Закон Ома: як він працює (формула та трикутник закона Ома)

Electrical4u

Поле: Основи електротехніки

China

Що таке закон Ома?

Закон Ома стверджує, що електричний струм, що проходить через будь-який провідник, прямо пропорційний потенційній різниці (напругі) між його кінцями, за умови, що фізичні умови провідника не змінюються.

Іншими словами, співвідношення потенційної різниці між будь-якими двома точками провідника до струму, що проходить між ними, є сталим, якщо фізичні умови (наприклад, температура тощо) не змінюються.

Математично, закон Ома можна виразити так,

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

Вводячи константу пропорційності, опір R в цьому рівнянні, отримуємо,

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

Де,

R — опір провідника в омах ( $\Omega$ ),

I — це струм через провідник у амперах (A),

V — це напруга або різниця потенціалів, виміряна на провіднику, у вольтах (V).

Закон Ома застосовується як до ПС, так і до ЗС.

Зв'язок між різницею потенціалів або напругою (V), струмом (I) та опором (R) у електричному контурі був вперше виявлений німецьким фізиком Джорджем Саймоном Омом.

Одиниця опору — ом ( $\Omega$ ) була названа на честь Джорджа Саймона Ома.

Як працює закон Ома?

За визначенням закону Ома, струм, що протікає через провідник або резистор між двома точками, прямо пропорційний різниці напруг (або різниці потенціалів) на провіднику або резисторі.

Але... це може бути трохи складно для розуміння.

Тож давайте отримаємо краще інтуїтивне розуміння закону Ома, використовуючи деякі аналогії.

Аналогія 1

Розглянемо бак з водою, розташований на певній висоті над землею. На дні бака знаходиться шланг, як показано на нижньому зображенні.

Analogy 1.png

Тиск води в паскалях на кінці шланга аналогічний напругі або потенційній різниці в електричному колі.
Швидкість потоку води в літрах за секунду аналогічна електричному струму в кулонах за секунду в електричному колі.
Обмежувачі потоку води, такі як отвори у трубах між двома точками, є аналогами резисторів в електричному колі.

Отже, швидкість потоку води через обмежувач пропорційна різниці тиску води по обидва боки обмежувача.

Подібно, в електричному колі, струм, що проходить через провідник або резистор між двома точками, прямо пропорційний різниці напруги або потенційної різниці по обидва боки провідника або резистора.

Ми також можемо сказати, що опір, що подається до потоку води, залежить від довжини труби, матеріалу труби та висоти бака, розташованого над землею.

Закон Ома працює подібним чином в електричному колі, що електричний опір, що подається до потоку струму, залежить від довжини провідника та матеріалу провідника, який використовується.

Аналогія 2

Проста аналогія між гіdraulic водяним колом і електричним колом, щоб описати, як працює закон Ома, показана на нижньому зображенні.

Analogy 2.png Analogy 2.2.png

Як показано, якщо тиск води постійний, а обмеження зростають (роблячи його важче для води протікати), то швидкість потоку води зменшується.

Подібно, в електричному колі, якщо напруга або потенційна різниця постійна, а опір зростає (роблячи його важче для струму протікати), то швидкість потоку електричного заряду, тобто струм, зменшується.

Тепер, якщо обмеження на потік води постійне, а тиск насоса збільшується, то швидкість потоку води також збільшується.

Аналогічно, у електричній цепі, якщо опір постійний, а різниця потенціалів або напруга збільшується, то швидкість потоку електричного заряду, тобто струм, також збільшується.

Формула закону Ома

Зв'язок між напругою або різницею потенціалів, струмом і опором можна записати трьома різними способами.

Якщо нам відомі будь-які два значення, ми можемо обчислити третє невідоме значення, використовуючи зв'язок закону Ома. Тому закон Ома дуже корисний у електроніці та електротехніці для формул і обчислень.

Коли відомий електричний струм проходить через відомий опір, то напругу, що спадає на опорі, можна обчислити за формулою

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

Коли відома напруга прикладена до відомого опору, то струм, що проходить через опір, можна обчислити за формулою

$\begin{align*} I = \frac{V}{R} \,\, i.e., \,\, Струм = \frac{Різниця \,\, потенціалів}{Опір} \end{align*}$

Коли відоме напруга застосовується до невідомого опору і струм, що протікає через опір, також відомий, то значення невідомого опору можна обчислити за допомогою співвідношення

$\begin{align*} R = \frac{V}{I} \,\, i.e., \,\, Опір = \frac{Різниця \,\, потенціалів}{Струм} \end{align*}$

Формула закону Ома для потужності

Потужність, яка передається, є добутком напруги живлення та електричного струму.

Тепер, підставивши $V = I * R$ у рівняння (1), отримуємо,

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

Ця формула відома як формула омічних втрат або формула резистивного нагрівання.

Тепер підставимо $I = \frac{V}{R}$ у рівняння (1), отримаємо:

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

З наведеного вище співвідношення можна визначити розсіювану потужність у опорі, якщо відомі або напруга та опір, або струм та опір.

Ми також можемо визначити невідоме значення опору, використовуючи наведене вище співвідношення, якщо відомі або напруга, або струм.

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

Якщо будь-які дві змінні із потужності, напруги, струму та опору відомі, то за допомогою закону Ома ми можемо визначити дві інші змінні.

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

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

Обмеження закону Ома

Нижче розглядаються деякі обмеження закону Ома.

Закон Ома не застосовується до всіх неметалевих провідників. Наприклад, для карбиду кремнію співвідношення виражається як $V = KI^m$ де K і m — це константи, а m<1.
Закон Ома не застосовується до наступних нелінійних елементів.

Опір
Емкість
Півпровідники
Лампи
Електроліти
Вуглецеві резистори
Дугові лампи
Діод Зенера

(Зверніть увагу, що нелінійні елементи — це такі, в яких залежність між струмом та напругою є нелінійною, тобто струм не є точно пропорційним прикладеній напрузі.)

Закон Ома застосовується лише до металевих провідників при постійній температурі. Якщо температура змінюється, закон не застосовується.
Закон Ома також не застосовується до односторонніх мереж. Зверніть увагу, що одностороння мережа містить односторонні елементи, такі як транзистори, діоди тощо. Односторонні елементи — це такі, які дозволяють протікання струму лише в одному напрямку.

Трикутник закона Ома

Основні формули закона Ома підсумовані нижче в трикутнику закона Ома.

Трикутник закона Ома.png

Практичні задачі на закон Ома

Приклад 1

Як показано на схемі нижче, через опір 15 Ом протікає струм 4 А. Визначте нападну різницю на цепі, використовуючи закон Ома.

Рішення:

Задані дані: $I = 4\,\,A$ і $R = 15\,\,\Omega$

Відповідно до закону Ома,

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

Отже, використовуючи рівняння закона Ома, ми отримуємо падіння напруги в цепі 60 В.

Приклад 2

Як показано на схемі нижче, напруга живлення 24 В застосовується до опору 12 Ом. Визначте струм, що проходить через опір, використовуючи закон Ома.

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

Розв'язок:

Задані дані: $V = 24\,\,V$ та $R = 12\,\,\Omega$

Відповідно до закону Ома,

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

Отже, використовуючи рівняння закона Ома, ми отримуємо, що струм, що проходить через опір, становить 2 А.

Приклад 3

Як показано на схемі нижче, напруга живлення становить 24 В, а струм, що проходить через невідомий опір, становить 2 А. Визначте невідому величину опору, використовуючи закон Ома.

Розв'язок:

Задані дані: $V = 24\,\,V$ та $I = 2\,\,A$

Відповідно до закону Ома,

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

Таким чином, використовуючи рівняння закону Ома, ми отримуємо невідому величину опору $12\,\,\Omega$ .

Застосування закону Ома

Деякі з застосувань закону Ома включають:

Для обчислення невідомої потенціальної різниці або напруги, опору та потоку струму в електричній схемі.
Закон Ома використовується в електронних схемах для визначення внутрішнього падіння напруги на електронних компонентах.
Закон Ома використовується в DC вимірювальних схемах, особливо в DC амперметрах, де використовується низький опір шунту для відведення струму.

Джерело: Electrical4u

Позиція: Поважайте оригінал, добри статті варті поширення, якщо є порушення авторських прав будь ласка зверніться для видалення.