Про закон Ома в популярном изложении

Электрический ток и опасное напряжение невозможно услышать (за исключением гудящих высоковольтных линий и электроустановок). Токоведущие части, находящиеся под напряжением, ничем не отличаются по внешнему виду.

Невозможно узнать их и по запаху, и повышенной температурой в штатных режимах работы они не отличаются. Но включаем в безмолвную и тихую розетку пылесос, щелкаем выключателем – и энергия словно берется из ниоткуда, сама по себе, материализуясь в виде шума и компрессии внутри бытового прибора.

Опять же, если мы воткнем в разъемы розетки два гвоздя и возьмемся за них, то буквально всем своим телом ощутим реальность и объективность существования электрического тока. Делать это, конечно, настоятельно не рекомендуется.

Но примеры с пылесосом и гвоздями наглядно демонстрируют нам, что изучение и понимание основных законов электротехники способствует безопасности при обращении с бытовым электричеством, а также устранению суеверных предубеждений, связанных с электрическим током и напряжением.

Итак, рассмотрим один, самый ценный закон электротехники, который полезно знать. И попытаемся сделать это в как можно более популярной форме.

Содержание статьи

• Открытие закона Ома

• Дифференциальная форма записи закона Ома

• Интегральная форма записи закона Ома для участка цепи

• Закон Ома для переменного тока

• Интегральная форма записи для полной цепи

• Интегральная форма записи закона Ома для участка цепи, содержащего источник ЭДС

• В каких случаях не выполняется закон Ома

Открытие закона Ома

В 1827 г. немецкий физик Георг Симон Ом сформулировал закон, связывающий величины электрического тока, электродвижущей силы батареи и сопротивления простой электрической цепи, составленной из батареи и соединяющих ее полюса последовательно включенных разнородных проводников. Кроме того, он обнаружил, что различные вещества оказывают электрическому току различное сопротивление.

Ом экспериментально установил, что в последовательной цепи, составленной из нескольких участков с проводниками разного сопротивления, ток во всех участках одинаков, различна только разность потенциалов на проводниках, которую Ом назвал «падением напряжения».

В нормальном, несверхпроводящем металлическом проводнике имеет место закон Ома. Для участка проводника, не содержащего источника электродвижущей силы (гальванического элемента, аккумулятора, генератора, термопары, источника фотоэдс и т. д.), закон Ома заключается в том, что сила тока пропорциональна разности потенциалов на концах участка. Коэффициент пропорциональности называют сопротивлением.

Первая запись о законе Ома в лабораторной книге Георга Симона Ома сегодня хранится в архивах Немецкого музея в Мюнхене:

Открытие закона Ома было очень важным этапом исследований электрических и магнитных явлений, имевших большое практическое значение. Закон Ома и открытые в дальнейшем законы  Кирхгофа впервые дали возможность производить расчеты электрических цепей и легли в основу зародившейся электротехники.

Виды законов Ома

1. Дифференциальная форма записи закона Ома

Самый главный закон электротехники – это, конечно, закон Ома . О его существовании знают даже люди, не имеющие отношения к электротехнике. Но между тем вопрос «А знаешь ли ты закон Ома?» в технических ВУЗах является ловушкой для зарвавшихся и самонадеянных школяров. Товарищ, разумеется, отвечает, что закон Ома знает отлично, и тогда к нему обращаются с просьбой привести этот закон в дифференциальной форме. Тут-то и выясняется, что школяру или первокурснику еще учиться и учиться.

Однако дифференциальная форма записи закона Ома на практике почти неприменима. Она отражает зависимость между плотностью тока и напряженностью поля:

j=G*E,

где G – это проводимость цепи; Е – напряженность электрического тока.

Все это – попытки выразить электрический ток , принимая во внимание только физические свойства материала проводника, без учета его геометрических параметров (длина, диаметр и тому подобное). Дифференциальная форма записи закона Ома – это чистая теория, знание ее в быту совершенно не требуется.

2. Интегральная форма записи закона Ома для участка цепи

Иное дело – интегральная форма записи. Она тоже имеет несколько разновидностей. Самой популярной из них является закон Ома для участка цепи: I=U/R

Говоря по-другому, ток в участке цепи всегда тем выше, чем больше приложенное к этому участку напряжение и чем меньше сопротивление этого участка.

Вот этот «вид» закона Ома просто обязателен к запоминанию для всех, кому хоть иногда приходится иметь дело с электричеством. Благо, и зависимость-то совсем простая. Ведь напряжение в сети можно считать неизменным.

Для розетки оно равно 220 вольт. Поэтому получается, что ток в цепи зависит только от сопротивления цепи, подключаемой к розетке. Отсюда простая мораль: за этим сопротивлением надо следить.

Короткие замыкания, которые у всех на слуху, случаются именно по причине низкого сопротивления внешней цепи. Предположим, что из-за неправильного соединения проводов в ответвительной коробке фазный и нулевой провода оказались напрямую соединены между собой. Тогда сопротивление участка цепи резко снизится практически до нуля, а ток так же резко возрастет до очень большой величины.

Если электропроводка выполнена правильно, то сработает автоматический выключатель , а если его нет, или он неисправен или подобран неправильно, то провод не справится с возросшим током, нагреется, расплавится и, возможно, вызовет пожар.

Но бывает, что приборы, включенные в розетку и отработавшие уже далеко не один час, становятся причиной короткого замыкания . Типичный случай – вентилятор, обмотки двигателя которого подверглись перегреву из-за заклинивания лопастей.

Изоляция обмоток двигателя не рассчитана на серьезный нагрев, она быстро приходит в негодность. В результате появляются межвитковые короткие замыкания, которые снижают сопротивление и, в соответствии с законом Ома, также ведут к увеличению тока.

Повышенный ток, в свою очередь, приводит изоляцию обмоток в полную негодность, и наступает уже не межвитковое, а самое настоящее, полноценное короткое замыкание. Ток идет помимо обмоток, сразу из фазного в нулевой провод. Правда, все сказанное может случиться только с совсем простым и дешевым вентилятором, не оборудованным тепловой защитой.

Шпаргалка по закону Ома для участка цепи:

Закон Ома для переменного тока

Надо отметить, что приведенная запись закона Ома описывает участок цепи с постоянным напряжением. В сетях переменного напряжения существует дополнительное реактивное сопротивление, а полное сопротивление приобретает значение квадратного корня из суммы квадратов активного и реактивного сопротивления.

Закон Ома для участка цепи переменного тока принимает вид: I=U/Z ,

где Z – полное сопротивление цепи.

Но большое реактивное сопротивление свойственно, прежде всего, мощным электрическим машинам и силовой преобразовательной технике. Внутреннее электрическое сопротивление бытовых приборов и светильников практически полностью является активным. Поэтому в быту для расчетов можно пользоваться самой простой формой записи закона Ома: I=U/R.

3. Интегральная форма записи для полной цепи

Раз есть форма записи закона для участка цепи, то существует и закон Ома для полной цепи: I=E/(r+R) .

Здесь r – внутреннее сопротивление источника ЭДС сети, а R – полное сопротивление самой цепи.

За физической моделью для иллюстрации этого подвида закона Ома далеко ходить не надо – это бортовая электрическая сеть автомобиля , аккумулятор в которой является источником ЭДС.

Нельзя считать, что сопротивление аккумулятора равно абсолютному нулю, поэтому даже при прямом замыкании между его клеммами (отсутствии сопротивления R) ток вырастет не до бесконечности, а просто до высокого значения.

Однако этого высокого значения, конечно, хватит для того, чтобы вызвать расплавление проводов и возгорание обшивки авто. Поэтому электрические цепи автомобилей защищают от короткого замыкания при помощи предохранителей.

Такой защиты может оказаться недостаточно, если замыкание произойдет до блока предохранителей относительно аккумулятора, или если вовсе один из предохранителей заменен на кусок медной проволоки. Тогда спасение только в одном – необходимо как можно быстрее разорвать цепь полностью, откинув «массу», то есть минусовую клемму.

4. Интегральная форма записи закона Ома для участка цепи, содержащего источник ЭДС

Следует упомянуть и о том, что есть и еще одна разновидность закона Ома – для участка цепи, содержащего источник ЭДС:

I=(U+E)/(r+R)

или

I=(U-E)/(r+R)

Здесь U – это разность потенциалов в начале и в окончании рассматриваемого участка цепи. Знак перед величиной ЭДС зависит от направленности ее относительно напряжения.

Воспользоваться законом Ома для участка цепи нередко приходится при определении параметров цепи, когда часть схемы недоступна для детального изучения и не интересует нас.

Допустим, она скрыта неразъемными деталями корпуса. В оставшейся схеме имеется источник ЭДС и элементы с известным сопротивлением. Тогда, замерив напряжение на входе неизвестной части схемы, можно вычислить ток, а после этого – и сопротивление неизвестного элемента.

В каких случаях не выполняется закон Ома

Закон Ома не является универсальной связью между током и напряжением. Для металлов (в несверхпроводящем состоянии) закон Ома имеет место вплоть до весьма больших плотностей тока. Для полупроводников и газов пропорциональность между током и напряжением наблюдается лишь при малых напряжениях.

Термоэлектронный ток в вакууме не подчиняется закону Ома даже при малых напряжениях — в этом случае сила тока пропорциональна U ^3/2 . В вольтовой дуге с увеличением тока напряжение падает (падающая вольтамперная характеристика), так что не может быть и речи о выполнении закона Ома.

Выражение I=U/R , однако, записывают даже в случае, когда закон Ома не выполняется. Тогда оно служит определением сопротивления R = U/I . Если сопротивление не зависит от величины тока, закон Ома имеет место. Если сопротивление само меняется с изменением тока (как, например, сопротивление газа при газовом разряде ), то никакой пропорциональности между напряжением и током нет, а значит, нет и закона Ома.

Выводы

Таким образом, мы можем увидеть, что «простой» закон Ома далеко не так прост, как кому-то, возможно, казалось. Зная все формы интегральной записи законов Ома, можно понять и легко запомнить многие требования электробезопасности, а также приобрести уверенность в обращении с электричеством.