"Закон Ома": значення терміна, суть, докладне пояснення

Насамперед: у словосполученні «закон ома» обидва слова можете писати з малої літери тільки якщо ви невіруючий, але цікавитесь буддійською теологією. А у спеціальному терміні «закон Ома» друге слово пишеться з великою, оскільки це прізвище його відкривача – німецького фізика Георга Ома (Georg Simon Ohm) у російському написанні. Буддисти все слово "ОМ" пишуть великими літерами, воно у них сакральне (священне), див. Але й крім сакральних вірувань значення виразу «закон Ома» не обмежується шкільною фізикою та електротехнікою. Стандартне формлювання закону Ома така:

Сила струму в ділянці ланцюга прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна електричному опору даної ділянки ланцюга.

Формула:

де:
I - сила струму в ланцюзі, А;
U - електрична напруга на ділянці ланцюга, В;
R - електричний опір ділянки ланцюга, Ом;

1. «Закон Ома для повного ланцюга це основний закон електротехніки, що описує проходження електричного струму за контуром, що складається з джерела електроенергії та її приймача (споживача)».
2. «Закон Ома виведений за аналогією з гідродинамікою: чим ширший просвіт труби (вища провідність електросхеми, тобто менше її електричний опір), тим більший струм рідини (електричний) вона може пропустити, а чим більший напір (електрична напруга), тим сильнішим буде струм».
3. «На основі закону Ома у повній (інтегральній) формі розроблено решту базових законів електротехніки».
4. «Для розрахунків електричних ланцюгів змінного струму невеликої частоти і без суттєвого зсуву фаз (наприклад, квартирної проводки) закон Ома придатний без подальшого доопрацювання».
5. «На змінному струмі підвищеної частоти та в ланцюгах з помітною реактивністю (зсувом фаз між струмом і напругою; розбіжністю їх максимумів та миттєвих (поточних) значень) використовується закон Ома у комплексній формі».
6. «Для розрахунків резонансних ланцюгів та/або на високих частотах закон Ома непридатний».
7. «У фізиці суцільних середовищ широко використовується закон Ома у диференційній формі».
8. «Окрім електричного закону Ома, в акустиці та електроакустиці застосовується також акустичний закон Ома, отриманий тим самим Георгом Омом».
9. «Акустичний закон Ома говорить, що сила звуку пропорційна квадрату коливальної швидкості джерела, щільності середовища проживання і швидкості поширення звуку у ній».
10. «Чути гучність звуку дорівнює логарифму його сили, розрахованої по акустичному закону Ома, оскільки чутливість людського вуха нелінійна (ми рефлекторно вслухаємося у слабкі звуки і “приглушуємо” гучні)».
11. «Магнітний закон Ома, За яким розраховуються магнітні ланцюги, просто названий на його честь, тому що виведений братами Гопкінс і тому у спеціальній літературі часто називається законом Гопкінса ».
12. «Магнітний закон Ома за змістом і формою запису аналогічний електричному: магнітна індукція серед тим вище, що більше напруженість магнітного поля і магнітна проникність середовища (її здатність намагнічуватися), тобто. чим менший магнітний опір середовища».

Докладно розбирати всі закони Ома ми не будемо: базовий пояснюють у школі, а похідні від нього – у вишах на спецкурсах. Але і «шкільний Ом» не такий простий, тому обмежимося поясненнями до нього з практичними висновками та прикладом, як його можна з користю застосувати (і, можливо, підзаробити на цьому).А вже потім візьмемося за ом, який, можливо, ОМ, але не Ом.

Пояснення

Ом отримав свій закон відразу для повного ланцюга з джерела електрики та його приймача (ліворуч на рис.). Фізичний зміст його такий: джерело електрорушійної сили (е.д.с.) E віддає енергію у зовнішній ланцюг. Якщо виміряти напругу на клемах джерела приладом з дуже великим вхідним опором (див. нижче), то цим ми з достатньою для практики точністю визначимо його (джерела) е.р.с. Потужність джерела не безмежна, що враховується «приписуванням» йому внутрішнього опору r: якщо замкнути зовнішній ланцюг коротко, тобто коли втрат енергії в ньому не буде, то струм короткого замикання вийде_кз = E/r.

Звідси випливає перший важливий практичний висновок: внутрішній опір сучасних алкалайнових (лужних) і літієвих гальванічних елементів (які просто називають батарейками) дуже мало, десяти і соті частки ома. Також мало вхідний опір цифрових мультитестерів в режимі вимірювання струму. Тому не намагайтеся перевіряти батарейки тестером на струм, як старі сольові: прилад, швидше за все, витримає перевантаження екстратоком, в ньому є захист. Але батарейку напевно «посадіть»: літієва лише за секунду КЗ (короткого замикання) втрачає більше чверті заряду, а якщо «коротити» її довше, то перегріється і може луснути, викинувши хмаринку аж ніяк не корисних газів.

Примітка: ом – одиниця електричного опору у системі СІ, названа на честь відкривача закону Ома. Російською в електросхемах, а в текстах у поєднанні з чисельним значенням опору пишеться з великої літери (напр. 27 Ом), але сама по собі – з малої.У мовах, що використовують латинський алфавіт, Ом як одиниця опору позначається великою грецькою літерою Ω. Провідник електрики, як відомо, має електричний опір в 1 Ом, якщо по ньому під дію різниці потенціалів в 1 В (вольт) тече струм в 1 А (ампер).

Далі, пропускна здатність зовнішнього ланцюга по енергії теж не нескінченна, вона чинить опір проходженню електроструму, так само, як по водопровідній трубі не протікає миттєво бочка води. Опір проходження електроструму позначається великою літерою R. У електротехніці, радіотехніці та електроніці як компоненти схем широко застосовуються спеціальні пристрої з точно заданим електричним опором – резистори (від англ. to resist – «опиратися»). При проходженні струму електроенергія нагріває і резистор, і сполучні провідники, і зрештою розсіюється у просторі.

Так як резистор пручається струму, то на ньому (резисторі) має бути деяке падіння електричної напруги, або просто напруга, інакше струм не потече. Аналогічно: при нульовому натиску у водопроводі з крана нічого не витече, як його не крути.

Ланцюг із джерела, замкненого на резистор, називається повним (знову див. зліва на рис.). У повному ланцюзі частина е.р.с. падає на зовнішньому опорі (це напруга джерела під навантаженням U), а частина – на внутрішньому опорі r. Струм у ланцюзі при цьому визначається формулою там же, зліва на рис., Яка і є закон Ома для повного кола. Його можна записати і так: φ1 – φ2 = IR = E – Ir, де φ1 – φ2 – різницю електричних потенціалів на висновках (клемах) джерела.

Насправді внутрішній опір джерел електрики намагаються зробити якнайменше, оскільки що розсіюється у ньому енергія у разі пропадає даремно. Так, внутрішній опір побутової електророзетки (який раз вона не сама джерело струму, називається вихідним) - порядку мОм, тобто тисячних часток ома. А опір, наприклад, ТЭНу прання на 2,5 кВт – 19 з невеликим Ом.

Практичний висновок другий: не жартуйте з електрикою! Воно саме по собі невидиме, нечутне, не пахне, але шарахне – мало не буде.

Примітка: якщо Ом пишеться з великою літерою М попереду, це означає мільйони ом (мегом). Так, опір резистора на 1,8 МОм (або 1,8 MΩ) = 1800000 Ом.

«Шкільний Ом»

Оскільки вихідний опір джерел живлення зазвичай мало, то практично їх у більшості випадків вважатимуться джерелами э.д.с. (втім, див. далі). Звідси випливає «шкільний» закон Ома для ділянки ланцюга (у центрі рис.). Інші форми його запису U = IR [а] та R = U/i [б]. Таким чином, за двома відомими значеннями параметрів ділянки ланцюга завжди можна знайти недостатній: заміряли напругу на невідомому резисторі і струм через нього - обчислюємо опір за формулою [б]; потрібно знайти струм, якщо відомий опір і напруга – беремо формулу в центрі на рис., та ін.

Наприклад, пропонують вам з рук старий електрокамін. Чи не виб'є від його включення квартирний захисний автомат на 25 А? Виміряли опір, тестер показав 32 Ом. Струму цей камін візьме I = U/R = 220 В/32 Ом = 6,875 А. Включати можна, але без прання та мікрохвильової печі. Тому що, якщо при цьому ввімкнеться і бойлер, захист спрацює: 25 А і 220 В це 5500 Вт або 5,5 кВт.Звичайна пралка бере 2,5 кВт; мікрохвильова піч 1,2 кВт; бойлер 1,5 кВт, всього 5,2 кВт, захист на межі, залишку ледве вистачає на холодильник і телевізор, а потужність цього каміна P = UI = 220 Вх6,875 А = 1500 Вт = 1,5 кВт.

Для складного ланцюга

Колись у школах на додаткових заняттях давали закон Ома для складного ланцюга. По суті, це друге правило (або закон) Кірхгофа, яке взагалі вчать вже в електротехнічних вузах. Він легко виходить із закону Ома для повного ланцюга, якщо застосувати векторне додавання джерел е.р.с., про що говорять стрілки над її позначенням праворуч на рис.

«Векторне» означає наступне: вибираємо напрямок обходу ланцюга (зазвичай за годинниковою стрілкою). Джерела, які дають струм по обходу, рахуємо з плюсом, а ті, е.р.с. яких спрямовано проти обходу – з мінусом. Складаємо таким чином всі е.д.с., потім всі зовнішні опори, всі внутрішні, приплюсовуємо один до одного суми опорів, і за формулою закону Ома для повного ланцюга знаходимо струм тільки замість значень готельних компонентів в ній тепер будуть їх суми по контуру .

Приклад розрахунку. Припустимо, що праворуч на рис. у нас E1 = 12, E2 = 24, En = 60 В; R1 = 9 Ом, R2 = 14 Ом, Rn = 38 Ом; r1 = 2 Ом, r2 = 3 Ом, rn = 11 Ом. ΣE = 12 – 24 + 60 = 48 В. ΣR = 9 + 14 + 38 Ом = 61 Ом (складання скалярне, не векторне, «арифметичне»!). Σr = 2 + 3 + 11 Ом = 16 Ом (додавання також скалярне). Отримуємо: I = ΣE/( ΣR + Σr) = 48/(61 + 16) = 48/77 = 0,62337 ... А.

Приклад для практики

Буквально останніми роками напівзабутий закон Ома для складного ланцюга набув несподіваної актуальності (див. також рис.).

Припустимо, ви домашній майстер і у вільний час підробляєте ремонтом свідодіодних електролампочок.Сучасні їх моделі всім хороші, крім одного - згоряють все-таки набагато частіше, ніж хотілося б, судячи з їхньої ціни. Але приблизно в 3/4 випадків відремонтувати несправну світлодіодку можливо.

Найчастіше виходить з ладу один із випромінювачів, які всі включені послідовно. Тобто, знайшовши непридатний, його можна просто закоротити – світловий потік зменшиться ненабагато, а загальний струм через випромінювачі задається джерелом стабільного струму (ІСТ) у драйвері (або контролері), що захований у цоколі.

Випромінювачі застосовуються одно-або двокристальні. Щоб засвітився одинарний, напруга на ньому має бути не меншою. 4; на подвійний потрібно подати вдвічі більше. Тобто тестером випромінювачі не перевіриш – напруга на його щупах у режимі продзвону менше 3 В.

Ну, ви хлопець не промах, а в загашниках і вас знайшлася зарядка для старого телефону. Ви домотали кілька витків до вторинної обмотки її трансформатора (це можна зробити, не випаюючи його), щоб на виході вийшла напруга холостого ходу (без навантаження) U_XX = 10,5 (поз. I на рис.). До 12 і більше підвищувати вихідну напругу не треба: там випрямляч на діоді Шоттки, його таким вольтажем може пробити.

Але "тикати" безпосередньо не можна: максимально допустимий струм випромінювачів 60 мА, а перероблена зарядка за потужністю може видати більше 400 (вихідні дані: 5,6 В; 800 мА). Що ж телефонуємо через обмежувальний резистор на 1 ком.

Однак незабаром виявляється невдача: деякі відремонтовані лампочки дуже швидко знову перегорають. Пошук та аналіз причини призводить до висновку: крім цілком непридатного, там був і випромінювач на межі повної деградації.Замінити на справний можливо, але як знайти «напівдохлий»? За слабким світінням при продзвонюванні він не відрізняється від цілком справних.

Отже, маємо завдання: розрахувати обмежувальний резистор такий, щоб на 100% виявлялися несправні випромінювачі. Вихідні дані до розрахунку наведено на поз II; максимальний продзвонювальний струм I_max беремо в 1,5 рази менше максимально допустимого, щоб випадково не спалити нетиповий випромінювач.

Для початку потрібно знайти внутрішній опір джерела живлення. Для цього навантажуємо його струмом, приблизно в 2 - 2,5 рази більшим за дзвони. Значення необхідного для цього пробного резистора R_п знаходимо згідно із законом Ома для ділянки ланцюга (формула [б]) вище. Підключаємо навантаження, вимірюємо напругу на виході джерела. Допустимо, воно впало до 10,2 В (поз. III). За формулою модифікованого закону Ома для повної ланцюга (внизу праворуч тієї ж поз. III) знаходимо внутрішній опір джерела r = 2,68 Ом; такою його величиною вже не можна знехтувати.

Наступний момент: світлодіодний випромінювач - елемент сильно нелінійний, падіння напруги на ньому слабо залежить від струму, що протікає. Тому вважаємо його «батарейкою», включеною зустрічно до джерела живлення (поз. IV), і, видозмінивши за правилами алгебраїчних викладок формулу закону Ома для складного ланцюга (внизу на поз. IV), відразу знаходимо значення R; у щуп впаюємо найближчий за стандартним номіналом. Отримана схема пробника для перевірки ультраярких світлодіодних випромінювачів показано на поз. V.

Але чи вона придатна для перевірки здвоєних випромінювачів? Знову беремо на озброєння закон Ома для складного кола, поз. VI.Звістковий струм виходить майже 20 мА - OK! На такому струмі «живий» діод уже «палає», а «задохлик» тьмяно тліє. Все, досить теорія, за роботу!

«Інший ОМ»

Взагалі кажучи, буддисти, коли пишуть «ОМ», або лінуються, або ж не розуміють догмату своєї релігії. Тому що правильно це їхнє священне слово пишеться АУМ. Така послідовність споконвічних (утробних) звуків, згідно з концепцією буддизму, символізує три першооснови Всесвіту: Створення, Підтримка (сущого) та Руйнування. Виходячи з цього:

• «Закон ОМу (АУМ) у буддійському віруванні стверджує: "Кожна мантра (сакральне заклинання) повинна починатися звуком АУМ (ОМ), інакше вона не матиме божественної сили"».

Автор: Садов Артур Олександрович, лінгвіст-типолог

Закон Ома та його застосування

Незважаючи на свою простоту, закон Ома є фундаментальним. Він дозволяє розраховувати параметри електричного кола, що забезпечують його працездатність. Хоча цей закон і було виведено на початку 19 століття, він активно застосовується й досі. За його використання важливо розуміти, які фізичні процеси він відбиває, як правильно їх застосовувати.

Початкове та сучасне формулювання

Цей, на перший погляд, простий закон був сформульований німецьким фізиком Георгом Омом у 1826 році. Відповідну наукову статтю він опублікував наступного року.

Цікаво відзначити, що поява цієї роботи не викликала ажіотажу. Наукова громадськість оцінила відкриття Ома лише після публікації робіт фізика Пульє аналогічного змісту 1830 року. У 1833 році Ом отримав ступінь доктора в Нюрнберзькому університеті. У 1872 році одиниця виміру опору стала називатися Омом. У простій формі закон для ділянки ланцюга звучить так:

Закон має емпіричний характер, оскільки він висловлює узагальнений аналіз великої кількості досвідчених даних.

Наразі формула закону Ома для повного електричного ланцюга має такий вигляд:

• ℰ - ЕРС джерела напруги, В;
• I - сила струму в ланцюзі, А.
• R - загальний опір всіх зовнішніх елементів ланцюга, Ом;
• r - внутрішній опір джерела напруги, Ом.

Закон Ома для повного ланцюга враховує повний опір, який є сумою опору ланцюга R і внутрішнього опору джерела струму r.

Георг Ом спочатку сформулював його інакше. Закон Ома для замкненого ланцюга виглядав так:

• a - величина, що характеризує джерело струму. Нині кажуть, що це електрорушійна сила джерела струму;
• b являє собою властивість електричної установки, яка тепер розглядається як внутрішній опір джерела струму;
• l — величина, яка залежить від довжини проводів, що використовуються (у сучасних термінах вона відповідає опору електричного ланцюга).

Як бачимо, закон Ома, застосовуваний повної електричної ланцюга, обох випадках має однакову формулювання.

Також застосовується закон Ома у диференційній формі. У разі розглядаються дуже малі величини. Але це дозволяє застосовувати інтегральне та диференціальне обчислення для складних випадків.

Практичне застосування

Найчастіше внутрішній опір джерела струму вважають відносно малим проти тим, що є у електричної ланцюга. У цьому випадку застосовується закон Ома для замкнутого ланцюга у скороченому формулюванні: I = U/R.

Щоб краще зрозуміти, які фізичні процеси відбуваються в електричному ланцюзі, потрібно враховувати таке:

• У джерелі струму спостерігаються процеси, які призводять до того, що на клемах утворюється різниця потенціалів. При підключенні до них електричного ланцюга нею йде струм. Вважають, що він проходить від позитивного потенціалу до негативного.
• Струм є упорядкованим рухом електронів. У речовині виявляється величезна кількість цих частинок, які переміщуються з великою швидкістю від негативного потенціалу до позитивного.
• Швидкість руху електронів залежить від матеріалу провідника, через який вони проходять, від його перерізу та довжини. Якщо остання вдвічі буде збільшена, це подвоїть опір.

В електричному ланцюзі використовуються резистори в тих випадках, коли для роботи приладу потрібен певний опір. Якщо клеми джерела струму, говорячи простими словами, з'єднати безпосередньо, то опір буде малим, а струм відносно великим. З одного боку, великий струм у деяких випадках здатний розплавити провід, з іншого він призводить до прискореної розрядки батареї.

У речовині рух електронів перестав бути вільним. Переміщаючись, частинки повинні долати опір, витрачаючи свою енергію. Розмір опору залежить від конкретного матеріалу. У провідниках електрони рухаються щодо легко. Через ізолятори струм пройти не може, за винятком тих випадків, коли подається настільки висока напруга, що така ситуація створює пробій.

У напівпровідниках відбуваються складніші процеси, оскільки вони відрізняються жорсткою кристалічною структурою. За наявності домішок певного типу може виникати електронна чи дірочна провідність. Струм може бути рухом, як електронів, так і дірок.

Точнішу характеристику опору можна отримати з наступної формули:

За допомогою питомого опору можна охарактеризувати електричні властивості певної речовини. Ця величина є опір, який має відрізок дроту з даного матеріалу довжиною 1 м і площею перерізу 1 кв. мм.

Опір джерела струму

Закон Ома для повного електричного ланцюга та формули для розрахунку її параметрів характеризують не тільки струм, що проходить через ланцюг, але й той, що існує всередині джерела струму. Закон Ома на ділянці ланцюга не враховує наявність цієї величини.

Батарея акумулятора забезпечує переміщення електронів від позитивної клеми до негативної. Через електричний ланцюг вони постійно рухаються у протилежному напрямку. Зменшення їх кількості на негативній клемі та надлишок на позитивній постійно компенсуються процесами, що відбуваються всередині пристрою.

Таке рух електронів також є електричним струмом. У цьому часткам доводиться долати внутрішній опір джерела струму. При збільшенні температури опір може змінюватись, характер зміни залежить від конкретного матеріалу.

Емпіричний характер закону Ома

При вивченні природи електрики шляхом наукових досліджень проходить формулювання тих чи інших законів. Вони відрізняються між собою як своїм змістом, а й тим, як було виведено. Деякі закони є наслідком з більш загальних тверджень, інші є вдалою спробою пояснити факти, що багато разів спостерігаються.

Закон Ома для однорідної ділянки фактично є спробою створити правило, що відповідає великій кількості спостережень та експериментів.Його формулювання протягом століть підтверджувалося на практиці, набуваючи сили фундаментального закону фізики. Закон Ома, поданий в інтегральній формі, дає можливість проводити розрахунки для різних електричних кіл.

Використання для змінного струму

Як відомо, у ланцюзі змінного струму діє як активний, так і реактивний опір. Перше з них збігається з тим, як розуміли цю величину за часів Георга Ома. Однак індуктивний та ємнісний опір також гальмують рух електронів. І тут застосовується закон Ома для змінного струму.

Щоб використовувати цей закон у таких ланцюгах, замість омічного опору слід розглядати повний, який враховує сумарний вплив активної та реактивної складових опору.

У представленій схемі повний опір позначається як Z. Омічне, індуктивне та ємнісне - відповідно R, XL та XC. Закон Ома для ланцюга змінного струму враховує всі ці різновиди. Формула розрахунку передбачає, що додавання опорів відбувається за правилом векторів.

Для визначення всіх опорів використовують прямокутний трикутник, один катет якого виражає активний опір, а другий реактивний. Останнє дорівнює різниці індуктивного та ємнісного опорів. Визначення повного здійснюється за теоремою Піфагора, за якою довжина гіпотенузи дорівнює кореню квадратному від суми квадратів катетів.

Застосування на практиці

Коли потрібно працювати з електричним ланцюгом, важливо знати напругу, силу струму, опір у всьому ланцюзі або на окремих ділянках. Якщо відомі дві з цих величин, то за допомогою закону Георга Ома можна дізнатися третю без проведення безпосередніх вимірів.

Іноді потрібно використовувати закон Ома для неоднорідної ділянки ланцюга. І тут його розбивають деякі зони і спочатку проводять обчислення їм.

Оскільки від електричних параметрів залежить теплові чи хімічні впливу, застосовуючи закон Ома можна розрахувати можливий ефект. Зокрема, знання таких особливостей дозволяє уникнути руйнівного ефекту надто високої сили струму.

Закон Ома може бути виражений в інтегральній та диференційній формах. У першому випадку йдеться про традиційне формулювання, а його вираження в диференціальній формі враховує питому провідність - величину, зворотну питомому опору.

Насамкінець слід сказати, що вимір опору здійснюється за допомогою спеціального приладу - омметра. Але в працюючому ланцюзі це зробити неможливо. Визначити величину опору без відключення ланцюга можна розрахунковим шляхом використовуючи закон Ома і заздалегідь вимірявши напругу і силу струму потрібному ділянці ланцюга.