Закон ома в действии. Самый главный закон электротехники - закон ома

Физический закон , определяющий связь (или электрического напряжения) с силой тока , протекающего в проводнике , и сопротивлением проводника. Установлен Георгом Омом в 1826 году и назван в его честь.

Закон Ома для переменного тока

Вышеприведённые соображения о свойствах электрической цепи при использовании источника (генератора) с переменной во времени ЭДС остаются справедливыми. Специальному рассмотрению подлежит лишь учёт специфических свойств потребителя, приводящих к разновремённости достижения напряжением и током своих максимальных значений, то есть учёта фазового сдвига .

Если ток является синусоидальным с циклической частотой ω {\displaystyle \omega } , а цепь содержит не только активные, но и реактивные компоненты (ёмкости , индуктивности), то закон Ома обобщается; величины, входящие в него, становятся комплексными:

• U = U 0 e i ωt - напряжение или разность потенциалов,
• I - сила тока,
• Z = Re −i δ - комплексное сопротивление (электрический импеданс),
• R = √ R a 2 + R r 2 - полное сопротивление,
• R r = ωL − 1/(ωC ) - реактивное сопротивление (разность индуктивного и емкостного),
• R а - активное (омическое) сопротивление, не зависящее от частоты,
• δ = − arctg (R r /R a ) - сдвиг фаз между напряжением и силой тока.

При этом переход от комплексных переменных в значениях тока и напряжения к действительным (измеряемым) значениям может быть произведён взятием действительной или мнимой части (но во всех элементах цепи одной и той же!) комплексных значений этих величин. Соответственно, обратный переход строится для, к примеру, U = U 0 sin ⁡ (ω t + φ) {\displaystyle U=U_{0}\sin(\omega t+\varphi)} подбором такой U = U 0 e i (ω t + φ) , {\displaystyle \mathbb {U} =U_{0}e^{i(\omega t+\varphi)},} что Im ⁡ U = U . {\displaystyle \operatorname {Im} \mathbb {U} =U.} Тогда все значения токов и напряжений в схеме надо считать как F = Im ⁡ F {\displaystyle F=\operatorname {Im} \mathbb {F} }

Закон Ома для полной цепи – эмпирический (полученный из эксперимента) закон, который устанавливает связь между силой тока, электродвижущей силой (ЭДС) и внешним и внутренним сопротивлением в цепи.

При проведении реальных исследований электрических характеристик цепей с постоянным током необходимо учитывать сопротивление самого источника тока. Таким образом в физике осуществляется переход от идеального источника тока к реальному источнику тока, у которого есть свое сопротивление (см. рис. 1).

Рис. 1. Изображение идеального и реального источников тока

Рассмотрение источника тока с собственным сопротивлением обязывает использовать закон Ома для полной цепи.

Сформулируем закона Ома для полной цепи так (см. рис. 2): сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи, где под полным сопротивлением понимается сумма внешних и внутренних сопротивлений.

Рис. 2. Схема закона Ома для полной цепи.

• R – внешнее сопротивление [Ом];
• r – сопротивление источника ЭДС (внутреннее) [Ом];
• I – сила тока [А];
• ε– ЭДС источника тока [В].

Рассмотрим некоторые задачи на данную тему. Задачи на закон Ома для полной цепи, как правило, дают ученикам 10 класса, чтобы они могли лучше усвоить указанную тему.

I. Определите силу тока в цепи с лампочкой, сопротивлением 2,4 Ом и источником тока, ЭДС которого равно 10 В, а внутреннее сопротивление 0,1 Ом.

По определению закона Ома для полной цепи, сила тока равна:

II. Определить внутреннее сопротивление источника тока с ЭДС 52 В. Если известно, что при подключении этого источника тока к цепи с сопротивлением 10 Ом амперметр показывает значение 5 А.

Запишем закон Ома для полной цепи и выразим из него внутреннее сопротивление:

III. Однажды школьник спросил у учителя по физике: «Почему батарейка садится?» Как грамотно ответить на данный вопрос?

Мы уже знаем, что реальный источник обладает собственным сопротивлением, которое обусловлено либо сопротивлением растворов электролитов для гальванических элементов и аккумуляторов, либо сопротивлением проводников для генераторов. Согласно закону Ома для полной цепи:

следовательно, ток в цепи может уменьшаться либо из-за уменьшения ЭДС, либо из-за повышения внутреннего сопротивления. Значение ЭДС у аккумулятора почти постоянный. Следовательно, ток в цепи понижается за счет повышения внутреннего сопротивления. Итак, «батарейка» садится, так как её внутреннее сопротивление увеличивается.

Л юбая электрическая цепь обязательно содержит в себе источник электрической энергии и ее приемник. В качестве примера рассмотрим простейшую электрическую цепь, состоящую из батарейки и лампочки накаливания.

Батарейка - это источник электрической энергии, лампочка - ее приемник. Между полюсами источника электроэнергии имеется разность потенциалов(+ и -), при замыкании цепи начинается процесс ее выравнивания под действием электродвижущей силы, сокращенно - ЭДС. По цепи протекает электрический ток, совершая работу - нагревая спираль эл.лампочки, спираль начинает светиться.

Таким образом происходит преобразование электрической энергии в энергию тепловую и энергию света.
Электрический ток(J) представляет из себя упорядоченное движение заряженных частиц, в данном случае - электронов.
Электроны имеют отрицательный заряд, и по этому, их движение направлено к положительному(+) полюсу источника питания.

При этом, всегда образуется электромагнитное поле, распостраняясь от (+) к (-) источника(навстречу движению электронов) через электрическую цепь со скоростью света. Традиционно, принято считать, что электрический ток(J) движется от положительного(+) полюса к отрицательному(-).

Упорядоченное движение электронов, через кристаллическую решетку вещества, являющегося проводником не проходит беспрепятственно. Электроны взаимодействуют с атомами вещества, вызывая его нагрев. Таким образом, вещество оказывает сопротивление (R), протекающему через него, электрическому току. И чем больше величина сопротивления, при той же величине тока - тем сильнее нагрев.

Электрическое сопротивление - это величина, характеризующая противодействие электрической цепи (или её участка) электрическому току, измеряется в омах . Электрическое напряжение (U)- величина разности потенциалов источника электрического тока. Электрическое напряжение (U), электрическое сопротивление (R),электрический ток (J) - это основные свойства простейшей электрической цепи, между собой они находятся в определенной зависимости.

С помощью калькулятора Закона Ома, расположенного выше, можно легко вычислить значения силы тока, напряжения и сопротивления любого приемника электрической энергии. Так же, подставляя значения напряжения и тока, можно определить его мощность, и наоборот.

Например, необходимо узнать ток потребляемый эл. чайником, мощностью 2,2квт.
В графу "Напряжение" подставляем значение напряжения нашей сети в вольтах - 220.
В графу "Мощность", соответственно, вводим значение мощности в ваттах 2200 (2.2квт) Нажимаем кнопку "Узнать силу тока" - получаем результат в амперах - 10. Если далее нажать кнопку "Сопротивление" , можно узнать, в добавок и электрическое сопротивление нашего чайника, во время его работы - 22 ома.

С помощью расположенного выше калькулятора, можно легко расчитать величину общего сопротивления для двух сопротивлений, подключенных параллельно.

Второй закон Кирхгофа гласит: в замкнутой электрической цепи алгебраическая сумма ЭДС равна алгебраической сумме падений напряжений на отдельных участках цепи. Согласно этому закону для схемы изображенной на рисунке ниже можно записать:

R об =R 1 +R 2

Т. е. при последовательном соединении элементов цепи общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений составляющих ее элементов, а напряжение распределяется между ними, пропорционально сопротивлению каждого.
Например, в новогодней гирлянде состоящей из 100 маленьких одинаковых лампочек, каждая из которых рассчитана на напряжение 2,5 вольт, включенной в сеть напряжением 220 вольт, на каждую лампочку будет приходиться 220/100=2,2 вольта.
И, конечно же, при таком раскладе она будет работать долго и счастливо.

Переменный ток.

Переменный ток в отличии от постоянного, не имеет постоянного направления. Например, в обычной бытовой эл. сети 220 вольт 50 герц, плюс с минусом меняются местами 50 раз в секунду. Законы Ома и Кирхгофа для цепи постоянного, тока применимы так же для цепей тока переменного, но только для электрических приемников обладающих активным сопротивлением в чистом виде, т. е. таких, как различные нагревательные элементы и лампочки накаливания.

Причем, все расчеты производятся с действующими значениями тока и напряжения. Действующее значение силы переменного тока численно равно эквивалентной по тепловому действию силе постоянного тока. Действующее значение Jперем.= 0,707*Jпост. Действующее значение Uперем.= 0,707*Uпост. Например в нашей домашней сети действующее значение переменного напряжения - 220 вольт, а максимальное (амплитудное) его значение = 220*(1 / 0,707) = 310 вольт.

Роль законов Ома и Кирхгофа, в повседневной жизни электрика.

Осуществляя свою трудовую деятельность, электрик (абсолютно любой и каждый), ежедневно сталкивается со следствиями этих фундаментальных законов и правил, можно сказать - живет в их реальности. Использует ли он теоретические знания, с большим трудом полученные в различных учебных заведениях, для выполнения повседневных трудовых обязанностей?
Как правило - нет! Чаще всего, просто - напросто, в отсутствии какой либо необходимости, это делать.

Ибо повседневная работа нормального электрика, состоит вовсе не из умственных вычислений, а наоборот - из четких, отточенных годами, физических действий. Нельзя сказать, что думать вовсе не приходиться. Совсем наоборот - ведь последствия необдуманных действий в этой профессии, обходятся порой, весьма дорого.

Иногда, встречаются среди электриков конструктора - любители, они же, чаще всего - рационализаторы. Эти люди, время от времени, используют имеющиеся у них теоретические знания с пользой для дела, разрабатывая и конструируя разнообразные устройства, как в личных целях, так и во благо родного производства. Без знания законов Ома и Кирхгофа, расчеты электрических цепей, составляющих схему будущего устройства совершенно невозможны.

В целом, можно сказать, что законы Ома и Кирхгофа являются в большей степени "инструментом" инженера - конструктора, нежели электромонтера.

Закон Ома является одним из основных законов электротехники. Он довольно прост и применяется при расчете практически любых электрических цепей. Но данный закон имеет некоторые особенности работы в цепях переменного и постоянного тока при наличии в цепи реактивных элементов. Эти особенности нужно помнить всегда.

Классическая схема закона Ома выглядит так:

А звучит и того проще – ток, протекающей на участке цепи, будет равен отношению напряжения цепи к ее сопротивлению, что выражается формулой:

Но ведь мы знаем, что помимо активного сопротивления R, существует и реактивные сопротивления индуктивности Х L и емкости X C . А ведь согласитесь, что электрические схемы с чисто активным сопротивлением встречаются крайне редко. Давайте рассмотрим схему, в которой последовательно включена катушка индуктивности L, конденсатор С и резистор R:

Помимо чисто активного сопротивления R, индуктивность L и емкость С имеют и реактивные сопротивления Х L и X C , которые выражены формулами:

Где ω это циклическая частота сети, равная ω = 2πf. f – частота сети в Гц.

Для постоянного тока частота равна нулю (f = 0), соответственно реактивное сопротивление индуктивности станет равным нулю (формула (1)), а емкости – бесконечности (2), что приведет к разрыву электрической цепи. Отсюда можно сделать вывод, что реактивное сопротивление элементов в цепях постоянного напряжения отсутствует.

Если рассматривать классическую электрическую цепь и на переменном токе, то она практически ничем не будет отличаться от постоянного тока, только источником напряжения (вместо постоянного — переменное):

Соответственно и формула для такого контура останется прежней:

Но если мы усложним схему и добавим к ней реактивных элементов:

Ситуация изменится кардинально. Теперь f у нас не равна нулю, что сигнализирует о том, что помимо активного, в цепь вводится и реактивное сопротивление, которое также может влиять на величину тока, протекаемого в контуре и . Теперь полное сопротивление контура (обозначается как Z) и оно не равно активному Z ≠ R. Формула примет следующий вид:

Соответственно немного изменится и формула для закона Ома:

Почему это важно?

Знание этих нюансов позволит избежать серьезных проблем, которые могут возникнуть при неправильном подходе к решению некоторых электротехнических задач. Например, в контур переменного напряжения подключена катушка индуктивности со следующими параметрами: f ном = 50 Гц, U ном = 220 В, R = 0,01 Ома, L = 0,03 Гн. Ток, протекающий через данную катушку будет равен.

Принцип работы одного из основополагающих законов электротехники хочется начать объяснять с аллегории - показа небольшого карикатурного изображения 1 из трех человечков под именами «Напряжение U», «Сопротивление R» и «Ток I».

На нем видно, что «Ток» пытается пролезть через сужение в трубе, которое «Сопротивление» усердно затягивает. В то же время «Напряжение» прилагает максимально возможное усилие для прохождения, проталкивания «Тока».

Этот рисунок напоминает, что - это упорядоченное движение заряженных частиц в определенной среде. Передвижение их возможно под действием приложенной внешней энергии, создающей разность потенциалов - напряжение. Однако, внутренние силы проводников и элементов схемы уменьшают величину тока, оказывают сопротивление его перемещению.

Рассмотрим простую схему 2, поясняющую действие закона Ома для участка электрической цепи постоянного тока.

В качестве источника напряжения U используем , которую подключим к сопротивлению R толстыми и одновременно короткими проводами в точках А и В. Допустим, что провода не влияют на величину прохождения тока I к резистору R.

Формула (1) выражает соотношения между сопротивлением (омы), напряжением (вольты) и током (амперы). Ее называют . Кружок под формулой облегчает ее запоминание и пользование для выражения каждого из составляющих параметров U, R или I (U расположено сверху над черточкой, а R и I - снизу).

Если надо определить один из них, то мысленно закрываем его и работаем с двумя оставшимися, выполняя арифметические действия. Когда величины расположены на одной строчке, то их перемножаем. А в случае расположения их на разных уровнях выполняем деление верхнего на нижний.

Эти соотношения показаны на формулах 2 и 3 рисунка 3 ниже.

В этой схеме для измерения тока используется амперметр, который соединен последовательно с нагрузкой R, а напряжения - вольтметр, подключенный параллельно точкам 1 и 2 резистора. Учитывая конструктивные особенности приборов, допустим, что амперметр не влияет на величину тока в схеме, а вольтметр - напряжения.

Определение сопротивления с помощью закона Ома

Пользуясь показаниями приборов (U=12 В, I=2,5 А) можно по формуле 1 определить величину сопротивления R=12/2,5=4,8 Ом.

На практике этот принцип заложен в работу измерительных приборов - омметров, определяющих активное сопротивление различных электрических устройств. Поскольку они могут быть настроены на замеры различных диапазонов величин, то их соответственно подразделяют на микроомметры и миллиомметры, работающие с малыми сопротивлениями и тера-, гиго- и мегаомметры - измеряющие очень большие значения.

Для конкретных условий эксплуатации их выпускают:

переносными;

щитовыми;

лабораторными моделями.

Принцип работы омметра

Для выполнения замеров обычно используются магнитоэлектрические приборы, хотя в последнее время широко внедряются электронные (как аналоговые, так и цифровые).

В омметре магнитоэлектрической системы используется токоограничивающий резистор R, пропускающий через себя только миллиамперы и чувствительная измерительная головка (миллиамперметр). Она реагирует на протекание малых токов через прибор за счет взаимодействия двух электромагнитных полей от постоянного магнита N-S и поля, создаваемого током, проходящим через обмотку катушки 1 с токопроводящей пружинкой 2.

В результате взаимодействия сил магнитных полей происходит отклонение стрелки прибора на определенный угол. Шкала головки для облегчения работы сразу проградуирована в омах. При этом используется выражение сопротивления через ток по формуле 3.

У омметра для обеспечения точных замеров должно поддерживаться стабилизированное значение подаваемого напряжения от батареи питания. С этой целью применяется калибровка посредством использования добавочного регулировочного резистора R рег. С его помощью до начала измерения на схему ограничивается подача излишнего напряжения от источника, выставляется строго стабильная, нормируемая величина.

Определение напряжения с помощью закона Ома

Во время работ с электрическими схемами бывают случаи, когда необходимо узнать падение напряжения на каком-то элементе, например, резисторе, а известно его сопротивление, которое обычно маркируется на корпусе, и проходящий сквозь него ток. Для этого не обязательно подключать вольтметр, а достаточно воспользоваться расчетами по формуле 2.

В нашем случае для рисунка 3 проведем расчеты: U=2,5·4,8 =12 В.

Определение тока с помощью закона Ома

Этот случай описывает формула 3. Его используют для расчета нагрузок в электрических схемах, выбора сечений проводников, кабелей, предохранителей или защитных автоматов.

В нашем примере расчет выглядит так: I=12/4,8=2,5 А.

Шунтирование

Этот способ в электротехнике используют для исключения работы определенных элементов из схемы без их демонтажа. Для этого на ненужном резисторе замыкают накоротко проводником входящую и отходящую клеммы (на рисунке 1 и 2) - шунтируют.

В результате ток схемы выбирает для себя путь с меньшим сопротивлением через шунт и резко возрастает, а напряжение зашунтированного элемента падает до нуля.

Короткое замыкание

Этот режим является частным случаем шунтирования и, в общем-то, показан на рисунке выше, когда закоротка устанавливается на выходные клеммы источника. При его возникновении создаются очень опасные большие токи, способные поражать людей и сжигать не защищенное электрооборудование.

Для борьбы со случайно возникающими замыканиями в электрической сети используют защиты. На них выставляют такие уставки, которые не мешают работать схеме в нормальном режиме. Они отключают питание только при аварийных случаях.

Например, если ребенок по неосторожности всунет в домашнюю розетку проволоку, то правильно настроенный автоматический выключатель вводного квартирного щита практически моментально отключит электроснабжение.

Все, что описано выше, относится к закону Ома для участка цепи постоянного тока, а не полной схемы, где процессов может быть значительно больше. Следует представлять, что это только небольшая часть применения его в электротехнике.

Закономерности, выявленные знаменитым ученым Георгом Симоном Омом между током, напряжением и сопротивлением по-разному описываются в различных средах и цепях переменного тока: однофазных и трехфазных.

Вот основные формулы, выражающие соотношения электрических параметров в металлических проводниках.

Более сложные формулы для проведения специальных расчетов закона Ома на практике.

Как видим, исследования, которые провел гениальный ученый Георг Симон Ом, имеют огромное значение даже в наше время бурного развития электротехники и автоматики.