К одному из самых загадочных явлений природы относится электричество. О его свойствах известно многое, но до сих отсутствует четкое его определение и понятие. Обобщенный закон Ома объясняет многие вещи, связанные с электричеством, которые с первого взгляда могут показаться странными и неясными.
Закон Ома для полной электрической цепи лежит в основе развития электронной и электрических областях, так как он определяет зависимость между тремя главными электрическими показателями: током, напряжением и сопротивлением. Он отображает как они взаимозависимы на видимом уровне. Обобщенный закон Ома способствует расчетам магнитных, химических, тепловых процессов тока, которые в той или иной степени зависят от него.
Так, нередко знание закона Ома относится к основной причине, от которой зависит, например, результат собеседования при предоставлении работы по технической специальности. Интервьютерам обычно нравится в той или иной форме задавать дежурные вопросы о законе Ома. Однако, когда следует встречный вопрос — а в какой форме: в интегральной или дифференциальной, они часто начинают «чесать репу», так как об этих формах они и не имеют элементарного понятия.
В отношении электричества уместна притча, когда на экзамене у студента спрашивают, что это такое? В ответ следует ответ, что он забыл. Тогда профессор изрекает: «Какая жаль! Один человек в мире знал, что такое электричество и тот забыл». В статье же на простейшем уровне поясняется не природа электричества, а только суть закона Ома.
Содержание
- Закон Ома — кто открыл
- Обобщенный закон Ома кратко
- Закон Ома для участка электрической цепи
- Закон Ома для замкнутой цепи постоянного тока
- Обобщенный закон Ома для переменного тока
- Интегральная форма закона Ома
- Закон Ома в дифференциальной форме
- Заключение
Закон Ома — кто открыл
Когда была открыта разность потенциалов, то есть напряжение и вызываемый им электрический ток перед естествоиспытателями возник вопрос, как связаны эти две величины. На протяжении долгого времени итальянцы Гальвани и Вольт, француз Ампер и другие маститые ученые не смогли вывести закономерность вследствие недостатка данных.
И только в 1826 году естествоиспытателю из Германии Георгу Симону Ому удалось установить зависимость между силой тока в рассматриваемой электрической цепи и действующей в ней разности потенциалов, то есть напряжением. Особенность закона Ома заключается в том, что, в отличие от других закономерностей, например, закона Кулона он представляет по смыслу эмпирическую (экспериментальную), а не фундаментальную зависимость в физике. Его недостаток в том, что в некоторых случаях она не выполняется.
Несмотря на это, ученый известен на весь мир, как талантливый экспериментатор, предоставивший науке закон, названный его именем, и много поразительных открытий. Опыты Фурье вдохновили его на эксперименты в области электричества, которые показали, что:
- разные материалы проводят ток не одинаково, а некоторые из них не пропускают его совсем;
- чем ближе свойства вещества к металлам – тем лучше оно проводит ток;
- возрастание силы тока с повышением разности потенциалов в проводнике из одинакового материала имеет пропорциональную зависимость.
Отсюда очевидно кто открыл закон Ома, а многочисленные эксперименты его автора с электротоком привели человечество к уйме важных изобретений, которые используются не одну сотню лет.
Обобщенный закон Ома кратко
Чтобы лучше запомнить обобщенный закон Ома кратко можно представить так: при напряжении 1 Вольт в проводнике сопротивлением 1 Ом протекает ток 1 Ампер. Он отображает отношения между разностью потенциалов, током и сопротивлением, а его запись удобно предоставить в качестве трех различных способов:
где:
- I – сила тока в амперах (А);
- U – напряжение в вольтах (В);
- R – сопротивление в омах (Ом).
Обобщенный закон Ома легко запоминается, когда используется мнемоническое правило на основе треугольника, который отображает все его три версии.
- Для определения тока закрыть букву I. Открытые U над R показывают на действие деление между ними.
- Для вычисления сопротивления закрыть R. Видимые U и под ним I указывают также на деление.
- Для нахождения напряжения (разности потенциалов) закрыть U. Оставшиеся I и R на одном уровне указывают на действие умножения.
Если соотношения имеют силу для каких-либо проводящих материалов, то последние относятся к омическим. В то же время имеются такие условия, когда соответствия закона Ома не наблюдаются.
- Носители заряда начинают проявлять заметную инертность в области запредельно высоких частот, что необходимо учитывать.
- Достаточно пониженные температуры вызывают явление сверхпроводимости в материалах.
- Ток, проходящий через проводник, например, через лампу накаливания, приводит к сильному его нагреву.
- Если материал оказывается под существенно повышенным напряжением, то часто образуется его пробой.
- Наблюдаются неточности закона Ома в электролампах с откачанным воздухом, либо заполненных газом, не исключая люминисцентные, а также в полупроводниковых устройствах с p-n-переходами.
- В области соприкосновений металл-диэлектрик порождается объемный заряд.
Закон Ома для участка электрической цепи
Соотношение между электрическими величинами: U=I*R по сути обобщенный закон Ома для участка электрической цепи при постоянном токе и совпадает с его интегральной формой в арифметическом виде. Тогда в неразветвленной электрической цепи значение тока во всех ее участках одно и то же, а разность потенциалов зависит от сопротивления выбранного звена:
- U1=I*R1
- U2=I*R2
- Un=I*Rn
- U=I*(R1+R2+…+Rn).
При сложных расчетах, то есть разветвленных цепей дополнительно используются законы Кирхгофа. Однако при этом не учитывается сопротивление полной цепи, то есть электродвижущая сила ЭДС (Е) источника и его внутреннее сопротивление (r).
Закон Ома для замкнутой цепи постоянного тока
К полной цепи электрического тока относится такая, где присутствует источник, характеристики которого принимаются во внимание, то есть она рассматривается как замкнутая система. Если имеется несколько источников тока, то их ЭДС приводятся к одной величине. Обычно на практике используется последовательное соединение источников, исключая встречно включенные, когда:
E=E1+E2+…+En.
Тогда закон Ома для замкнутой цепи постоянного тока, в отличие от ее участка, претерпевает незначительные изменения и отображается следующей формулой, которая также является арифметической интегральной формой:
где:
- I – сила тока, А;
- E — общая ЭДС, В;
- R – общее сопротивление внешней цепи, Ом;
- r — общее внутренне сопротивление источника, В.
Из вышеприведенных формул видно, что ЭДС источника и напряжение имеют одну и ту же величину, а именно вольты. ЭДС по своей сути и есть напряжение, но она аналогична, например, силе напора на выходе насоса, качающего воду, а напряжение — не что иное, как напор воды между двумя какими-либо точками в водопроводе.
Электрическому току проходить через сам источник тоже не просто, что выражается в качестве внутреннего сопротивления, на котором также расходуется энергия. Внутреннее сопротивление источника обладает ничтожно малым значением (R>>r) и в практических расчетах обычно не учитывается. Однако, когда внешнее сопротивление цепи и внутреннее сопротивление источник становятся соизмеримыми (R~r), то последним пренебрегать не следует.
Один из крайних случаев, когда R=0 относится к так называемому короткому замыканию (кз). Отсюда очевидно, что закон Ома для полной электрической цепи сводится к виду: I=E/r. Тогда величина тока кз напрямую зависит только от внутреннего сопротивления источника. На практике аналогичная ситуация вполне реальна.
Обобщенный закон Ома для переменного тока
Переменный ток, в отличие от постоянного, в течение определенного промежутка времени изменяет направление и свою величину. Поэтому в этом случае картина выглядит несколько иначе.
Изменение амплитуды и направления переменного тока происходит со временем. В итоге получается графическое изображение переменного тока в виде синусоиды, а процесс повторяется с определенной периодичностью, а переход через нуль называется фазой.
Особенность цепи постоянного тока состоит в том, что в ней сопротивление имеет всегда активный характер. В случае переменного тока такие элементы, как емкость и индуктивность приобретают дополнительное свойство в виде реактивного сопротивления (X), значение которого обуславливается также частотой (Ꞷ).
Когда используется колебательный контур, то ток в нем опережает напряжение по фазе на π/2 в колебательном контуре.
В дополнение к сказанному следует различать амплитудное и действующее значение переменного тока. Обычно за действующее значение принимается 0,7 от амплитудного, на которое рассчитываются все измерительные приборы.
Так, после преобразования переменного напряжения в постоянное (выпрямление) значение увеличивается в √2 раз. Поэтому детали и другие особенности, а также условия, в которых используется электрическая цепь, следует принимать во внимание, когда в практических расчетах применяется обобщенный закон Ома для переменного тока, например при монтаже силового оборудования.
Интегральная форма закона Ома
Закон Ома в интегральной форме предполагает рассмотрение полного тока, протекающего в цепи, величина которого не меняется с течением времени. В общем случае участок цепи, включающий множество ЭДС, разностей потенциалов и сопротивлений можно представить в виде:
Не вдаваясь в математические подробности, вначале уместно отметить, что интеграл по существу не что иное, как сумма, а интегральная форма закона Ома показывает, как изменяется механическая энергия положительного единичного заряда на данном участке. После интегрирования между поперечными сечениями S1 и S2 можно говорить об абсолютной величине работы по перемещению заряда (на участке цепи падает напряжение), которая принимает вид:
Отсюда очевидно, что интегральная форма закона Ома в арифметической его записи совпадает с соотношениями, приведенными выше.
Закон Ома в дифференциальной форме
Известно, что сопротивление (R) зависит, как от материала проводника, так и от его габаритных размеров, например, исследование проводника с существенным изменением вдоль оси его поперечного сечения и сопротивления сопряжено с определенными трудностями. Тогда полезно исключить зависимость сопротивления проводника от его размеров, опираясь только на электропроводящие свойства материала, из которого он изготовлен.
Такая задача легко решается, если используется обобщенный закон Ома в дифференциальной форме, в котором рассматриваются векторы плотности тока (j) и напряженности электрического поля (Е). Математические выкладки для некоторых могут быть не совсем понятны, поэтому уместно привести только схему, на основании которой они осуществляются.
Указанные выше вектора находятся в тесной связи со скалярными переменными I, V, R, но в то же время относятся к постоянной функции положения в проводнике, то есть плотность тока в проводнике прямо пропорциональна напряженности в нем электрического поля. Такой подход, в принципе, применяется для вычисления параметров крохотных участков цепи, ведь недаром доминирует здесь термин дифференциал или производная.
Заключение
Таким образом, обобщенный закон Ома является одним из основополагающих в сфере электротехники, радиоэлектронике, электродинамики и других областях. Он помогает понять также суть многих природных явлений, которые с первого взгляда могут показаться курьезными и загадочными. Поэтому у интервьютеров недаром возникает интерес к соискателям относительно их познаний в этой плоскости.
Использование этого закона способствует грамотному расчету параметров электрических цепей. На его основе можно определить какие токопроводящие материалы и их сечение использовать в том или ином случае, чтобы исключить повреждения и перегрузки проводников и системы в целом. Исследование величины тока и напряжения в разных участках цепи можно достаточно просто обнаружить неисправность.
P.S. Поделитесь статьей в соц. сетях, а если у вас есть что добавить и появились вопросы, то пишите в комментариях.