Закон Ома

1. Закон Ома Подробиці Опубліковано 23.06.2015 15:56 Переглядів: 6227 Закон Ома часто називають основним...
2. Параметри електричного кола
3. досвід Ома
4. Закон Ома для повного кола
5. Коротке замикання
6. Закон Ома для змінного струму
7. Потужність і закон Ома
8. замість епілогу

Закон Ома

Подробиці Опубліковано 23.06.2015 15:56 Переглядів: 6227

Закон Ома часто називають основним законом електрики. Відкрив його в 1826 р відомий німецький фізик Георг Симон Ом встановив залежність між основними фізичними величинами електричного кола - опором, напругою і силою струму.

Електричний ланцюг

Щоб краще зрозуміти сенс закону Ома, потрібно представляти, як влаштована електричний ланцюг.

Що ж таке електричний ланцюг? Це шлях, який проходять електрично заряджені частинки (електрони) в електричній схемі.

Щоб в електричному ланцюзі існував струм, необхідна наявність в ній пристрої, яке створювало б і підтримувало різниця потенціалів на ділянках ланцюга за рахунок сил неелектричного походження. Такий пристрій називається джерелом постійного струму, а сили - сторонніми силами.

Електричний ланцюг, в якій знаходиться джерело струму, називаю т повної електричним колом. Джерело струму в такому колі виконує приблизно таку ж функцію, що і насос, що перекачує рідину в замкнутій гідравлічній системі.

Найпростіша замкнуте електричне коло складається з одного джерела і одного споживача електричної енергії, з'єднаних між собою провідниками.

Параметри електричного кола

Електричний струм в такому колі являє собою рух електронів в провіднику. І хоча в дійсності вони рухаються у напрямку до позитивного полюса джерела, у фізиці напрямком струму прийнято вважати рух від позитивного полюса до негативного.

Кількість заряджених частинок, що протікають через поперечний переріз провідника, називається силою струму. Позначається ця величина буквою I і вимірюється в амперах.

Але провідник чинить опір руху електронів. Величину, що характеризує протидію електричного кола або його ділянки електричного струму, називають електричним опором. Його величина називається Омом в честь знаменитого фізика і позначається буквою R.

Величина, що дорівнює різниці потенціалів джерела електричного струму, називається електричною напругою. Позначається буквою U. І змеряется в вольтах.

Ділянка ланцюга без джерела струму називаючи ють зовнішньої ланцюгом. Її опір позначають буквою R, а внутрішній опір джерела - r. ЕРС джерела позначається символом ε. ЕРС джерела складається з падіння напруги U у зовнішній ланцюга і падіння напруги U 1 на самому джерелі.

ε = U + U 1,

Зовнішня ланцюг розглядається як ділянку ланцюга. Взагалі, будь-яку електричну ланцюг можна представити у вигляді ділянок, між двома точками яких тече електричний струм. Кожна ділянка можна охарактеризувати падінням напруги U, опором R і силою струму I.

Дослідним шляхом Ом встановив взаємозв'язок між цими основними параметрами електричного кола: «Сила струму в ділянці кола прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна електричному опору на цій ділянці».

I = U / R

Це і є формула закону Ома для ділянки ланцюга.

досвід Ома

Свій знаменитий закон Ом вивів експериментальним шляхом.

Проведемо нескладний досвід.

Зберемо електричний ланцюг, в якій джерелом струму буде акумулятор, а приладом для вимірювання струму - послідовно включений в ланцюг амперметр. Навантаженням служить спіраль з дроту. Напруга будемо вимірювати за допомогою вольтметра, включеного паралельно спіралі. Замкнемо за допомогою ключа електричний ланцюг і запишемо показання приладів.

Підключимо до першого акумулятора другий з точно таким же параметрами. Знову замкнемо ланцюг. Прилади покажуть, що і сила струму, і напруга збільшилися в 2 рази.

Якщо до 2 акумуляторів додати ще один такий же, сила струму збільшиться втричі, напруга теж потроїться.

Висновок очевидний: сила струму в провіднику прямо пропорційна напрузі, що додається до кінців провідника.

У нашому досвіді величина опору лишалася незмінною. Ми міняли лише величину струму і напруги на ділянці провідника. Залишимо лише один акумулятор. Але як навантаження будемо використовувати спіралі з різних матеріалів. Їх опору відрізняються. По черзі підключаючи їх, також запишемо показання приладів. Ми побачимо, що тут все навпаки. Чим більше величина опору, тим менше сила струму. Сила струму в ланцюзі обернено пропорційна опору.

Отже, наш досвід дозволив нам встановити залежність сили струму від величини напруги і опору.

Звичайно, досвід Ома був іншим. У ті часи не існувало амперметрів, і, щоб виміряти силу струму, Ом використав крутильні ваги Кулона. Джерелом струму служив елемент Вольта з цинку і міді, які перебували в розчині соляної кислоти. Мідні дроту поміщалися в чашки з ртуттю. Туди ж підбивалися кінці проводів від джерела струму. Дроту були однакового перетину, але різної довжини. За рахунок цього змінювалася величина опору. По черзі включаючи в ланцюг різні дроту, спостерігали за кутом повороту магнітної стрілки в крутильних вагах. Власне, вимірювалася не як така сила струму, а зміна магнітного дії струму за рахунок включення в ланцюг дротів різного опору. Ом називав це «втратою сили».

Але так чи інакше експерименти вченого дозволили йому вивести свій знаменитий закон.

Георг Симон Ом

Закон Ома для повного кола

Тим часом, формула, виведена самим Омом, виглядала так:

Це не що інше, як формула закону Ома для повної електричного кола: «Сила струму в ланцюзі пропорційна діючої в ланцюзі ЕРС і обернено пропорційна сумі опорів зовнішньої ланцюга і внутрішнього опору джерела».

У дослідах Ома величина Х показувала зміну величини струму. У сучасній формулі їй відповідає сила струму I, що протікає в ланцюзі. Величина а характеризувала властивості джерела напруги, що відповідає сучасному позначенню електрорушійної сили (ЕРС) ε. Значення величини l залежало від довжини провідників, що сполучали елементи електричного кола. Ця величина була аналогією опору зовнішньої електричного кола R. Параметр b характеризував властивості всієї установки, на якій проводився досвід. У сучасній позначенні це r - внутрішній опір джерела струму.

Як виводиться сучасна формула закону Ома для повного кола?

ЕРС джерела дорівнює сумі падінь напруг на зовнішньому ланцюзі (U) і на самому джерелі (U 1).

ε = U + U 1.

Із закону Ома I = U / R слід, що U = I · R, а U 1 = I · r.

Підставивши ці вирази у попереднє, отримаємо:

ε = I · R + I · r = I · (R + r), звідки

Згідно із законом Ома напруга в зовнішньому колі дорівнює добутку сили струму на опір. U = I · R. Воно завжди менше, ніж ЕРС джерела. Різниця дорівнює величині U1 = I · r.

Що відбувається при роботі батарейки або акумулятора? У міру того, як розряджається батарейка, росте її внутрішньо опір. Отже, збільшується U1 і зменшується U.

Повний закон Ома перетворюється в закон Ома для ділянки кола, якщо прибрати з нього параметри джерела.

Коротке замикання

А що станеться, якщо опір зовнішньої ланцюга раптом стане дорівнює нулю? У повсякденному житті ми можемо спостерігати це, якщо, наприклад, пошкоджується електрична ізоляція проводів, і вони замикаються між собою. Виникає явище, яке називається коротким замиканням. Струм, званий струмом короткого замикання, буде надзвичайно великим. При цьому виділиться велика кількість теплоти, яке може привести до пожежі. Щоб цього не сталося, в ланцюзі ставлять пристрої, які називаються запобіжниками. Вони влаштовані так, що здатні розірвати електричний ланцюг в момент короткого замикання.

Закон Ома для змінного струму

У колі змінного напруги крім звичайного активного опору зустрічається реактивний опір (ємності, індуктивності).

Для таких ланцюгів U = I · Z, де Z - повний опір, що включає в себе активну і реактивну складові.

Але великим реактивним опором володіють потужні електричні машини і силові установки. У побутових приладах, що оточують нас, реактивна складова настільки мала, що її можна не враховувати, а для розрахунків використовувати просту форму записи закону Ома:

I = U / R

За допомогою закону Ома можна розрахувати параметри будь електричного кола.

Потужність і закон Ома

Ом не тільки встановив залежність між напругою, струмом і опором електричного кола, а й вивів рівняння для визначення потужності:

P = U · I = I 2 · R

Як бачимо, чим більше струм або напруга, тим більше потужність . Так як провідник або резистор не є корисним навантаженням, то потужність, що припадає на нього, вважається потужністю втрат. Вона йде на нагрівання провідника. І чим більше опір такого провідника, тим більше втрачається на ньому потужності. Щоб зменшити втрати від нагрівання, в ланцюзі використовують провідники з меншим опором. Так роблять, наприклад, в потужних звукових установках.

замість епілогу

Невелика підказка для тих, хто плутається і не може запам'ятати формулу закону Ома.

Розділимо трикутник на 3 частини. Причому, яким чином ми це зробимо, зовсім неважливо. Впишемо в кожну з них величини, що входять в закон Ома - так, як показано на малюнку.

Закриємо величину, яку потрібно знайти. Якщо залишилися величини знаходяться на одному рівні, то їх потрібно перемножити. Якщо ж вони розташовуються на різних рівнях, то величину, розташовану вище, необхідно розділити на нижню.

Закон Ома широко застосовується на практиці при проектуванні електричних мереж у виробництві і в побуті.