается падать, так как у нас сразу же подключается мощный насос автоматической подачи воды из артезианской скважины. Если бы воды в башне было пару ведер, то и поток воды был бы очень слабый. С этим вроде бы все понятно.
Допустим, у вас сосед мажор. Катается на Ладе-Весте и ездит отдыхать в Крым). Заплатить 100 рублей в месяц за чистую воду для него все равно, что сходить в кабак с друзьями. Но пока он загорал в Крыму, его дети, которых он оставил теще, пробрались в гараж, нашли шуруповерт и набор свёрл. Ну и как это часто бывает, захотелось им вдруг что-то посверлить. Но тут вдруг пришла теща и с криком: » А ну съ… ли с папкиного гаража!» разогнала детей, которые все-таки успели прихватить с собой шуруповерт и свёрла. И вот им на глаза попалась одиноко стоящая башня… и все произошло, как по первому сценарию… Просверлили тонкое отверстие прямо у подножия водобашни.
Что можно сказать в этом случае? Давление такое же, как и в первом случае, так как уровень воды в башне такой же. Теперь вопрос на засыпку.
В каком случае по аналогии с электроникой у нас сила тока будет больше?
Итак, мы помним, сила тока — это количество электронов, которое проходит через поперечное сечение проводника за какое-то определенное время. В основном за секунду. Так в каком случае у нас количество молекул воды вытекающей из башни за секунду будет больше? В первом или втором случае? Разумеется в первом, так как сосед не стал мелочится и сделал отверстие большого диаметра, а салаги сверлили пол дня отверстие маленьким диаметром, так как не нашли большого сверла. В этом случае сила потока воды зависит от диаметра отверстия. По аналогии с гидравликой, сила тока, получается, зависит от диаметра проводка. Чем тоньше проводок, тем меньше силы тока по нему может течь, иначе проводок сгорит. С этим мы с вами еще разбирались в прошлой статье. Ну вот мы и плавно подходим к такому понятию в электронике, как сопротивление.
Сопротивление и сила тока
Значит, диаметр отверстия очень много значит для потока жидкости. Диаметр отверстия в данном случае и есть поперечное сечение трубы, так ведь? А что будет, если мы в отверстие, которое просверлили в башне, всунем стометровую трубу. Думаю, ни для кого не будет секретом, что выходящий поток воды из трубы будет меньше, чем сразу из отверстия башни. Почему так происходит? Дело все в том, что вода трется об стенки трубы. То есть стенки трубы создают сопротивление потоку воды. Поэтому, чем длиннее труба, тем больше будет сопротивление потоку на выходе трубы. А чем больше сопротивление, тем меньше давление, читаем как напряжение.
Также и в электронике. Провода одинаковых диаметров и сделанных из одинакового материала, но разных длин, обладают также разным сопротивлением. У длинного провода сопротивление будет больше, нежели у короткого провода.
Через какую трубу лучше побежит водичка? На которой налипли какашки, либо через чистую?
Разумеется через чистую трубу поток воды будет проходить лучше, чем через грязную. То же самое можно сказать и про провода. Различные металлы обладают различной проводимостью.
Теперь обобщим все вышесказанное. Получается, что сопротивление проводка зависит от площади поперечного сечения, от его длины, а также от материала, из которого он изготовлен. Все это формулой будет выглядеть вот так:
В качестве сопротивления в электронике используется радиоэлемент резистор:
Когда электрический ток проходит через резистор, то в цепи начинает меняться сила тока. Для простоты понимания с точки зрения гидравлики резистор можно изобразить, как вентильную заслонку:
которая меняет свое сопротивления в зависимости от того, насколько приоткрыта заслонка.
Допустим, у нас есть давление в трубе, но заслонка полностью закрыта. В данном случае поток воды стоит на месте и вода никуда не течет. Следовательно, сила потока в трубе равняется нулю. Но как только мы чуток приоткроем заслонку, у нас появится движуха воды, что в свою очередь вызовет поток воды. Нетрудно догадаться, что чем больше мы открываем заслонку, тем сильнее становится поток воды. При полностью открытой заслонке сила потока воды будет максимальной.
Теперь давайте разберем вот еще какой нюанс. При полностью закрытой задвижке у нас на заслонку создавалось полное давление воды. При этом потока воды нет. Оно и понятно, заслонка то не пускает течь воду, хотя вода под давлением.
Но что произойдет, когда мы чуток откроем заслонку? Уменьшится ли давление на саму заслонку? Разумеется. Так как площадь сопротивления заслонки стала меньше. Но также началось и самое интересное. Возникла движуха воды.
А что если мы полностью откроем кран и выставим заслонку вот в таком положении? Какое давление будет оказывать поток воды на ее площадь?
Думаю, в идеальном случае можно сказать что никакого. В реальном случае очень-очень слабое давление будет оказываться на площадь заслонки, так как она расположена параллельно потоку воды.
А теперь еще один вот такой интересный вопрос: а от чего будет еще зависеть давление на заслонку? От силы потока! А сила потока от чего? От давления! Чем сильнее поток воды, тем сильнее давление на заслонку. Но опять же, чтобы был поток воды, заслонка должна быть открыть хотя бы наполовину, как в этом рисунке:
Классическая гидравлика, по идее ничего сложного. А теперь давайте применим все это к электронике 😉
Начнем с азов. Труба — проводок. Напряжение — давление в системе. Молекулы воды — электроны. Сила тока — количество молекул воды, которое прошло через поперечное сечение трубы за 1 секунду. И… ЗАСЛОНКА! Что она делает? Оказывает СОПРОТИВЛЕНИЕ потоку воды. Значит, заслонка — это сопротивление. Полностью закрытая заслонка — очень большое сопротивление (можно сказать обрыв), заслонка параллельно потоку воды, очень маленькое сопротивление (можно сказать 0 Ом).
Но теперь ВНИМАНИЕ! Площадь заслонки, на которую оказывается давление — это что? Напряжение! И когда давление на заслонке больше всего? Тогда, когда она полностью закрыта ;-). Полностью закрытая заслонка — это сопротивление с бесконечно большим номиналом сопротивления. А когда на заслонку оказывается минимальное давление? Тогда, когда она встает параллельно потоку воды ;-). То есть в этом случае ее сопротивление почти 0 Ом.
Получается, в электронике, как и в гидравлике, у нас на сопротивлении ПАДАЕТ НАПРЯЖЕНИЕ. Чем больше значение сопротивления, тем больше падает напряжение на этом сопротивлении, и наоборот.
И теперь еще один важный момент. От чего зависит давление на заслонку? От давления в системе, а также от силы потока. Но опять же, чтобы вызвать силу потока, надо заслонку ставить как можно параллельней потоку воды. То есть мы уменьшаем сопротивление и одновременно увеличиваем силу тока. Получается, все эти три параметра, напряжение, сила тока и сопротивление, взаимосвязаны.
Закон Ома
Ну как, увидели закономерность из всего вышеописанного? А вот немецкий физик Георг Ом с помощью простых опытов нашел все-таки связь между этими тремя величинами и с тех пор этот закон носит его имя:
I — это сила тока, выражается в Амперах (А)
U — напряжение, выражается в Вольтах (В)
R — сопротивление, выражается в Омах (Ом)
Закон Ома является самым главным законом в электронике. Абсолютно вся теория цепей построена именно на законе Ома. Поэтому, чтобы научиться читать электрические схемы, вам очень важно знать, как связаны напряжение, сила тока и сопротивление на участке цепи. В этой статье мы с вами разобрали закон Ома для участка цепи, но есть еще закон Ома для полной цепи, о котором можно прочитать в этой статье.
Источник