Использование цепей без нагрузки приводит к

Что такое закон Ома?

Закон Ома — это формула, которая используется для расчета соотношения между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи.

Для студентов, которые изучают электронику, закон Ома (E = IR) так же важен, как уравнение относительности Эйнштейна (E = mc²) для физиков.

E = I x R

Иными словами, напряжение равно произведению силы тока и сопротивления ( В = A × Ом).

Закон Ома назван в честь немецкого физика Георга Ома (1789–1854 гг.). Этот закон учитывает ключевые количественные характеристики цепей:

Величина	Обозначение в законе Ома	Единица измерения (сокращение)	Роль в цепях	Если вам интересно:
Напряжение	E	вольт (В)	Давление, которое запускает поток электронов	E = электродвижущая сила (традиционный термин)
Сила тока	I	ампер (A)	Скорость потока электронов	I = интенсивность
Сопротивление	R	Ом (Ω)	Препятствует потоку электронов	Ω = греческая буква омега

Если известны два из этих значений, технические специалисты могут рассчитать третье значение на основе закона Ома. Для этого достаточно изменить пирамиду следующим образом:

Если известно напряжение (E) и сила тока (I) и нужно узнать сопротивление (R), вычеркните R в пирамиде и решите полученное уравнение (см. выше первую — крайнюю левую — пирамиду).

Примечание. Измерение сопротивления в работающей цепи невозможно, поэтому закон Ома особенно полезен при расчете сопротивления. Вместо отключения цепи для измерения сопротивления технический специалист может определить величину R с помощью закона Ома.

Если известны напряжение (E) и сопротивление (R), вы можете рассчитать силу тока (I). Для этого вычеркните символ I в пирамиде и решите полученное уравнение (см. среднюю пирамиду выше).

Если известны сила тока (I) и сопротивления (R), вы можете рассчитать напряжение (E). Для этого перемножьте значения в основании пирамиды (см. выше третью — крайнюю правую — пирамиду).

Попробуйте выполнить несколько расчетов для простой последовательной цепи, в которой есть только один источник напряжения (батарея) и сопротивление (лампочка). В каждом примере известны два значения. Используйте закон Ома для расчета третьей величины.

Пример 1. Известны напряжение (E) и сопротивление (R).

Чему равна сила тока в цепи?

I = E/R = 12 В / 6 Ом = 2 А

Пример 2. Известны напряжение (E) и сила тока (I).

Чему равно сопротивление лампочки?

R = E/I = 24 В / 6 А = 4 Ом

Пример 3. Известны сила тока (I) и сопротивление (R). Чему равно напряжение?

Чему равно напряжение в цепи?

E = I x R = (5 A)(8 Ом) = 40 В

Ом опубликовал полученную формулу в 1827 году. Согласно этой формуле, количество электрического тока, проходящего через проводник, прямо пропорционально воздействующему напряжению. Иными словами, чтобы ток силой один ампер мог преодолеть сопротивление 1 Ом, требуется напряжение в 1 В.

Для чего используется закон Ома?

Закон Ома можно использовать для проверки статических характеристик компонентов в цепи и источников напряжения, а также значений тока и падений напряжения. Например, если измерительный прибор обнаруживает силу тока, превышающую нормальное значение, это может означать, что уменьшилось сопротивление либо повысилось напряжение. Это может указывать на неисправность цепи или источника питания.

В цепях постоянного тока падение силы тока ниже нормального значения может означать, что понизилось напряжение либо повысилось сопротивление цепи. Причинами повышения сопротивления могут быть плохие или ослабленные соединения, коррозия и/или повреждение компонентов.

Нагрузки в цепи потребляют электрический ток. Нагрузкой может быть любой компонент: небольшие электрические устройства, компьютеры, бытовые приборы или большие двигатели. Большинство этих компонентов (нагрузок) оснащены паспортной табличкой или информационной наклейкой. Паспортные таблички содержат информацию о сертификации безопасности и различные идентификационные номера.

По паспортным табличкам на компонентах технические специалисты определяют стандартные значения напряжения и силы тока. Если во время проверки цифровые мультиметры или токоизмерительные клещи не регистрируют стандартные значения, технические специалисты могут использовать закон Ома для выявления элемента цепи, который привел к неисправности.

Основная информация об электрических цепях

Цепи, как и все материальные объекты, состоят из атомов. Атомы состоят из субатомных частиц:

• Протонов (с положительным электрическим зарядом)
• Нейтронов (без заряда)
• Электронов (с отрицательным электрическим зарядом)

Атомы удерживаются силами притяжения между ядром атома и электронами на внешней оболочке. Под воздействием напряжения атомы в цепи начинают перестраиваться, а их частицы создают потенциал притяжения, который называется разницей потенциалов. Взаимно притягиваемые свободные электроны движутся по направлению к протонам, создавая поток электронов (ток). Любой материал в цепи, ограничивающий этот поток, рассматривается как источник сопротивления.

Ссылка: Digital Multimeter Principles by Glen A. Mazur, American Technical Publishers.

Статьи на связанные темы

• Поиск неисправностей электродвигателей с помощью проверки сопротивления изоляции
• Безопасность электрических измерений — подготовка к проверке отсутствия напряжения

Зависимость силы тока от напряжения. Сопротивление

Будьте внимательны! У Вас есть 10 минут на прохождение теста. Система оценивания — 5 балльная. Разбалловка теста — 3,4,5 баллов, в зависимости от сложности вопроса. Порядок заданий и вариантов ответов в тесте случайный. С допущенными ошибками и верными ответами можно будет ознакомиться после прохождения теста. Удачи!

Система оценки: 5 балльная

Список вопросов теста

Вопрос 1

Физическая величина, характеризующая свойства проводника, по которому течёт электрический ток.

Варианты ответов

• сила тока
• сопротивление
• напряжение
• работа тока

Вопрос 2

Единица измерения сопротивления. В ответе запишите название единицы измерения.

Вопрос 3

1 Ом — это сопротивление такого проводника, в котором

Варианты ответов

• при напряжении на концах 1 В сила тока равна 1 А.
• при силе тока на концах 1 А, напряжение равно 1 В.
• при работе тока 1 Дж сила тока равна 1 А.
• при напряжении на концах 1 В работа тока равна 1 Дж.

Вопрос 4

Сопротивление амперметра должно быть . чтобы не вызывать изменение силы тока в цепи. В ответе запишите слово или словосочетание в нужной форме.

Вопрос 5

Сопротивление вольтметра должно быть . чтобы не вызывать изменений параметров цепи. В ответе запишите слово или словосочетание в нужной форме.

Вопрос 6

Когда напряжение увеличили на 3 В, сила тока в цепи возросла вдвое, и ток за 1 с совершил работу 3 Дж. Найдите значения силы тока после увеличения напряжения. Ответ запишите числом. Например, 0,8

Вопрос 7

Использование цепей без нагрузки приводит к . В ответе запишите слово или словосочетание в начальной форме.

Вопрос 8

Как сила тока зависит от напряжения?

Варианты ответов

• Прямо пропорционально.
• Обратно пропорционально

Вопрос 9

График зависимости силы тока от напряжения называется

Варианты ответов

• вольт-амперной характеристикой.
• характеристикой проводника.
• графиком силы тока
• графиком напряжения

Вопрос 10

1 кОм равен . Ом. Ответ запишите числом. Например, 800

Использование цепей без нагрузки приводит к

Ток, подающий электричество на любое устройство, может иметь две формы:

1. Постоянный ток (DC)
2. Переменный ток (AC)

При подключении любого устройства к любой цепи важно знать, какая форма тока используется.

Существуют устройства, которые могут преобразовывать ток из одного формата в другой или из тока более высокого напряжения в ток более низкого напряжения, и наоборот. Такие устройства повсеместно именуются «трансформаторами». При любом преобразовании напряжения или типа тока всегда будут иметь место некоторые потери энергии, даже если они очень малы.

• Трансформатор, преобразующий более высокий ток напряжения в более низкий ток напряжения, называется «понижающим» трансформатором и работает либо путем преобразования высоковольтных низких токовых нагрузок в низковольтные высокие токовые нагрузки, либо путем добавления сопротивления между двумя цепями для ограничения выходного напряжения, что приводит к получению более низкой мощности на стороне выхода.
• Трансформатор, преобразующий ток в более высокое напряжение, называется «повышающим» трансформатором и работает путем преобразования низкого напряжения, но высоких токов в высокое напряжение, но низкие токи. Повышающий трансформатор не добавляет дополнительную электрическую мощность в цепь, он только увеличивает общее напряжение.
• Трансформатор, преобразующий ток из постоянного в переменный, называется инвертором и физически индуцирует переменный ток на выходе. Инверторы обычно потребляют электроэнергию для процесса преобразования и, следовательно, менее энергоэффективны, чем другие виды трансформаторов.
• Трансформатор, преобразующий ток из переменного в постоянный, можно назвать «зарядным устройством» (для зарядки аккумуляторов) или «блоком питания» (для прямого питания радиоприемника и т. д.), в зависимости от того, как работает процесс преобразования.

Постоянный ток (DC)

Основная характеристика постоянного тока — или DC — заключается в том, что электроны в пределах тока всегда протекают в одном направлении, из стороны с дефицитом в сторону с избытком. Это вид тока, получаемый за счет химического эффекта аккумуляторных батарей или фотогальванического эффекта солнечных батарей. Клеммы отмечены знаками + и –, чтобы показать полярность цепи или генератора. Напряжение и ток постоянны во времени.

Время

• Преимущества: Аккумуляторные батареи могут питать постоянным током напрямую, а источники питания можно добавлять параллельно или последовательно.
• Недостатки: В действительности, использование аккумуляторных батарей ограничивает напряжение до нескольких вольт (до 24 вольт в некоторых транспортных средствах). Такие низкие напряжения препятствуют транспортировке этого типа тока.

Устройства, которые используют постоянный ток

Переменный ток (AC)

В переменном токе — или AC — электроны обращаются в обратном направлении с заданной частотой. Поскольку ток постоянно изменяется, нет фиксированного + или –, но есть «фаза» и «нейтраль». Напряжение и ток следуют синусоидальной кривой. Хотя напряжение и ток постоянно изменяются между максимальным и минимальным значением, измерения маскируют эти колебания и показывают стабильное среднее значение, например 220 В.

Ток

Время

Частота определяется как число синусоидальных колебаний в секунду:

• 50 колебаний в секунду в Европе (50 Гц).
• 60 колебаний в секунду в США (60 Гц).

Переменный ток — это тип тока, поставляемый предприятиями электроэнергетики, поскольку переменное напряжение можно увеличивать и уменьшать с помощью трансформатора. Это позволяет эффективно транспортировать электроэнергию по линиям электропередач при высоком напряжении и преобразовывать ее в более низкое, безопасное напряжение для использования на предприятиях и в жилых домах. Таким образом, это форма электрической энергии , которую потребители обычно используют при включении прибора в настенную розетку.

• Преимущества: Может транспортироваться на большие расстояния без особых потерь с использованием линий высокого напряжения. Его легко производить.
• Недостатки: Переменный ток невозможно сохранить; он должен создаваться. Переменный ток также может представлять большую опасность для здоровья живых организмов, вступающих в контакт с ним.

Устройства, которые используют переменный ток

Существует два типа переменного тока:

Однофазный

Однофазный ток является наиболее распространенным типом тока, и, таким образом, как правило, является конфигурацией, поставляемой общедоступными сетями электроснабжения, а также и однофазным генератором. Однофазный переменный ток подается по двум линиям (фаза и нейтральной), обычно с разницей напряжения в 220 В между линиями. Заглушки можно устанавливать в обоих направлениях.

Поскольку напряжение однофазной системы достигает пикового значения дважды в каждом цикле, мгновенная мощность не является постоянной и в основном используется для освещения и обогрева, но не может работать с промышленными двигателями.

Однофазная нагрузка может подаваться от трехфазного распределительного трансформатора, позволяющего подключать автономную однофазную цепь к трехфазному двигателю, позволяя подключать трехфазный двигатель ко всем трем фазам. Это устраняет необходимость в отдельном однофазном трансформаторе.

Трехфазный

При наличии повышенной потребности в мощности, ключевую роль играют тонкая консистенция и баланс. Трехфазная цепь является общей конфигурацией тока для электроэнергетических компаний, а также может быть произведена с помощью трехфазного генератора. Трехфазный ток — это комбинация трех однофазных токов.

Для передачи заданной мощности с помощью 3-х отдельных однофазных кабелей требуется 9 проводов. Для передачи той же мощности в трехфазном кабеле требуется только 5 проводов (3 фазы, 1 нейтраль, 1 земля), поэтому при правильном планировании трехфазного тока может быть обеспечена значительная экономия. Экономия затрат включает в себя экономию на проводах, кабелях, а также на аппаратах, использующих или производящих электроэнергию. Трехфазные двигатели или генераторы переменного тока также будут меньше по размеру, чем однофазные эквиваленты той же мощности.

Компоненты групповой схемы

В каждой цепи будут присутствовать резистор (-ы) и генератор (-ы), количество которых будет зависеть от необходимой мощности. Оба компонента могут быть сгруппированы в зависимости от того, что именно требуется для поддержания постоянного тока или напряжения. Существует два основных способа группировки компонентов последовательно или параллельно. (Дополнительная информация представлена в разделе Подключение аккумуляторных батарей)

Последовательное соединение

Основная идея «последовательного» соединения заключается в том, что компоненты подключаются через сквозное соединение в линию, образуя единый путь, по которому может протекать ток:

1. Ток: Величина тока одинакова для любого компонента последовательной цепи.
2. Сопротивление: Суммарное сопротивление любой последовательной цепи равно сумме отдельных сопротивлений.
3. Напряжение: Напряжение питания в последовательной цепи равно сумме отдельных падений напряжения.

Параллельное соединение

Основная идея «параллельного» соединения заключается в том, что все компоненты соединены через выводы друг друга. В чисто параллельной схеме никогда не бывает более двух наборов электрически общих точек, независимо от количества подключенных компонентов. Существует много путей для протекания тока, но только одно напряжение на всех компонентах:

1. Напряжение: напряжение одинаково для всех компонентов в параллельной цепи.
2. Ток: суммарный ток цепи равен сумме токов отдельных разветвлений.
3. Сопротивление: индивидуальные значения сопротивления уменьшаются , чтобы стать равными меньшему общему сопротивлению, а не складываются , чтобы получить общее сопротивление

Закон Ома для полной цепи

В электротехнике существуют термины: участок и полная цепь.

• часть электрической схемы внутри источника тока или напряжения;
• всю внешнюю или внутреннюю, подключенную к источнику цепочку из электрических элементов или ее какой-то фрагмент.

Термином «полная цепь» пользуются для обозначения схемы со всеми собранными цепочками, включая:

• источники;
• потребители;
• соединительные проводники.

Такие определения помогают лучше ориентироваться в схемах, понять их особенности, анализировать работу, искать повреждения и неисправности. Они заложены в закон Ома, который позволяет решать эти же вопросы для оптимизации электрических процессов под нужды человека.

Фундаментальные исследования Георга Симона Ома применяют на практике к любому участку цепи или полной схеме.

Как действует закон Ома для полной цепи постоянного тока

Для примера возьмем гальванический элемент, который в народе принято называть батарейкой, с разностью потенциалов U между анодом и катодом. Подключим к его выводам лампочку накаливания, которая обладает обыкновенным резистивным сопротивлением R.

Через нить накала потечет ток I=U/R, созданный движением электронов в металле. Контур, образованный выводами батарейки, соединительными проводами и лампочкой относится к внешнему участку цепи.

Во внутреннем участке между электродами батарейки тоже будет протекать ток. Его носителями станут положительно и отрицательно заряженные ионы. На катод будут притягиваться электроны и от него отталкиваются положительные ионы к аноду.

На катоде и аноде таким способом накапливаются положительные и отрицательные заряды, создается разность потенциалов между ними.

Полноценному движению ионов в электролите мешает внутреннее сопротивление батарейки, обозначаемое «r». Оно ограничивает отдачу тока во внешнюю цепь и снижает его мощность до определенной величины.

В полной цепи электрической схемы ток проходит по внутреннему и внешнему контуру, преодолевая последовательно суммарное сопротивление R+r обоих участков. На его величину оказывает влияние сила, приложенная к электродам, которую называют электродвижущей или сокращенно ЭДС и обозначают индексом «Е».

Ее величину можно замерить вольтметром на выводах батарейки при холостом ходе (без внешнего контура). При подключенной нагрузке на этом же месте вольтметр показывает напряжение U. Другими словами: без нагрузки на клеммах батарейки U и Е совпадают по величине, а при протекании тока по внешнему контуру U

Сила Е формирует движение электрических зарядов в полной цепи и определяет его величину I=E/(R+r).

Это математическое выражение определяет закон Ома для полной цепи постоянного тока. Его действие более детально иллюстрирует правая часть картинки. Она показывает, что вся полная цепь состоит из двух отдельных контуров для тока.

Также видно, что внутри батарейки всегда, даже при отключенной нагрузке внешней цепи, происходит движение заряженных частиц (ток саморазряда), а, следовательно, идет ненужный расход металла у катода. Энергия батарейки за счет внутреннего сопротивления тратится на нагрев и его рассеивание в окружающую среду, а с течением времени просто исчезает.

Практика показала, что снижение конструктивными методами внутреннего сопротивления r экономически не оправдано из-за резко возрастающей стоимости конечного изделия и довольно высокого ее саморазряда.

Для поддержания работоспособности батарейки ее нужно использовать только по назначению, подключая внешний контур исключительно на период работы.

Чем больше сопротивление подключенной нагрузки, тем выше ресурс батарейки. Поэтому ксеноновые лампы накаливания с меньшим током потребления, чем заполненные азотом, при одинаковом световом потоке обеспечивают более длительную эксплуатацию источников питания.

При хранении гальванических элементов прохождение тока между контактами внешней цепи должно быть исключено надежной изоляцией.

В случае когда у батарейки сопротивление внешнего контура R значительно превышает внутреннюю величину r, ее считают источником напряжения, а при выполнении обратного соотношения — источником тока.

Как используется закон Ома для полной цепи переменного тока

Электрические системы, работающие на переменном токе, наиболее распространены в энергетике. В этой отрасли они достигают огромной протяженности за счет транспортировки электроэнергии по линиям электропередач.

При увеличении длины ЛЭП возрастает ее электрическое сопротивление, которое создает нагрев проводов и повышает потери энергии на передачу.

Знание закона Ома помогло энергетикам уменьшить лишние затраты на транспортировку электричества. Для этого они воспользовались расчетом составляющей потерь мощности в проводах.

За основу вычислений была взята величина произведенной активной мощности P=E∙I, которую необходимо качественно передать удаленным потребителям и преодолеть суммарные сопротивления:

• внутреннее r у генератора;
• внешнего R от проводов.

Величина ЭДС на зажимах генератора определяется как Е=I∙(r+R).

Потери мощности Pп на преодоление сопротивления полной цепи выразятся формулой, показанной на картинке.

Из нее видно, что затраты мощности растут пропорционально длине/сопротивлению проводов, а уменьшить их при транспортировке энергии можно увеличением ЭДС генератора или напряжения на линии. Этот способ используют включением в схему повышающих трансформаторов на генераторном конце ЛЭП и понижающих — на приемном пункте электрических подстанций.

Однако этот метод ограничен:

• сложностью технических устройств по противодействию возникновения коронных разрядов;
• необходимостью отдалять и изолировать провода ЛЭП от поверхности земли;
• увеличением излучения энергии ВЛ в пространство (возникновение эффекта антенны).

Особенности действия закона Ома в схемах переменного синусоидального тока

Современные потребители промышленной высоковольтной и бытовой трехфазной/однофазной электрической энергии создают не только активные, но и реактивные нагрузки с явно выраженными индуктивными или емкостными характеристиками. Они приводят к сдвигу фаз между векторами приложенных напряжений и проходящих в цепи токов.

В этом случае для математической записи временны́х колебаний гармоник применяют комплексную форму, а для пространственного представления используют векторные графики. Ток, передаваемый по ЛЭП, записывается формулой: I=U/Z.

Математическая запись комплексными числами основных составляющих закона Ома позволяет программировать алгоритмы электронных устройств, используемых для контроля и работы сложных технологических процессов, постоянно происходящих в энергосистеме.

Наравне с комплексными числами применяется дифференциальная форма записи всех соотношений. Она удобна для анализа электропроводящих свойств материалов.

Действие закона Ома для полной цепи могут нарушать определенные технические факторы. К ним относятся:

• высокие частоты колебаний, когда начинает сказываться инерционность носителей зарядов. Они не успевают двигаться со скоростями изменения электромагнитного поля;
• состояния сверхпроводимости определенного класса веществ при низкой температуре;
• повышенный нагрев тоководов электрическим током. когда вольтамперная характеристика теряет прямолинейный характер;
• пробой изоляционного слоя высоковольтным разрядом;
• среда газонаполненных или вакуумных электронных ламп;
• полупроводниковые приборы и элементы.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: