Содержание
Закон Ома связывает сопротивление цепи с напряжением и током. Применение правил цепи этого закона дает возможность определить показатели для проектирования электроцепей. Электричество течет через материал, переносимый электронами, крошечными заряженными частицами внутри атомов. В металлах атомы заключены в твердую кристаллическую структуру. Хотя большинство электронов внутри этих атомов зафиксированы, некоторые могут проникать сквозь нее. Металлы оказывающие относительно небольшое сопротивление походящим через него электронам являются хорошими проводниками.
Формулировка закона
Закон относится к базовому положению в электротехнике.
Формула Ома для участка цепи:
- V — напряжение между 2-мя точками, В;
- R — сопротивление, свойство материала, используемого для описания противодействия потоку тока, Ом;
- I — сила тока на участке цепи — поток электронов или электронно-дефицитных атомов, определяемая в А.
Преобразование пропорциональности в уравнение, приводит к постоянной «R» — сопротивлению.
В 1-м случае, закон Ома для участка цепи выражается формулой: I = V/R, понятно, что электроток рассчитывают делением V на R. 2-й вариант утверждает, что V рассчитывают, если известны I и R в цепи. Из уравнения очевидно, что если растут I или R, в то время как другой не изменяется, напряжение также должно возрасти.
Третий вариант подтверждает, что можно рассчитать R в цепи, перед тем, как найти сопротивление участка цепи по формуле нужно знать два других показателя. Если ток поддерживается постоянным, то рост напряжения приведет к увеличению сопротивления.
Для замкнутой цепи
Замкнутая цепь означает закрытое электросоединение, по которому циркулирует ток. Когда существует ряд проводов, соединяющих друг с другом и замыкающих цепь так, что I проходит от одного конца круга к другому, это будет замкнутая цепь.
ЭДС (Е) — обозначается и измеряется в вольтах и имеет отношение к напряжению, генерируемому батареей или магнитной силой по закону Фарадея, утверждающего, что изменяющееся во времени магнитное поле будет индуцировать электроток.
Тогда: Е = IR + Ir
Где: r — сопротивление источника тока.
Это выражение известно, как закон Ома цепей с замкнутым контуром.
Для неоднородного участка цепи
Возможно применение омовских расчетов для неоднородных цепей:
Если Еcт и Екул совпадут по направлению — ЭДС и напряжение будут иметь одинаковый знак.
Фактически в замкнутом участке сети V=0, поскольку кулоновское поле неактивно.
В связи с чем: I = E /(R+r), где: r — показатель относится источнику тока.
В дифференциальной форме
Формулу очень часто представляют в дифференциальном виде, поскольку проводник обычно неоднородный и потребуется разбить его на минимально возможные участки. Ток, проходящий через него, связан с величиной и направлением, поэтому считается скалярной величиной. Всякий раз, когда нужно найти результирующий ток через провод, берут алгебраическую сумму всех отдельных токов. Поскольку это правило действует только для скалярных величин, ток принимают также в качестве скалярной величины. Известно, через сечение проходит ток dI = jdS. Напряженье, на нем равняется Еdl, тогда для провода с постоянным сечением и равной протяженности будет верно соотношение:
Поэтому, выражение тока в векторном виде будет: j = E.
Важно! В случае металлических проводников с ростом температуры проводимость падает, а для полупроводников — растет. Омовский закон не демонстрирует строгую пропорциональность. Сопротивление большой группы металлов и сплавов исчезает при температуре, близкой к абсолютному нулю, а процесс называется сверхпроводимостью.
Для переменного тока
Нужно понимать, что закон не применим напрямую к переменным цепям, например, с катушками индуктивности, конденсаторами или линиям передач. Закон может использоваться только для чисто резистивных цепей переменного тока без каких-либо изменений. В цепи RLC противодействие току является импедансом Z, который образует комбинацию двух ортогональных частей сопротивления.
В этом случае Vm связано с Im с помощью константы пропорциональности Z (импеданса) и константы пропорциональности R. Для чисто резистивных линий, где (Z = R).
Vm = ImZ и Vm = ImR
Z — это общее сопротивление участка к переменному току, состоящее из реальной части — сопротивления и мнимой — реактивности.
Формула ее определяется теоремой Пифагора, поскольку угол Ф зависит от реактивной составляющей.
В интегральной форме
Данную форму можно получить из дифференциального выражения с использованием
теоремы Гаусса (дивергенции) к закону сохранения заряда. Для того чтобы вывести интегральный закон Ома для конкретной неоднородного проводника, показывают направление вектора плотности I, сам I и потенциалы на входе/ выходе.
Участок с положительной ЭДС (Е) источник, а с отрицательной — потребитель. Поэтому в записи закона Ома, его нужно писать в арифметическом выражении:
Единицы измерения
При выполнении расчетов по закону Ома используют совместимые единицы в СИ. Если отличны от «Ом»- для сопротивления, «Ампер» — для тока и «Вольт» — для напряжения, то перед выполнением расчетов выполняют преобразование единиц измерения. Например, килоомы должны быть переведены в омы, а микроамперы — в амперы.
Сопротивление — это свойство любого объекта или материала сопротивляться, или противостоять потоку электротока. Единицей его принят «Ом». Аббревиатура для электросопротивления — R, а символ — греческая буква омега. Для некоторых электрорасчетов используется его обратная величина проводимость — 1/R, символ, которой имеет обратное значение омеги.
Вольт — это энергия в 1 Дж, потребляемая, когда в цепи протекает электрозаряд в 1 кулон: 1 В = 1 Дж / 1С.
Ампер измеряет количество электрического заряда, который течет в электроцепи за 1 секунду: 1А = 1С / 1сек.
Взаимосвязь между величинами легко получить по треугольнику Ома. Это простой способ запомнить отношения напряжения, тока и сопротивления. Он служит уловкой, чтобы найти любую из трех величин, учитывая, что две другие известны.
При этом величины U, I и R расположены в виде треугольника, как показано на рисунке выше. Напряжение (U) находится наверху, а две другие величины, то есть ток (I) и сопротивление ®, расположены ниже рядом друг с другом горизонтально. Разделение между верхней и нижней частями указывает на деление, а линия, разделяющая левую и правую части на умножение.
I — сила тока
Единица тока — количества заряда ©, которое перемещается за единицу времени. Ампер (A) является общей единицей тока, равной 1 С/сек, а символом его — «I». Ток — внутреннее свойство, поскольку зависит от других аспектов, таких как размер системы. Чтобы точно сравнить величину тока для разных систем, ток нормализуется по площади или массе системы. Это описано следующими выражениями:
J = I / S;
J = I / m
- J — плотность тока в мм2 или гр;
- I — сила тока (A);
- S — площадь сечения провода мм2;
- m — масса (гр).
Обратите внимание! Часто «J» используется как ток вместо «I». Для того чтобы предотвратить путаницу с мнимыми числами, нужно уточнять символы, так как они могут варьироваться в зависимости от конкретного случая.
U — напряжение
Напряжение является еще одной важной единицей закона Ома, которая устанавливает объем работы, необходимой для перемещения заряда. Напряжение «V» измеряет электрический потенциал «Вольт», которым объект обладает по отношению к заряду. Подавая напряжение, выполняется работа, которая обеспечивает движение заряда. Количество заряда, известный как точечный заряд, его определение может быть выполнено следующим образом:
V = kq / (r • r), где:
- V — электрический потенциал (V);
- k — кулоновская постоянная = 8,99 × 10 9Н • м 2 • С −2;
- q — заряд точки©;
- r — расстояние от точечного заряда (м).
R — электрическое сопротивление
Сопротивление — величина обратная напряжению, ее можно сравнить с эффектом перемещения тела против движения в проточной воде. Единицей R принят «Ом», который обозначается заглавной греческой буквой «Омега».
Обратная величина сопротивления (1 /R) известна как проводимость, которая измеряет способность объекта проводить заряд, выраженную в единицах Siemens.
Используемая геометрически независимая величина называется удельным сопротивлением и обычно обозначается греческим символом r.
Дополнительная информация. Закон Ома помогает установить три важные показателя работы электросети, что упрощает расчет мощности. Он не применим к односторонним сетям имеющих такие элементы, как диод, транзистор и аналогичные им. И также он не применим к нелинейным элементам, примерами которых являются тиристоры, поскольку значение сопротивления этих элементов изменяется при разных данных напряжения и тока.
На более высоких частотах распределенное поведение становится доминирующим. То же самое происходит с очень длинными линиями электропередач. Даже на такой низкой частоте, как 60 Гц, очень длинная линия электропередачи, например, 30 км имеет распределенную природу. Основная причина заключается в том, что действующие электрические сигналы, распространяющиеся в цепях, представляют собой электромагнитные волны, а не вольт и ампер, которые инфицируются электромагнитной волной. Проводники просто действуют как направляющие для волн. Так, например, коаксиальный кабель будет показывать Z = 75 Ом, даже если его сопротивление постоянному току незначительно.
Закон Ома — это фундаментальный закон электротехники. Он имеет большое количество практических применений во всех электроцепях и электронных компонентах.
Наиболее распространённые примеры применения закона Ома:
- Мощность, подаваемая на электрический нагреватель. При условии сопротивления катушки нагревателя и приложенного напряжения, можно рассчитать мощность, подаваемую на этот нагреватель.
- Выбор предохранителей. Они являются компонентами защиты, которые соединяются последовательно с электронными устройствами. Предохранители/ CB рассчитаны в амперах. Текущий рейтинг предохранителя рассчитывается по закону Ома.
- Дизайн электронных устройств. Для электронных устройств, таких как ноутбук и мобильные телефоны, требуется источник питания постоянного тока сопределенным номинальным током. Типичные аккумуляторы для мобильных телефонов требуют 0,7-1 А. Резистор используется для контроля скорости тока, протекающего через эти компоненты. Закон Ома используется для расчета номинального тока в типовой схеме.
В свое время выводы Ома стали катализатором новых исследований в области электричества и сегодня они не утратили свою значимость, поскольку на них базируется современная электротехника. В 1841 году Ом был удостоен высшей награды Королевского общества, медали Копли, а термин «Ом» был признан единицей сопротивления еще в 1872 году.
Немецкий физик Георг Симон Ом (1787—1854) открыл основной закон электрической цепи.
Закон Ома для участка цепи:
Определение: Cила тока I на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению U на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению R.
- I — сила тока (в системе СИ измеряется — Ампер)
- Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.
- Формула: I=frac
- U — напряжение (в системе СИ измеряется — Вольт)
Падение напряжения на участке проводника равно произведению силы тока в проводнике на сопротивление этого участка.
Формула: U=IR
Определение единицы сопротивления — Ом
1 Ом представляет собой электрическое сопротивление участка проводника, по которому при напряжении 1(Вольт) протекает ток 1 (Ампер).
Закон Ома для полной цепи
Определение: Сила тока в цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений цепи и внутреннего сопротивления источника
Формула I=frac <varepsilon>
- varepsilon — ЭДС источника напряжения, В;
- I — сила тока в цепи, А;
- R — сопротивление всех внешних элементов цепи, Ом;
- r — внутреннее сопротивление источника напряжения, Ом.
Как запомнить формулы закона Ома
Треугольник Ома поможет запомнить закон. Нужно закрыть искомую величину, и два других символа дадут формулу для её вычисления.
.
- U — электрическое напряжение;
- I — сила тока;
- P — электрическая мощность;
- R — электрическое сопротивление
Смотри также:
Для закрепления своих знаний решай задания и варианты ЕГЭ по физике с ответами и пояснениями.
Прежде чем рассматривать электрическую мощность, следует определиться, что же представляет собой мощность вообще, как физическое понятие. Обычно, говоря об этой величине, подразумевается определенная внутренняя энергия или сила, которой обладает какой-либо объект. Это может быть мощность устройства, например, двигателя или действия (взрыв). Ее не следует путать с силой, поскольку это различные понятия, хотя и находящиеся в определенной зависимости между собой. Любые физические действия совершаются под влиянием силы. С ее помощью проделывается определенный путь, то есть выполняется работа. В свою очередь, работа А, проделанная в течение определенного времени t, составит значение мощности, выраженное формулой: N = A/t (Вт = Дж/с).
Другое понятие мощности связано со скоростью преобразования энергии той или иной системы. Одним из таких преобразований является мощность электрического тока, с помощью которой также выполняется множество различных работ. В первую очередь она связана с электродвигателями и другими устройствами, выполняющими полезные действия.
Что такое мощность электрического тока
Мощность тока связана сразу с несколькими физическими величинами. Напряжение (U) представляет собой работу, затрачиваемую на перемещение 1 кулона. Сила тока (I) соответствует количеству кулонов, проходящих за 1 секунду. Таким образом, ток, умноженный на напряжение (I x U), соответствует полной работе, выполненной за 1 секунду. Полученное значение и будет мощностью электрического тока.
Приведенная формула мощности тока показывает, что мощность находится в одинаковой зависимости от силы тока и напряжения. Отсюда следует, что одно и то же значение этого параметра можно получить за счет большого тока и малого напряжения и, наоборот, при высоком напряжении и малом токе. Это свойство позволяет передавать электроэнергию на дальние расстояния от источника к потребителям. В процессе передачи ток преобразуется с помощью трансформаторов, установленных на повышающих и понижающих подстанциях.
Существует два основных вида электрической мощности – активная и реактивная. В первом случае происходит безвозвратное превращение мощности электрического тока в механическую, световую, тепловую и другие виды энергии. Для нее применяется единица измерения – ватт. 1Вт = 1В х 1А. На производстве и в быту используются более крупные значения – киловатты и мегаватты.
К реактивной мощности относится такая электрическая нагрузка, которая создается в устройствах за счет индуктивных и емкостных колебаний энергии электромагнитного поля. В переменном токе эта величина представляет собой произведение, выраженное следующей формулой: Q = U х I х sin(угла). Синус угла означает сдвиг фаз между рабочим током и падением напряжения. Q является реактивной мощностью, измеряемой в Вар – вольт-ампер реактивный. Данные расчеты помогают эффективно решить вопрос, как найти мощность электрического тока, а формула, существующая для этого, позволяет быстро выполнить вычисления.
Обе мощности можно наглядно рассмотреть на простом примере. Какое-либо электротехническое устройство оборудовано нагревательными элементами – ТЭНами и электродвигателем. Для изготовления ТЭНов используется материал, обладающий высоким сопротивлением, поэтому при прохождении по нему тока, вся электрическая энергия преобразуется в тепловую. Данный пример очень точно характеризует активную электрическую мощность.
Что касается электродвигателя, то внутри него расположена медная обмотка, обладающая индуктивностью, которая, в свою очередь, обладает эффектом самоиндукции. Благодаря этому эффекту, происходит частичный возврат электричества обратно в сеть. Возвращаемая энергия характеризуется небольшим смещением в параметрах напряжения и тока, оказывая негативное влияние на электрическую сеть в виде дополнительных перегрузок.
Такие же свойства имеют и конденсаторы из-за своей электрической емкости, когда накопленный заряд отдается обратно. Здесь также смещаются значения тока и напряжения, только в противоположном направлении. Данная энергия индуктивности и емкости, со смещением по фазе относительно значений действующей электросети, как раз и есть реактивная электрическая мощность. Благодаря противоположному эффекту индуктивности и емкости в отношении сдвига фазы, становится возможным выполнить компенсацию реактивной мощности, повышая, тем самым, эффективность и качество электроснабжения.
По какой формуле вычисляется мощность электрического тока
Правильное и точное решение вопроса чему равна мощность электрического тока, играет решающую роль в деле обеспечения безопасной эксплуатации электропроводки, предупреждения возгораний из-за неправильно выбранного сечения проводов и кабелей. Мощность тока в активной цепи зависит от силы тока и напряжения. Для измерения силы тока существует прибор – амперметр. Однако не всегда возможно воспользоваться этим прибором, особенно когда проект здания еще только составляется, а электрической цепи просто не существует. Для таких случаев предусмотрена специальная методика проведения расчетов. Силу тока можно определить по формуле при наличии значений мощности, напряжения сети и характера нагрузки.
Существует формула мощности тока, применительно к постоянным значениям силы тока и напряжения: P = U x I. При наличии сдвига фаз между силой тока и напряжением, для расчетов используется уже другая формула: P = U x I х cos φ. Кроме того, мощность можно определить заранее путем суммирования мощности всех приборов, которые запланированы к вводу в эксплуатацию и подключению к сети. Эти данные имеются в технических паспортах и руководствах по эксплуатации устройств и оборудования.
Таким образом, формула определения мощности электрического тока позволяет вычислить силу тока для однофазной сети: I = P/(U x cos φ), где cos φ представляет собой коэффициент мощности. При наличии трехфазной электрической сети сила тока вычисляется по такой же формуле, только к ней добавляется фазный коэффициент 1,73: I = P/(1,73 х U x cos φ). Коэффициент мощности полностью зависит от характера планируемой нагрузки. Если предполагается использовать лишь лампы освещения или нагревательные приборы, то он будет составлять единицу.
При наличии реактивных составляющих в активных нагрузках, коэффициент мощности уже считается как 0,95. Данный фактор обязательно учитывается в зависимости от того, какой тип электропроводки используется. Если приборы и оборудование обладают достаточно высокой мощностью, то коэффициент составит 0,8. Это касается сварочных аппаратов, электродвигателей и других аналогичных устройств.
Для расчетов при наличии однофазного тока значение напряжения принимается 220 вольт. Если присутствует трехфазный ток, расчетное напряжение составит 380 вольт. Однако с целью получения максимально точных результатов, необходимо использовать в расчетах фактическое значение напряжения, измеренное специальными приборами.
От чего зависит мощность тока
Мощность тока, различных приборов и оборудования зависит сразу от двух основных величин – силы тока и напряжения. Чем выше ток, тем больше значение мощности, соответственно, при повышении напряжения, мощность также возрастает. Если напряжение и сила тока увеличиваются одновременно, то мощность электрического тока будет возрастать как произведение той и другой величины: N = I x U.
Очень часто возникает вопрос, в чем измеряется мощность тока? Основной единицей измерения этой величины является 1 ватт (Вт). Таким образом, 1 ватт является мощностью устройства, потребляющего ток силой в 1 ампер, при напряжении 1 вольт. Подобной мощностью обладает, например, лампочка от обычного карманного фонарика.
Расчетное значение мощности позволяет точно определить расход электрической энергии. Для этого необходимо взять произведение мощности и времени. Сама формула выглядит так: W = IUt где W является расходом электроэнергии, произведение IU – мощностью, а t – количеством отработанного времени. Например, чем больше продолжается работа электрического двигателя, тем большая работа им совершается. Соответственно возрастает и потребление электроэнергии.
