Закон ома схема. Закон Ома: формулы, схемы и зависимость силы тока от напряжения

Что такое закон Ома и как он описывает связь между током, напряжением и сопротивлением. Как применяется закон Ома для расчета параметров электрических цепей. Какие формулы используются для вычисления силы тока, напряжения и сопротивления по закону Ома.

Что такое закон Ома и его основная формула

Закон Ома — один из фундаментальных законов электротехники, описывающий связь между силой тока, напряжением и сопротивлением в электрической цепи. Он был открыт немецким физиком Георгом Омом в 1826 году.

Основная формула закона Ома выглядит следующим образом:

I = U / R

где:

• I — сила тока в амперах (А)
• U — напряжение в вольтах (В)
• R — сопротивление в омах (Ом)

Эта формула показывает, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. То есть, чем больше напряжение, тем больше сила тока при постоянном сопротивлении. И чем больше сопротивление, тем меньше сила тока при постоянном напряжении.

Применение закона Ома для расчета параметров электрической цепи

Закон Ома широко применяется для расчета различных параметров электрических цепей. Из основной формулы можно вывести формулы для расчета напряжения и сопротивления:

U = I * R

R = U / I

Это позволяет рассчитать любую из трех величин, если известны две другие. Например:

• Зная напряжение и сопротивление, можно рассчитать силу тока
• Зная силу тока и сопротивление, можно рассчитать напряжение
• Зная напряжение и силу тока, можно рассчитать сопротивление

Такие расчеты очень важны при проектировании и анализе электрических схем.

Графическая интерпретация закона Ома

Закон Ома можно наглядно представить в виде графика зависимости силы тока от напряжения при постоянном сопротивлении. Этот график представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат.

Угол наклона этой прямой определяется величиной сопротивления — чем больше сопротивление, тем меньше угол наклона. Это иллюстрирует обратную пропорциональность между силой тока и сопротивлением при постоянном напряжении.

Закон Ома для участка цепи

Закон Ома в форме I = U / R применим не только для полной цепи, но и для любого ее участка. В этом случае U представляет собой падение напряжения на данном участке цепи, а R — сопротивление этого участка.

Это позволяет анализировать распределение токов и напряжений в сложных разветвленных цепях, применяя закон Ома к отдельным участкам.

Закон Ома для полной цепи

Для полной замкнутой цепи, содержащей источник ЭДС, закон Ома записывается в следующем виде:

I = E / (R + r)

где:

• E — электродвижущая сила источника
• R — сопротивление внешней цепи
• r — внутреннее сопротивление источника

Эта формула учитывает влияние внутреннего сопротивления источника на общий ток в цепи.

Ограничения применимости закона Ома

Закон Ома в классической форме применим не всегда. Существуют ограничения его применимости:

• Закон Ома справедлив только для проводников, в которых отсутствуют источники ЭДС
• Он не применим к нелинейным элементам, у которых сопротивление зависит от протекающего тока (например, полупроводниковые диоды)
• При очень сильных токах и напряжениях могут возникать отклонения от закона Ома из-за нагрева проводников
• В газах и электролитах зависимость между током и напряжением может быть нелинейной

В этих случаях требуется использовать более сложные модели для описания электрических процессов.

Практическое применение закона Ома

Закон Ома находит широкое применение в различных областях техники и электроники:

• Расчет параметров электрических цепей
• Проектирование электронных устройств
• Анализ работы электрических машин и приборов
• Настройка и калибровка измерительных приборов
• Обеспечение электробезопасности

Понимание закона Ома необходимо для всех специалистов, работающих с электрическими и электронными системами.

Как рассчитать силу тока по закону Ома?

Для расчета силы тока по закону Ома необходимо знать напряжение и сопротивление в цепи. Формула выглядит следующим образом:

I = U / R

Например, если напряжение в цепи составляет 12 В, а сопротивление 4 Ом, то сила тока будет равна:

I = 12 В / 4 Ом = 3 А

Таким образом, в данной цепи будет протекать ток силой 3 ампера.

Как определить напряжение, зная силу тока и сопротивление?

Для определения напряжения по закону Ома при известных силе тока и сопротивлении используется формула:

U = I * R

Например, если в цепи протекает ток 2 А, а сопротивление составляет 5 Ом, то напряжение будет равно:

U = 2 А * 5 Ом = 10 В

Таким образом, напряжение в данной цепи составляет 10 вольт.

Зависимость силы тока от напряжения

Закон Ома устанавливает прямую пропорциональную зависимость между силой тока и напряжением при постоянном сопротивлении. Это означает, что при увеличении напряжения в цепи сила тока также увеличивается линейно, если сопротивление остается неизменным.

Эту зависимость можно представить графически в виде прямой линии, проходящей через начало координат. Угол наклона этой прямой определяется величиной сопротивления — чем меньше сопротивление, тем круче наклон линии.

Например, если в цепи с сопротивлением 2 Ом напряжение увеличится с 4 В до 8 В, то сила тока возрастет с 2 А до 4 А, то есть также в два раза.

Понимание этой зависимости очень важно при анализе и проектировании электрических цепей, так как позволяет предсказывать изменение тока при изменении напряжения.

Закон Ома для электрической цепи

Электрический ток, как и любой процесс, подчиняется законам физики. Знаменитый немецкий физик Георг Симон Ом, именем которого названа единица измерения сопротивления, в 1826 году эмпирически вывел формулы, связывающие между собой ток, напряжение и сопротивление. Поначалу закон вызвал недоверие и критику в научных кругах. Затем правильность его рассуждений была подтверждена французом Клодом Пулье и труды Ома получили заслуженное признание.

Содержание

1. Закон Ома для электрической цепи (полной)
2. Электродвижущая сила и внутреннее сопротивление
3. Закон Ома для переменного тока

Закон Ома для электрической цепи (полной)

Частный случай – закон Ома для участка цепи:

Обозначение	Единица измерения	Физический смысл
I	Ампер	Сила тока в цепи
ԑ	Вольт	Электродвижущая сила (э. д.с.) источника питания
r	Ом	Внутреннее сопротивление источника питания
R	Ом	Сопротивление нагрузки, подключенной и источнику
U	Вольт	Падение напряжения на сопротивлении нагрузки

Поясняющая схема к закону Ома

Добавим к этим формулам еще и электрическую мощность, выделяемую при прохождении тока:

В результате получается ряд формул, которые выводятся математически. Они связывают между собой все перечисленные физические величины.

Напряжение	Ток	Сопротивление	Мощность

Электродвижущая сила и внутреннее сопротивление

Электродвижущая сила источника напряжения характеризует его способность обеспечивать постоянную разность потенциалов на выводах. Эта сила имеет неэлектрическую природу: химическую у батареек, механическую – у генераторов.

Какова роль внутреннего сопротивления источника питания и что это такое? Допустим, вы замкнули накоротко выводы автомобильного аккумулятора медным проводником небольшого сечения. В физическом смысле вы подключили к источнику постоянного тока сопротивление, близкое к нулю. Если воспользоваться формулой для участка цепи, то через аккумулятор и проволоку должен пойти ток бесконечно большой величины. На деле этого не происходит, но проволока сгорит.

Теперь замкнем этой же проволокой батарейку. Ток через нее пойдет меньший. Это объясняется большим, чем у аккумулятора, значением внутреннего сопротивления. При малом сопротивлении нагрузки формула закона для полной цепи превращается в

В итоге ток через замкнутую накоротко батарейку будет иметь конечное значение, а мощность приведет к нагреву батарейки. Если бы мы замкнули аккумулятор более толстым проводом, выдержавшим ток короткого замыкания, то он ощутимо нагрел бы источник изнутри.

Э.Д.С. источника можно с некоторой точностью измерить вольтметром с высоким входным сопротивлением. Внутреннее же сопротивление источника нельзя измерить напрямую, а только рассчитать.

Закон Ома для переменного тока

На переменном токе в формуле закона Ома используется не активное, а полное сопротивление (Z).

Эта величина учитывает и активное, и реактивное сопротивление нагрузки, которое в свою очередь имеет индуктивную

и емкостную

составляющие.

Общее реактивное сопротивление цепи:

Знак (-) означает, что индуктивный и емкостной токи находятся в противофазе и друг друга компенсируют.

Оцените качество статьи:

Электрическая цепь, её элементы, закон Ома

I. Линейные электрические цепи постоянного тока:

1.1. Электрическая цепь и ее элементы

    Электрическая цепь представляет собой совокупность устройств, предназначенных для производства, передачи и потребления электрической энергии. Пример простейшей электрической цепи показан на рис. 1.1. Кружок со стрелкой внутри и стоящей рядом буквой Е (рис. 1.1, а) обозначает так называемый источник ЭДС (его еще называют источником напряжения). Это идеализированный источник энергии, внутреннее сопротивление которого равно нулю, а напряжение постоянно по величине, равно ЭДС реального источника и не зависит от протекающего по нему тока. Стрелка показывает направление возрастания потенциала внутри источника. Плюс находится у острия, минус – у хвоста стрелки. Ток во внешней цепи протекает по направлению стрелки ЭДС – от плюса источника к минусу. Внутреннее сопротивление реального источника

R₀ соединяется последовательно с ЭДС Е, и в совокупности они образуют схему замещения реального источника (на рис. 1.1, а обведена пунктиром). См. Рис. 1.1. Простейшая электрическая цепь:

    Другое представление схемы генератора осуществляется в виде параллельного соединения источника тока и сопротивления R0 (рис. 1.1, б). Под источником тока понимают также идеализированный источник энергии, внутреннее сопротивление которого бесконечно велико, и который вырабатывает ток J, не зависящий от величины нагрузки R и равный частному от деления ЭДС реального источника на его внутреннее сопротивление J = E/R0. На схеме он изображается кружком с двойной стрелкой, рядом с которым ставится буква J (рис. 1.1, б).

  В схеме рис. 1.1, а ЭДС равна сумме напряжений на нагрузке и внутреннем сопротивлении источника:

Е = U + IR0     Отсюда      U = E – IR0.   (1.1)

   См. рис. 1.2. Внешняя характеристика генератора. Последнее выражение представляет так называемую внешнюю характеристику генератора. Оно говорит о том, что напряжение на его зажимах меньше ЭДС на величину падения напряжения на внутреннем сопротивлении (рис. 1.2). Чем больше ток и внутреннее сопротивление генератора, тем меньше выдаваемое им напряжение. При холостом ходе генератора (при I = 0) напряжение, измеренное на его разомкнутых зажимах равно ЭДС: U = E.

     См. Рис. 1.3. Напряжение на зажимах источника. На практике часто приходится сталкиваться с элементами схемы, показанными на рис. 1.3. Разница между ними заключается во взаимном направлении стрелок ЭДС и напряжения. В первом случае (рис. 1.3,

а), когда эти стрелки направлены противоположно друг другу, напряжение определяется как разность потенциалов положительного и отрицательного зажимов источника и поэтому положительно. При одинаковых направлениях стрелок E и U (рис. 1.3, б) напряжение равно разности отрицательного и положительного потенциалов, а потому оно отрицательно: U = – E.

   Пример 1.1.

   Напряжение холостого хода батареи равно 16,4 В. Чему равно ее внутреннее сопротивление, если при токе во внешней цепи, равном 8 А, напряжение на ее зажимах равно 15,2 В?
   Решение. В соответствии с уравнением (1.1) из схемы, показанной на рис. 1.4, а, следует U = Uх = E = 16,4 В. Откуда схема 1.4, б дает:

 R0 = 0,15 Ом.

 

     При решении задачи надо учесть, что измерение проводилось идеальным вольтметром, имеющим бесконечно большое сопротивление. При конечной величине сопротивления вольтметра в измерение вносится погрешность.

Пример 1.2.

    ЭДС батареи измеряется вольтметром, имеющим сопротивление R_V. Чему равно показание вольтметра при трех различных значениях его сопротивления, если Е = 80 В, = 100 Ом? 

Решение. Показание вольтметра UV равно падению напряжения на его сопротивлении (см. рис. 1.5):

(1.2)

а) RV = 100 кОм:	В;
б) RV = 2,5 кОм:	В;
в) RV = 400 Ом:	В.

    Чем больше сопротивление вольтметра, тем меньше погрешность измерения. Как следует из формулы (1.2), только при RV ^∞ показание вольтметра равно ЭДС: UV = E.
Нагрузкой в схеме на рис. 1.1 служит сопротивление R. Напряжение на его зажимах связано с током законом Ома:
                                                          I = GU,     (1.3)
где G – проводимость (под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток, под воздействием постоянного поля), величина, обратная сопротивлению R; единица измерения – сименс (См., русское обозначение: См; международное обозначение: S.  По определению сименс равен электрической проводимости проводника (участка электрической цепи), сопротивление которого составляет 1 Ом.). 

При G = const выражение (1.3) представляет собой уравнение прямой, проходящей через начало координат. Его график (рис. 1.6) называется вольтамперной характеристикой. Элементы электрической цепи, имеющие аналогичную (прямолинейную) вольтамперную характеристику, называются линейными. Электрическая цепь, состоящая только из линейных элементов, также называется линейной. Полагая в уравнении (1.3), получим U = IR. Последнее выражение справедливо, когда стрелки напряжения и тока у резистора направлены в одну сторону (рис. 1.7, а). При изменении на схеме направления любой из стрелок в правой части закона Ома следует ставить минус (рис. 1.7, б). Здесь при определении напряжения на элементе мы «идем по стрелке» напряжения против стрелки тока. Рядом с буквой U можно ставить два индекса, обозначающие точки, между которыми определяется напряжение; например, Uab – напряжение между точками а и b. При этом направление стрелки напряжения на схеме определяется порядком следования индексов – от а к b (от первого индекса ко второму).

1.2. Закон Ома для участка цепи с ЭДС

   На практике часто встречается задача, когда требуется определить ток в некоторой ветви при известных ее параметрах и потенциалах ее зажимов.
Пусть в схеме на рис. 1.8, а заданы R, E, φ a, φ b, и требуется определить ток. Между R и E отметим промежуточную точку с и выразим ее потенциал через потенциалы точек а и b.

    Так как в резисторе ток протекает слева направо, то потенциал точки а выше потенциала точки с на величину падения напряжения в активном сопротивлении:

      φ _a = φ _с + IR.                       (1.4)

Точка b находится на положительном полюсе источника, а с – на отрицательном. Поэтому

φ _b = φ _с + E.                     (1.5)

    Беря разность левых и правых частей выражений (1. 4) и (1.5), получим

φ _a – φ _b = IR – Е,        откуда

    Для цепи на рис. 1.8, б после аналогичных рассуждений будем иметь

I = (φ _a – φ _b – E) G.

φ — в данном случае обозначает потенциал разных точек — а,b,c.

    В двух последних формулах ЭДС записывается с плюсом, если ее направление на схеме совпадает с направлением тока, и с минусом – в противоположном случае.

Закон Ома

Электрические схемы используются во всей аэрокосмической технике, от систем управления полетом, до приборной панели, до двигателя системы управления, чтобы аэродинамическая труба аппаратура и эксплуатация. В самой простой схеме используется один резистор . и источник электрического потенциала или напряжения . Электроны проходят через схема, производящая ток электроэнергии. Сопротивление, напряжение и ток связаны между собой соотношением Закон Ома , как показано на рисунке. Если обозначить сопротивление через R , ток через i , а напряжение через V , то закон Ома гласит, что: В = я Р Сопротивление — это свойство цепи, которое противодействует потоку электронов. через провод. Это аналогично трению в механической системе или аэродинамической системе. тяга. Сопротивление измеряется в Ом и зависит от геометрия резистора и материал, из которого изготовлен резистор. На атомном уровне, свободные электроны в материале находятся в постоянном беспорядочном движении, постоянно сталкиваясь друг с другом и с окружающими атомами материала. При приложении электрического поля электроны преимущественно движутся в направлении, противоположном полю. Атомы образуют матрицу, через которую электроны шаг. В зависимости от расстояния, размера и ориентации матрицы скорость потока электронов будет меняться. Различные материалы имеют разные значения электропроводность . Удельное сопротивление материала является обратной величиной проводимости и обозначается как rho . Если материал имеет длину l и площадь поперечного сечения A , сопротивление равно предоставлено: R = (ро * л) / А Когда электроны движутся через материал, сталкиваясь друг с другом и с атомной матрицей, электроны генерируют случайную тепловую энергию или тепло. Из-за случайного характера движения, столкновения необратимы и вызывают увеличение энтропия как описано во втором законе термодинамики. Необратимое выделение тепла резистором рассеивает мощность из цепи. сила 92 Р Таким образом, резистор имеет два номинала: 1) его омическое значение и 2) его способность рассеивать мощность. Поскольку сопротивление зависит от геометрии резистора или провода, а геометрия можно изменить приложенной силой, мы можем построить электрическую цепь для обнаружения сил по изменению сопротивления. Электрический тензорезисторы являются одним из самых распространенных типов инструментов, используемых в испытания в аэродинамической трубе. При построении практической схемы обычно используется более одного резистора. Резисторы может быть подключен в параллельно или в серия с источником питания. Специальная схема, называемая Мост Уитстона используется при испытаниях в аэродинамической трубе для исключить температурную погрешность в тензодатчиках. Виды деятельности: Навигация .. Домашняя страница руководства для начинающих

Анализ цепей, часть 3: Закон Ома, мощность и энергия | Джейсон Холл

Во второй части этой серии статей я представил введение в электрическое сопротивление. В этой статье я повторю некоторые принципы закона Ома, которые были представлены в предыдущих статьях, и представлю электрическую мощность и энергию. Я также кратко расскажу о программах SPICE и их использовании для анализа цепей.

Георг Ом определил, что ток (I) в цепи прямо пропорционален приложенному напряжению (E) и обратно пропорционален сопротивлению (R). Закон Ома гласит, что I = E/R. Уравнение можно изменить для решения любой из трех переменных:

Обычно источник напряжения показан слева, а нагрузка (в данном случае резистор) показана справа со стрелкой, указывающей направление тока (обычное направление):

На принципиальных схемах вы часто увидите напряжение, представленное как E, так и V. Различие здесь заключается в том, что источники напряжения обозначаются буквой E, а нагрузки обозначаются буквой V. Часто также указывается полярность напряжения:

E обозначает источник напряжения, а V обозначает нагрузку.

Электрическая мощность (P) — скорость, с которой электрическая энергия передается по электрической цепи. Единицей мощности в системе СИ является ватт.

Легко рассчитать мощность в ваттах, подводимую к нагрузке, используя уравнения для мощности. Допустим, у вас есть цепь с источником 120 В и нагрузкой с сопротивлением 15 Ом. Как вы можете видеть ниже, существует несколько способов расчета подаваемой мощности:

С точки зрения электричества, энергия – это просто мера мощности, поставляемой в единицу времени. Например, если лампочка мощностью 100 Вт горит в течение пятнадцати часов, энергия, используемая лампочкой, составляет (100 Вт) (15 часов) = 1500 Втч (ватт-часов).

В Северной Америке энергия измеряется в киловатт-часах, поэтому эквивалент равен 1500 Втч/1000 = 1,5 кВтч.

Программное обеспечение SPICE (Программа моделирования с акцентом на интегральные схемы) часто используется в промышленности для проектирования схем и имитации их поведения. Существует множество продуктов, использующих SPICE, и в будущих статьях я буду использовать одну из этих программ под названием 9.0081 Multisim , чтобы проиллюстрировать сделанные выводы. LTspice — альтернатива Multisim с открытым исходным кодом.

Я создал простую резистивную цепь сверху в Multisim и подключил ваттметр для измерения мощности, подаваемой на нагрузку. Обратите внимание, что ток измеряется последовательно с нагрузкой (красные провода), а напряжение измеряется на нагрузке (синие провода):

• Ток в резистивной цепи пропорционален приложенному напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.
• Закон Ома можно использовать для определения напряжения, силы тока и сопротивления.
• Источники напряжения часто обозначаются буквой E, а нагрузки обозначаются буквой V.
• Электрическая мощность — это скорость, с которой электрическая энергия передается в цепи, и измеряется в ваттах.
• Энергия является единицей измерения электрической мощности в единицу времени и измеряется в ватт-часах.
• Программное обеспечение SPICE используется в промышленности для облегчения проектирования и анализа схем.

В следующей серии статей я представлю базовый анализ цепей постоянного тока последовательных цепей, параллельных цепей и последовательно-параллельных цепей.