Соединенный проводами с различными электроприборами и потребителями электри-ческой энергии, образует электрическую цепь.
Электрическую цепь принято изображать с помощью схем, в которых элементы электрической цепи (сопротивления , источники тока, включатели, лампы, при-боры и т. д.) обозначены специальными значками.
Направление тока в цепи — это направление от положи-тельного полюса источника тока к отрицательному. Это пра-вило было установлено в XIX в. и с тех пор соблюдается. Перемещение реальных зарядов может не совпадать с ус-ловным направлением тока. Так, в металлах носителями тока являются отрицательно заряжен-ные электроны, и движутся они от отрицательного полюса к положительному, т. е. в обратном направлении. В электролитах реальное перемещение зарядов может совпадать или быть противоположным направлению тока, в зависимости от того, какие ионы являются носителями заря-да — положительные или отрицательные.
Включение элементов в электрическую цепь может быть последовательным или параллельным .
Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника тока и ре-зистора R .
Закон Ома для полной цепи устанавливает связь между силой тока в цепи, ЭДС и полным сопротивлением цепи, состоя-щим из внешнего сопротивления R и внутреннего сопротивления источ-ника тока r .
Работа сторонних сил A ст источника тока, согласно определению ЭДС (ɛ ) равна A ст = ɛq , где q — заряд , перемещенный ЭДС. Согласно определе-нию тока q = It , где t — время, в течение которого переносился заряд. Отсюда имеем:
A ст = ɛ It .
Тепло, выделяемое при совершении работы в цепи, согласно закону Джоуля — Ленца , равно:
Q = I 2 Rt + I 2 rt .
Согласно закону сохранения энергии А = Q . Приравнивая (A ст = ɛ It ) и (Q = I 2 Rt + I 2 rt ), получим:
ɛ = IR + Ir.
Закон Ома для замкнутой цепи обычно записывается в виде:
.
Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.
Если цепь содержит несколько последовательно соединенных ис-точников с ЭДС ɛ 1 , ɛ 2 , ɛ 3 и т. д., то полная ЭДС цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных источников. Знак ЭДС источника определяется по отношению к направлению обхода контура, который выбирается произвольно, например, на рисунке ниже — против часовой стрелки.
Сторонние силы внутри источника совершают при этом по-ложительную работу . И наоборот, для цепи справедливо следующее уравнение:
ɛ = ɛ 1 + ɛ 2 + ɛ 3 = | ɛ 1 | - | ɛ 2 | -| ɛ 3 | .
В соответствии с сила тока положительна при положительной ЭДС — направление тока во внешней цепи совпадает с направлением обхода контура. Полное сопротивление цепи с несколькими источниками равно сумме внешнего и внутренних сопротивлений всех источников ЭДС, например, для рисунка выше:
R n = R + r 1 + r 2 + r 3 .
Замкнутая (полная) электрическая цепь состоит из и сопротивления.
Источник тока имеет ЭДС () и сопротивление (r), которое называют внутренним . ЭДС (электродвижущая сила ) - работа сторонних сил по перемещению положительного заряда по замкнутой цепи (физический смысл аналогичен напряжению , потенциалу). Полное сопротивление цепи - R+r.
,
где величина - падение напряжения
внутри источника тока.
2) Если внешнее сопротивление замкнутой цепи равно нулю, то такой режим источника тока называется коротким замыканием.
Мощность, выделяемая на внешнем участке цепи, называется полезной
При условии R=r мощность, выделяемая во внешней цепи, максимальная для данного источника и равна
Полная мощность - сумма полезной и теряемой мощности
Коэффициент полезного действия источника тока - отношение полезной мощности к полной
Для существования постоянного тока в цепи необходимо непрерывно разделять электрические заряды, которые под действием сил Кулона стремятся соединиться. Для этого необходимы сторонние силы. ЭДС характеризует действие этих сторонних сил. А сама эта работа осуществляется внутри источников ЭДС. Электрические заряды внутри источников ЭДС движутся против кулоновских сил под воздействием сторонних сил.
Сравнивая электрический ток с течением жидкости в трубах, можно сказать, что источник работает, как насос, который подает воду из нижнего резервуара в верхний, из которого она под действием силы тяжести стекает в нижний резервуар.
В быту «источником тока» часто неточно называют любой источник электрического напряжения (батарею, генератор, розетку), но в строго физическом смысле это не так, более того, обычно используемые в быту источники напряжения по своим характеристикам гораздо ближе к источнику ЭДС, чем к источнику тока из-за наличия внутреннего сопротивления.
В настоящее время выпускают множество различных источников ЭДС - от маленьких батареек для часов до генераторов.
Внутри источника тока происходит разделение зарядов из-за процессов, происходящих внутри источника, например, химических процессов.
Гальванический элемент - химический источник тока, основанный на взаимодействии двух металлов и (или) их оксидов в электролите (батарейки, аккумуляторы).
Георг Симон Ом, выдающийся немецкий физик. Именно ему принадлежит одно из важнейших открытий, без которого сложно себе представить работу всех тех людей, которые работают с электричеством. Конечно, в жизни мы пользуемся и другими законами, не менее важны, например первый и второй законы Кирхгофа, но именно благодаря Георгу Ому и его закону мы сейчас можем довольно легко посчитать, какой ток будет протекать в проводе при заданной мощности или посчитать мощность, которую можно присоединить на провод.
Конечно, на этом использование его закона не заканчивается и имеет более широкое применение, но в целом, для бытовых нужд мы используем один из его законов: закон Ома для участка цепи, который гласит –сила тока в цепи прямопропорциональна приложенному напряжению и обратнопропорциональна сопротивлению цепи . В виде формулы это выглядит так: I=U/R. Как известно, мощность – это произведение тока и напряжения (P=U I), отсюда легко узнать напряжение или ток, если известна мощность, но неизвестна одна из требуемых величин: ток или напряжение. Чтобы не писать здесь все эти формулы, настоятельно рекомендую сохранить себе вот такую диаграмму
И тогда вам не придется все запоминать или выводить. Очень простая диаграмма. Внутри круга искомая величина, снаружи формула, по которой ее можно найти, используя известные величины.
Но Ом вывел и другие более сложные законы. Например: закон Ома для полной цепи. В этом случае учитывается не только сопротивление самой цепи, но и сопротивление источника питания. И звучит он так: Сила тока в замкнутой цепи, состоящей из источника тока (или напряжения) с внутренним сопротивлением и нагрузки, которая также, естественно имеет сопротивление, равна отношению величины ЭДС (электродвижущей силы) источника к сумме внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки.
где ɛ — это ЭДС источника, r – внутреннее сопротивление источника, R – внешнее сопротивление цепи.
В таком виде этот закон справедлив для напряжения, которое носит характер постоянного, то есть не меняет своего значения с течением времени. Если проще выразиться, у которого есть плюс и минус. Типичным примером источника постоянного напряжения является батарейка.
В переменном токе закон Ома так же справедлив, но вносится небольшая корректировка. Дело в том, что в сетях переменного напряжения присутствуют такие элементы, как индуктивность и емкость. Об этом мы немного говорили в статье «Общее сопротивление электрической цепи». Поэтому для переменного напряжения будет справедлива формула I=U/Z, где Z – это полное сопротивление цепи. Для индуктивности она будет равна 
а для емкости 
Таким образом, реактивное сопротивление будет выглядеть так 
ну а полное сопротивление цепи В итоге, мы получаем формулу закона Ома для полной цепи, которая выглядит так.
Вряд ли в жизни вам пригодится эта формула, ибо мне, как электрику, который делает ремонты в домах, квартирах и других сооружениях, она еще ни разу не пригодилась. В основном я пользуюсь формулой, которую ошибочно называют «Законом Ома» для участка цепи, о которой я писал выше, и которая более востребована для расчетов.
На практике закон Ома для полной цепи может потребоваться лишь только для того, чтобы вычислить внутреннее сопротивление источника ЭДС. Так же величина тока важна при . В большинстве случаев мы сталкиваемся с этим законом только в школе на уроках физики и благополучно об этом забываем.
Любому, кто выбрал ремонт и обслуживание электроустановок своей специальностью, хорошо известно утверждение преподавателей: «Закон Ома для замкнутой цепи нужно знать. Даже проснувшись среди ночи, важно суметь его сформулировать. Потому что это основа всей электротехники». Действительно, закономерность, открытая выдающимся немецким физиком Георгом Симоном Омом, повлияла на последующее развитие науки об электричестве.
В 1826 году, проводя эксперименты по изучению прохождения по проводнику, Ом выявил прямую взаимосвязь между подведенным к цепи напряжением источника питания (хотя в данном случае корректнее говорить об электродвижущей силе ЭДС) и сопротивлением самого проводника. Зависимость была теоретически обоснована, в результате чего появился закон Ома для замкнутой цепи. Важная особенность: актуальность выявленного фундаментального закона справедлива лишь при отсутствии внешней возмущающей силы. Другими словами, если, например, проводник находится в переменном магнитном поле, то непосредственное применение формулировки невозможно.
Закон Ома для замкнутой цепи был выявлен при изучении простейшей схемы: источник питания (обладающий ЭДС), от двух его выводов к резистору идут проводники, в которых происходит направленное движение несущих заряд элементарных частиц. Отсюда, ток представляет собой отношение электродвижущей силы к суммарному сопротивлению контура:
где E - электродвижущая сила измеряется в вольтах; I - значение тока, в амперах; R - электрическое сопротивление резистора, в Омах. Отметим, что закон Ома для замкнутой цепи учитывает все составляющие R. При расчетах полной замкнутой цепи под R понимают сумму сопротивлений резистора, проводника (r), источника питания (r0). То есть:
Если источника r0 больше, чем сумма R+r, то сила тока не зависит от характеристики подключенной нагрузки. Другими словами, источник ЭДС в этом случае является Если же значение r0 меньше, чем R+r, то ток обратно пропорционален суммарному внешнему сопротивлению, а источник питания формирует напряжение.
При выполнении точных расчетов учитывают даже потерю напряжения в местах соединений. Электродвижущую силу определяют путем замера разности потенциалов на выводах источника при отключенной нагрузке (цепь разомкнута).
Законы Ома для участка цепи применяются столь же часто, как и для замкнутого контура. Отличие в том, что в расчетах не учитывается ЭДС, а лишь разность потенциалов. Такой участок называется однородным. В таком случае имеет место частный случай, позволяющий рассчитывать характеристики на каждом ее элементе. Запишем его в виде формулы:
где U - напряжение или разность потенциалов, в вольтах. Замеряется вольтметром путем параллельного подключения щупов к выводам какого-либо элемента (сопротивления). Полученное значение U всегда меньше ЭДС.
Собственно, именно эта формула является наиболее известной. Зная две любых составляющих, из формулы можно найти третью. Расчет контуров и элементов выполняют посредством рассматриваемого закона для участка цепи.
Закон Ома для магнитной цепи во многом схож с его трактовкой для электрического контура. Вместо проводника используется замкнутый магнитопровод, источником является обмотка катушки с проходящим по виткам током. Соответственно, возникающий замыкается по магнитопроводу. Магнитный поток (Ф), циркулирующий по контуру, непосредственно зависит от значения МДС (магнитодвижущей силы) и сопротивления материала прохождения магнитного потока:
где Ф - магнитный поток, в веберах; F - МДС, в амперах (иногда гилбертах); Rm - сопротивление, вызывающее затухание.
В данной статье расскажем про закон Ома, формулы для полной цепи (замкнутой), участка цепи, неоднородного участка цепи, в дифференциальной и интегральной форме, переменного тока, а также для магнитной цепи. Вы узнаете какие материалы соответствуют и не соответствуют закону Ома, а также где он встречается.
постоянный ток , протекающий через проводник, прямо пропорционален напряжению 
, приложенному к его концам и обратно пропорционален сопротивлению .
Закон Ома был сформулирован немецким физиком и математиком Георгом Омом в 1825-26 годах на основе опыта. Это экспериментальный закон, а не универсальный — он применим к некоторым материалам и условиям.
Закон Ома является частным случаем более позднего и более общего — второго закона Кирхгофа
Ниже будет представлено видео, в котором объясняется закон Ома на пальцах.
Интенсивность постоянного тока, протекающего через проводник, пропорциональна напряжению, приложенному к его концам. В интернете часто называют данную формулу первым законом Ома:
U — напряжение
I — сила (интенсивность) тока
R — Сопротивление
Электрическое сопротивление:
Коэффициент пропорциональности R называется электрическим сопротивлением или сопротивлением.
Отношение напряжения к току для данного проводника является постоянным:
Единица электрического сопротивления составляет 1 Ом (1 Ω):
Резистор имеет сопротивление 1, если приложенное напряжение 1 вольт и сила тока составляет 1 ампер.
Зависимость электрического сопротивления от размера направляющей:
Сопротивление проводящей секции с постоянным поперечным сечением R прямо пропорционально длине этого сегмента li, обратно пропорциональному площади поперечного сечения S:
R — электрическое сопротивление
ρ — удельное сопротивление
I — длина направляющей
S — площадь поперечного сечения
Эта зависимость была подтверждена экспериментально британским физиком Хамфри Ди в 1822 году до разработки закона Ома.
— это значение силы (интенсивности) тока в настоящей цепи, который зависит от сопротивления нагрузки и от источника тока (E), также его называют вторым законом Ома.
Электрическая лампочка является потребителем источника тока, подключив их вместе, они создают полную электро-цепь. На картинке выше, вы можете увидеть полную электрическую цепь, состоящую из аккумулятора и лампы накаливания.
Электричество, проходит через лампу накаливания и через сам аккумулятор. Следовательно, ток проходя через лампу, в дальнейшем пройдет и через аккумулятор, то есть сопротивление лампочки складывается со сопротивлением аккумулятора.
Сопротивление нагрузки (лампочка), называют внешним сопротивлением , а сопротивление источника тока (аккумулятора) - внутренним сопротивление . Сопротивление аккумулятора обозначается латинской буквой r.
Когда электричество течет вокруг цепи, внутреннее сопротивление самой ячейки сопротивляется потоку тока, и поэтому тепловая энергия теряется в самой ячейке.
Мы можем изменить это уравнение;
В этом уравнении появляется (V ), что является конечной разностью потенциалов , измеренной в вольтах (V). Это разность потенциалов на клеммах ячейки при протекании тока в цепи, она всегда меньше э.д.с. ячейки.
Если на участке цепи действуют только потенциальные силы (Рисунок 1а
), то закон Ома записывается в известном виде . Если же в кругу проявляется еще и действие сторонних сил (Рисунок 2б
), то закон Ома примет вид 
, откуда 
. Это и есть закон Ома для любого участка цепи
.
Закон Ома можно распространить и на весь круг. Соединив точки 2 и 1 (Рисунок 3в
), преобразуем разность потенциалов в ноль, и учитывая сопротивление источника тока, закон Ома примет вид 
. Это и есть выражение закона Ома для полной цепи
.
Последнее выражение можно представить в различных формах. Как известно, напряжение на внешнем участке зависит от нагрузки, то есть 
или 
, или 
.
В этих выражениях Ir — это падение напряжения внутри источника тока, а также видно, что напряжение U меньше ε на величину Ir . Причем, чем больше внешнее сопротивление по сравнению с внутренним, тем больше U приближается к ε.
Рассмотрим два особых случая, в отношении внешнего сопротивления цепи.
1) R
= 0
— такое явление называют коротким замыканием. Тогда, из закона Ома имеем — 
, то есть ток в цепи возрастает до максимума, а внешний спад напряжения U
→
0. При этом в источнике выделяется большая мощность, что может привести к его неисправности.
2) R
= ∞
, то есть электрическая цепь разорвана, тогда 
, а 
. Итак, в этом случае, ЭДС численно равна напряжению на клеммах разомкнутого источника тока.
Закон Ома можно представить в таком виде, чтобы он не был связан с размерами проводника. Выделим участок проводника Δ l , на концах которой приложено потенциалы φ 1 и φ 2 . Когда средняя площадь сечения проводника Δ S , а плотность тока j , то сила тока
Если Δ
l
→ 0,
то взяв предел отношения, 
. Итак, окончательно получим , или в векторной форме — это выражение закона Ома в дифференциальной форме
. Этот закон выражает силу тока в произвольной точке проводника в зависимости от его свойств и электрического состояния.
Это уравнение представляет собой запись закона Ома
для цепей переменного тока относительно их амплитудных значений. Понятно, что оно будет справедливым и для эффективных значений силы и тока: 
.
Для цепей переменного тока возможен случай, когда , а это значит, что U
L
=
U
C
. Поскольку эти напряжения находятся в противофазе, то они компенсируют друг друга. Такие условия называют резонансом напряжений
. Резонанс можно достичь или при ω = const
, изменяя С
и L
, или же при постоянных С
и L
подбирают ω, которая называется резонансным
. Как видно — 
.
Особенности резонанса напряжений следующие:
Окончательно из (2) — (4) имеем выражение для закона Ома в интегральной форме
который он установил экспериментально.
Интенсивность тока, являющаяся действием приложенного напряжения, ведет себя пропорционально его напряжению. Например: если приложенное напряжение увеличивается в два раза, оно также удваивает силу тока (интенсивность тока).
Помните, что закон Ома удовлетворяется только частью материалов — в основном металлами и керамическими материалами.
Закон Ома является экспериментальным законом, выполненным для некоторых материалов (например, металлов) для фиксированных условий тока, в частности температуры проводника.
Материалы, относящиеся к закону Ома, называются омическими направляющими или линейными проводниками. Примерами проводников, которые соответствуют закону Ома, являются металлы (например, медь, золото, железо), некоторые керамические изделия и электролиты.
Материалы, не относящиеся к закону Ома, в которых сопротивление является функцией интенсивности протекающего через них тока, называются нелинейными проводниками. Примерами руководств, не относящихся к закону Ома, являются полупроводники и газы.
Закон Ома не выполняется, когда изменяются параметры проводника, особенно температура.
