Закон Ома - один из основополагающих законов электротехники, устанавливающий взаимосвязь между силой тока, напряжением и сопротивлением в электрической цепи. Он позволяет рассчитывать параметры практически любых электрических схем и широко используется инженерами.
История открытия
Закон Ома был экспериментально установлен в 1826 году немецким ученым Георгом Симоном Омом. Ом исследовал, как меняется сила тока в цепи при изменении напряжения или сопротивления. В результате многочисленных опытов он пришел к выводу, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.
Первоначально закон Ома не имел теоретического обоснования. Лишь спустя 20 лет после открытия Ома немецкий физик Рудольф Клаузиус на основе молекулярно-кинетической теории объяснил природу этой зависимости.
Формулировка закона Ома
Классическая формулировка закона Ома для участка цепи такова:
Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенному к концам этого участка напряжению и обратно пропорциональна его сопротивлению.
Математически это выражается следующей формулой:
I = U / R
где:
- I - сила тока в амперах (А)
- U - напряжение в вольтах (В)
- R - сопротивление в омах (Ом)
Таким образом, зная две величины, можно рассчитать третью. Например, по известным напряжению и сопротивлению найти силу тока в цепи.
Постоянный электрический ток. Сила тока, напряжение, сопротивление, обозначение
Рассмотрим подробнее понятия, входящие в формулировку закона Ома - силу тока, напряжение и сопротивление.
Постоянный электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц (электронов) в проводнике под действием электрического поля. При этом сила тока не меняется со временем.
Сила тока (I) - это количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени. Единица измерения - ампер (А).
Напряжение (U) - разность потенциалов между двумя точками цепи. Характеризует силу электрического поля. Единица измерения - вольт (В).
Сопротивление (R) - свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока. Зависит от материала, длины и площади поперечного сечения проводника. Измеряется в омах (Ом).
Применение закона Ома
Закон Ома широко используется при расчете электрических цепей и решении различных практических задач. Рассмотрим несколько примеров.
Расчет параметров простой цепи
Допустим, нам известно напряжение источника питания U = 220 В и сопротивление нагрузки R = 10 Ом. Требуется определить силу тока в этой цепи. Применим формулу закона Ома:
I = U / R = 220 В / 10 Ом = 22 А
Ответ: сила тока равна 22 А.
Расчет сопротивления резистора
Известна сила тока через резистор I = 0,5 А и падение напряжения на нем U = 100 В. Найдем сопротивление резистора:
R = U / I = 100 В / 0,5 А = 200 Ом
Ответ: сопротивление резистора 200 Ом.
Таким образом, зная любые две величины, по закону Ома можно рассчитать третью. Это позволяет инженерам проектировать электрические схемы с заданными параметрами.
Достоинства и ограничения
Главное достоинство закона Ома в его универсальности и простоте использования. Он применим для анализа постоянного тока в проводниках при нормальных условиях.
Однако закон Ома имеет и определенные ограничения:
- Не выполняется для цепей с переменным и несинусоидальным током
- Нарушается в нелинейных элементах (диоды, транзисторы)
- При экстремально низких и высоких температурах
Поэтому при проектировании ответственных систем нужно принимать во внимание возможные отклонения от идеализированной модели, описываемой законом Ома.
Мощный инструмент
Закон Ома - основной закон электротехники, позволяющий связать между собой силу тока, напряжение и сопротивление. Знание этого закона необходимо любому инженеру для расчета электрических цепей.
Несмотря на кажущуюся простоту, закон Ома очень мощный инструмент анализа. Однако при его использовании нужно понимать сферу применимости и возможные ограничения.
Влияние температуры
В классической формулировке закона Ома сопротивление проводника считается величиной постоянной. Однако на самом деле сопротивление зависит от температуры.
С повышением температуры подвижность носителей заряда (электронов) в металлах возрастает. Это приводит к уменьшению электрического сопротивления. И наоборот, при охлаждении сопротивление растет.
Поэтому для более точных расчетов по закону Ома необходимо учитывать температурный коэффициент сопротивления данного материала.
Сверхпроводимость
При предельно низких температурах некоторые материалы переходят в особое состояние - сверхпроводимость. В этом случае электрическое сопротивление образца падает до нуля.
Таким образом, одно из условий закона Ома (наличие сопротивления) не выполняется. Соответственно, закон Ома теряет силу и не может быть использован для описания сверхпроводников.
Нелинейные элементы
Еще одним важным ограничением закона Ома является то, что он справедлив только для линейных элементов. Линейность означает, что при увеличении напряжения в два раза сила тока также возрастает в два раза.
Однако существует целый класс нелинейных электронных компонентов - диоды, транзисторы, тиристоры и др. Их вольт-амперные характеристики (зависимости тока от напряжения) нелинейны.
Поэтому непосредственное применение закона Ома для расчета цепей, содержащих нелинейные элементы, невозможно.
Переменный и несинусоидальный ток
Еще одно допущение классического закона Ома - наличие постоянного тока в цепи. Однако на практике чаще используется переменный и несинусоидальный ток.
Для анализа цепей переменного тока применяют обобщенный закон Ома, где вместо сопротивления фигурирует комплексная величина - импеданс. При этом учитывается также и реактивное сопротивление элементов цепи.
При несинусоидальном токе анализ еще более осложняется. Приходится разлагать кривую тока на гармонические составляющие и исследовать каждую в отдельности.
Электромагнитные явления
Помимо омического сопротивления, обусловленного рассеянием энергии в проводнике, существует еще явление излучения электромагнитных волн.
Любой проводник с током является излучателем электромагнитной энергии. Это приводит к дополнительным потерям мощности, не учитываемым в законе Ома.
Поэтому при проектировании радиотехнической аппаратуры, антенн и высокочастотных устройств необходимо принимать во внимание и этот эффект.
