Закон Ома: Как он работает (Формула и треугольник закона Ома)

Electrical4u

Поле: Основы электротехники

China

Что такое закон Ома?

Закон Ома гласит, что электрический ток, проходящий через любой проводник, прямо пропорционален разности потенциалов (напряжению) между его концами, при условии, что физические условия проводника не изменяются.

Другими словами, отношение разности потенциалов между любыми двумя точками проводника к току, протекающему между ними, постоянно, если физические условия (например, температура и т.д.) не меняются.

Математически закон Ома можно выразить следующим образом,

$\begin{align*} I \propto V \end{align*}$

Вводя постоянную пропорциональности, сопротивление R в уравнении выше, мы получаем,

$\begin{align*} I = \frac{V}{R} \,\, or \,\, V = I * R \end{align*}$

Где,

R — сопротивление проводника в омах ( $\Omega$ ),
I - это сила тока через проводник в амперах (A),
V - это напряжение или разность потенциалов, измеренная на концах проводника в вольтах (V).

Закон Ома применим как к постоянному току, так и к переменному току.

Связь между разностью потенциалов или напряжением (V), силой тока (I) и сопротивлением (R) в электрической цепи была впервые открыта немецким физиком Георгом Симоном Омом.

Единица сопротивления, ом ( $\Omega$ ), была названа в честь Георга Симона Ома.

Как работает закон Ома?

Согласно определению закона Ома, сила тока, проходящая через проводник или резистор, прямо пропорциональна разности напряжений (или разности потенциалов) на концах проводника или резистора.

Но… это может быть немного сложно для понимания.

Поэтому давайте получим лучшее интуитивное понимание закона Ома, используя некоторые аналогии.

Аналогия 1

Рассмотрим бак с водой, установленный на определенной высоте над землей. В нижней части бака находится шланг, как показано на изображении ниже.

Analogy 1.png

Давление воды в паскалях на конце шланга аналогично напряжению или разности потенциалов в электрической цепи.
Скорость потока воды в литрах в секунду аналогична электрическому току в кулонах в секунду в электрической цепи.
Ограничители потока воды, такие как отверстия, расположенные в трубах между двумя точками, аналогичны резисторам в электрической цепи.

Таким образом, скорость потока воды через ограничитель пропорциональна разности давления воды по обе стороны ограничителя.

Аналогично, в электрической цепи, ток, протекающий через проводник или резистор между двумя точками, прямо пропорционален разности напряжения или разности потенциалов по обе стороны проводника или резистора.

Можно также сказать, что сопротивление, оказываемое потоку воды, зависит от длины трубы, материала трубы и высоты бака, установленного над землей.

Закон Ома работает аналогичным образом в электрической цепи, где электрическое сопротивление, оказываемое току, зависит от длины проводника и материала проводника, используемого в цепи.

Аналогия 2

Простая аналогия между гидравлической водяной цепью и электрической цепью для описания того, как работает закон Ома, показана на изображении ниже.

Analogy 2.png Analogy 2.2.png

Как показано, если давление воды постоянно, а ограничение увеличивается (что делает более трудным прохождение воды), то скорость потока воды уменьшается.

Аналогично, в электрической цепи, если напряжение или разность потенциалов постоянны, а сопротивление увеличивается (что делает более трудным прохождение тока), то скорость потока электрического заряда, то есть ток, уменьшается.

Теперь, если ограничение на поток воды постоянно, а давление насоса увеличивается, то скорость потока воды также увеличивается.

Аналогично, в электрической цепи, если сопротивление постоянно, а разность потенциалов или напряжение увеличивается, то скорость потока электрического заряда, то есть ток, также увеличивается.

Закон Ома Формула

Связь между напряжением или разностью потенциалов, током и сопротивлением можно выразить тремя различными способами.

Если нам известны любые два значения, мы можем рассчитать третье неизвестное значение, используя соотношение закона Ома. Таким образом, закон Ома очень полезен в электронике и электротехнических формулах и расчетах.

Когда известный электрический ток проходит через известное сопротивление, то падение напряжения на этом сопротивлении можно рассчитать по следующему соотношению

$\begin{align*} V = IR \,\, i.e., \,\, Potential \,\, Difference = Current * Resistance \end{align*}$

Когда известное напряжение приложено к известному сопротивлению, то ток, протекающий через это сопротивление, можно рассчитать по следующему соотношению

$\begin{align*} I = \frac{V}{R} \,\, i.e., \,\, Current = \frac{Potential \,\, Diffrence}{Resistance} \end{align*}$

Когда известное напряжение прикладывается к неизвестному сопротивлению и известен ток, протекающий через это сопротивление, то значение неизвестного сопротивления можно вычислить по соотношению

$\begin{align*} R = \frac{V}{I} \,\, i.e., \,\, Resistance = \frac{Potential \,\, Diffrence}{Current} \end{align*}$

Формула закона Ома для мощности

Передаваемая мощность является произведением подводимого напряжения и электрического тока.

Теперь, подставляя $V = I * R$ в уравнение (1), получаем,

$\begin{equation*} P = IR * I = I^2*R \end{equation*}$

Эта формула известна как формула омических потерь или формула тепловыделения в резисторе.

Теперь подставим $I = \frac{V}{R}$ в уравнение (1), получим:

(3) $\begin{equation*} P = V * \frac{V}{R}= \frac{V^2}{R} \end{equation*}$

Из этого соотношения мы можем определить мощность, рассеиваемую в резисторе, если известны либо напряжение и сопротивление, либо ток и сопротивление.

Мы также можем определить неизвестное значение сопротивления, используя это соотношение, если известны либо напряжение, либо ток.

$\begin{align*} R = \frac{V^2}{P} \,\, \& \,\, R = \frac{P}{I^2} \end{align*}$

Если известны любые две переменные из мощности, напряжения, тока и сопротивления, то, используя закон Ома, мы можем определить другие две переменные.

$\begin{align*} P = \frac{V^2}{R} \,\,or\,\,R = \frac{V^2}{P} \,\,or\,\, V = \sqrt{PR} \end{align*}$

$\begin{align*} P = {I^2}{R} \,\,or\,\, R = \frac{P}{I^2} \,\,or\,\, I = \sqrt{\frac{P}{R}} \end{align*}$

Ограничения закона Ома

Ниже обсуждаются некоторые ограничения закона Ома.

Закон Ома не применим ко всем неметаллическим проводникам. Например, для карбида кремния соотношение задается формулой $V = KI^m$ , где K и m — константы, и m<1.
Закон Ома не применим к следующим нелинейным элементам.

Сопротивление
Емкость
Полупроводники
Лампы накаливания
Электролиты
Углеродные резисторы
Дуговые лампы
Диод Зенера

(Примечание: Нелинейные элементы — это те, в которых соотношение между током и напряжением нелинейное, то есть ток не пропорционален приложенному напряжению.)

Закон Ома применим только к металлическим проводникам при постоянной температуре. Если температура изменяется, закон не применяется.
Закон Ома также не применим к односторонним сетям. Примечание: односторонняя сеть содержит односторонние элементы, такие как транзисторы, диоды и т.д. Односторонние элементы — это те, которые позволяют току течь только в одном направлении.

Треугольник закона Ома

Основные формулы закона Ома представлены ниже в виде треугольника закона Ома.

Треугольник закона Ома.png

Практические задачи по закону Ома

Пример 1

Как показано на схеме ниже, через резистор сопротивлением 15 Ом течет ток 4 А. Определите падение напряжения в цепи, используя закон Ома.

Решение:

Дано: $I = 4\,\,A$ и $R = 15\,\,\Omega$

Согласно закону Ома,

$\begin{align*} \begin{split} V = I * R \\ = 4*15 \\ V = 60 \,\, Volts \end{split} \end{align*}$

Таким образом, используя уравнение закона Ома, мы получаем падение напряжения на цепи 60 В.

Пример 2

Как показано на схеме ниже, к резистору сопротивлением 12 Ом приложено напряжение питания 24 В. Определите ток, протекающий через резистор, используя закон Ома.

$\begin{equation*} P = V * I \end{equation*}$

Решение:

Исходные данные: $V = 24\,\,V$ и $R = 12\,\,\Omega$

Согласно закону Ома,

$\begin{align*} \begin{split} I = \frac{V}{R} \\ = \frac{24}{12} \\ I = 2 \,\, A (Ampere) \end{split} \end{align*}$

Таким образом, используя уравнение закона Ома, мы получаем, что ток, проходящий через резистор, составляет 2 А.

Пример 3

Как показано на схеме ниже, напряжение питания составляет 24 В, а ток, протекающий через неизвестное сопротивление, равен 2 А. Определите неизвестное значение сопротивления, используя закон Ома.

Решение:

Исходные данные: $V = 24\,\,V$ и $I = 2\,\,A$

Согласно закону Ома,

$\begin{align*} \begin{split} R = \frac{V}{I} \\ = \frac{24}{2} \\ R = 12 \,\, \Omega \end{split} \end{align*}$

Таким образом, используя уравнение закона Ома, мы получаем неизвестное значение сопротивления $12\,\,\Omega$ .

Применения закона Ома

Некоторые из применений закона Ома включают:

Для расчета неизвестного потенциала или напряжения, сопротивления и тока в электрической цепи.
Закон Ома используется в электронных цепях для определения внутреннего падения напряжения на электронных компонентах.
Закон Ома применяется в цепях измерения постоянного тока, особенно в амперметрах постоянного тока, где используется шунт с низким сопротивлением для отвода тока.

Источник: Electrical4u

Заявление: Уважайте оригинальные материалы, хорошие статьи стоят того, чтобы их делиться, если есть нарушение авторских прав, пожалуйста, свяжитесь для удаления.