Закон Ома для электрической цепи

Электрический ток, как и любое другое физическое явление подчиняется определенным законам. Так, в 1826 году, Георг Ом вывел эмпирический закон, который способен объяснить зависимость силы тока, напряжения, а также особенностей проводника в электроцепи. В дальнейшем вносились определенные изменения, сам закон Ома для электрической цепи модифицировался, и на данный момент ученые его интерпретируют в четырех вариантах, которые мы и рассмотрим.

В ходе практических исследований, на их базе, ученый смог определить зависимость силы тока и напряжения от специфики проводника, по которому протекает ток. Если быть точнее, то каждый материал имеет определенное сопротивление и на определенном участке цепи, сила тока вычисляется отношением напряжения и сопротивления.

I = U/ R,

где I – сила тока, U – напряжение, R – сопротивление проводника.

Фактически, этот закон аналогичен прохождению воды по трубам: чем больше диаметр трубы и напор, тем больше ее выльется в конечной точке.

Закон Ома для замкнутой цепи

Подобная интерпретация подразумевает наличие источника питания, а также проводника, по которому протекает ток. В этом случае, помимо сопротивления на отдельно взятом участке следует учитывать и то, которое возникает в ИП. Учитывая эти факторы, можно сказать, что сила тока будет равна отношению электродвижущей силы к сумме сопротивлений.

I = E/ Rвн+r,

где Е – ЭДС, Rвн – внешнее сопротивление, а r соответственно внутреннее.

Закон Ома для замкнутой цепи можно объяснить доступным языком. Электродвижущая сила по определению должна полноценно обеспечивать постоянную разницу потенциалов, и эта сила может иметь неприродное происхождение: химическое, если в качестве источника используется батарейка или механическая, в случае подключения к электрической цепи генератора. При подключении медной проволоки с идентичным сечением к батарейке и аккумулятору. Эффект должен быть таким, что по этому проводнику, в котором сопротивление практически отсутствует, должен пойти ток с величиной, стремящейся к бесконечности. Однако этого не происходит и разница в показателях будет существенной, а во втором случае, проволока и вовсе может перегореть. Именно поэтому в расчет берется внутреннее сопротивление источника питания, чтобы описать подобное явление.

Закон ома для неоднородного участка цепи

Перед тем, как записать формулу для подобной интерпретации закона, следует разобраться в таких понятиях, как линейные и нелинейные участки цепи.

Если сопротивление никаким образом не зависит от тока и подаваемого напряжения, то с ростом второго параметра, первый будет прямо пропорционально возрастать и наоборот, то есть зависимость можно описать прямой линией. Подобная зависимость относится к линейным участкам цепи и сопротивление имеет аналогичное название.

Однако вышеизложенный вариант считается идеальным и его можно смоделировать лишь в идеальных условиях, что фактически невозможно, ведь, как минимум, окружающая среда вносит свои коррективы. В этом случае, рост напряжения не будет прямо пропорциональным силе тока и на графике зависимость будет изображаться в виде кривой.

На рисунке изображено два графика, первый из которых описывает линейную зависимость, а второй нелинейную.

Чтобы отчетливо понимать разницу между этими понятиями, рассмотрим принцип работы обычной электрической лампы накаливания. При прохождении тока по нити, температура в значительной степени повышается, что приводит к заметному росту сопротивления. Соответственно, при возрастании напряжения, сила тока будет увеличиваться медленнее, то есть не линейно.

Примечание: в некоторых ситуациях, некоторыми внешними факторами пренебрегают по причине того, что они очень незначительны и в числовом эквиваленте никоим образом не могут повлиять на общую картину. Это значит, что нелинейная зависимость на графике фактически совпадает с линейной.

Учитывая вышесказанное, можно установить следующую зависимость:

I = U/ R = (f1 – f2) + E/ R,

Где f1 и f2 – потенциалы (соответственно f1 – f2 называется разницей потенциалов), E – ЭДС неоднородного участка цепи, а R – суммарное сопротивление на этом же участке.

Нужно упомянуть и о том, что электродвижущая сила не всегда в этом случае будет иметь положительное значение. Если направление тока источника будет аналогичным с направлением в электрической сети, протонов будет больше, чем электронов (положительных и отрицательных частиц), то в этом случае величина E будет иметь значение со знаком «+», в иной ситуации, этот параметр будет со знаком «-».

Закон Ома для переменного тока

Если в электроцепи имеется емкость или инертность, то этот факт следует однозначно учитывать при расчётах силы тока. Они имеют собственные показатели сопротивления, что приводит к ситуации, которая будет иметь переменный характер. В случае Закона Ома для переменного тока формула записывается следующим образом:

I = U/ Z, где

I – сила тока, U – напряжение, а Z – суммарное значение сопротивления на всех участках электрической цепи (этот параметр именуется еще, как импеданс).

Как говорилось изначально, закон Ома считается эмпирическим. Это обозначает то, что он может не всегда работать и выполнять вычисления на его основе не представляется возможным. Подобная ситуация может сложиться в нескольких случаях:

• в ситуации, когда электросеть имеет высокую частоту и электромагнитное поле может сильно изменяться за короткие промежутки времени;
• при наличии проводников, которые обладают свойствами сверхпроводимости, расположенных в условиях низких температурных показателей;
• при перегреве проводника под воздействием проходящего по нему тока, отношение напряжения и сопротивления может носить переменный, неоднородный характер;
• если проводник (диэлектрик) находится под высоким напряжением;
• светодиодных лампах;
• в полупроводниках и аналогичных устройствах.

На основе этого закона, можно произвести вывод некоторых формул математическим путем. С их помощью можно производить разнообразные расчеты.