Закон Ома

Электричество – физическое явление, без которого невозможно представить современную жизнь человека. Давно отошедшие дрова, уголь и восковые свечи успешно заменены на лампы, розетки, генераторы, электростанции и другие блага, которые нам предоставила физика.

Однако, этот жизненно необходимый ресурс, всегда стоит держать под контролем, так как насколько он полезен, настолько же и опасен. На помощь в этом приходят законы, нормы и правила физики. Одним из них является закон Ома.

Основные понятия закона Ома

• Электроток-движение микроскопических элементов, объединенных одним направлением, несущих в себе заряд энергии.
• Сила тока-физическая переменная, какое количество микроскопических элементов пройдёт по короткому отрезку проводника, за кратчайшее время.
• Электрическая цепь-несколько предметов, способных пропускать через себя электроток, соединенных между собой проводником (например, металлической проволокой)
• Напряжение-показатель, насколько сильно и результативно переносятся микроскопические элементы от одного электро предмета до другого.
• Сопротивление-способность проводника задерживать микроскопические элементы и не допускать их прохождения от одного электро предмета до другого.
• Ома закон-показатель раскрывающий взаимосвязь между силой движения микроскопических электро элементов и сопротивлением электро проводника движению этих элементов.

Формула, исходящая из закона Ома, применяемая для участка физической цепи

Где:

• I- сила, идущего по цепи тока
• U- напряжение
• R- сопротивление

Объяснение Закона Ома

Закон Ома имеет определение, что сила движущегося по проводникам заряда энергии имеет прямую зависимость от приложенного напряжения и обратную от способности материала проводника сопротивляться этому движению.

Каждая микроскопическая частица несет в себе запас электроэнергии, за выбранный временной интервал и определенную длину пути пройдет множество частиц со своими запасами. Сумма этих запасов определяет силу тока.

Нужно принять во внимание, что микрочастицы движутся не сами, их переносит по проводнику некое влияние, способности этой силы преодолевать все препятствия на своем пути является напряжением. При движении частиц на пути встречаются препятствия, например, у металлического провода повышается температура, вызывающая его колебания, тем самым, затрудняет прохождение по нему — сопротивление.

Для примера можно рассмотреть обычный вентилятор, если к нему применить высокое напряжение тока и проводник не будет оказывать сопротивления его прохождению (например, материал проводника состоит исключительно из металлических нитей), то лопасти его будут вращаться очень быстро, если же мощность действия тока снизится, а материал проводника будет некачественный, лопасти будут крутиться медленно, с перебоями, а то и вообще не смогут запуститься.

Для чего нужен закон Ома

В первую очередь данный закон необходим для определения силы движения электро частиц по проводнику. Как следствие, он показывает проходимость материала, его способность быть подверженным напряжению (выделяет те, у кого физико-химический состав более подходящий для работы), а также насколько материал оказывает сопротивление (какие виды не способны проводить электричество совсем).

Позволяет определить, насколько ток, повышает тепловой уровень, меняет химический, и оказывает магнитное воздействие.

Тестирует электроприборы на момент эффективной работы в зависимости от поступления проходимости тока.

Сколько всего законов Ома в физике

Как известно, закон Ома применяется к электроприборам, соединенным с источником тока проводником. Закон бывает двух видов: первый, когда вышеупомянутая конструкция является замкнутой, второй только для ограниченного участка конструкции.

Например, если елочная гирлянда подключена к переключателю режимов, а он в свою очередь, соединен с удлинителем и все это включено и питается из розетки, то это замкнутая полная цепь и работает первый закон. А если проверяется только гирлянда и переключатель режимов, то это часть цепи.

Только, не стоит забывать:

Закон будет работать, если проводимые материалы являются устойчивыми в части сопротивления току и прилагаемому напряжению. Примером может быть металлический провод. Газовые или жидкие субстанции не подходят под этот постулат.

Интегральная и дифференциальная формы закона

Закон Ома в интегральной форме дает представление о силе тока, зависимой от напряжения и сопротивления, добавляя к этому еще зависимость от масштаба материала, по которому он проходит, и химического состава материала, из которого состоит проводник.

Для полной электрической цепи:

Закон Ома в дифференциальной форме, напротив, не принимает во внимание каким объемом проводник, т.к. рассматривается крайне малый масштаб, и здесь эта зависимость исчезает. А вот химические свойства проводимости материала выходят на первый план.

Для изотропных материалов:   

Применение закона Ома на практике

В практической области ярким примером отражения закона Ома являются линии электропередач. Доставляя электричество к людям домой, они имеют свойство нагреваться и отдают силу тока тепловой энергии, таким образом, до конечного пункта дойдет не весь необходимый объем. Чтобы предотвратить потери энергии, необходимо отрегулировать уровни сопротивления, напряжения и силу тока, при помощи различной современной техники. Например: генератора, трансформатора и других.

Практически каждый бытовой предмет отвечает закону Ома. Например, стиральная машина, имеющая электронагреватель, несущий в себе определенную мощность, нуждается в проверке исправности его работы. Замеряя силу тока и напряжения, можно получить результат уровня сопротивления и выявить исправность машины.

Таким же образом можно проверить правильности работы любых электро механизмов, уровень их потребления тока и сопротивления (чайник, телевизор, компьютер и другие).

Закон Ома для участка цепи.

Сила тока на участке электрической цепи прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Формула силы тока:

Закон Ома для полной цепи.

Сила тока полной электрической цепи равна электродвижущей силе (ЭДС) источника тока, деленной на полное сопротивление цепи. Полное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений внешней цепи и внутреннего источника тока.

Формула закона:

Что такое ЭДС и откуда она берется.

ЭДС – это движущая сила электрической энергии. По принципу давления воды ЭДС давит на электрочастицы и двигает их в нужном направлении.

Примером ЭДС является батарейка.

Типы ЭДС:

• В случае прохождения реакций между химическими элементами возникает химическая ЭДС (пример: опять же батарейка).
• Из-за разности температур проводников возникает термическая ЭДС.
• При колебании магнитного поля и изменении его величины возникает ЭДС индукции.
• Внешний и внутренний фотоэффект порождает ЭДС фотоэффекта.
• При растяжении или сдавливании веществ, возникает пьезоэлектрическая ЭДС.

Метод треугольника закона Ома

Необъяснимо-волшебный треугольник Ома, дает подсказку как рассчитать напряжение или силу идущего тока, или сопротивление. Если единицы измерений имеют одну общую вертикальную стенку, то при расчёте третей они умножаются, если же они имеют одну общую горизонтальную поверхность, то делятся.

Таким образом, I=U/R или U=R*I.

Преобразованные формулы закона Ома и Джоуля-Ленца

Для подсчета количества тепла по закону Джоуля-Ленца можно использовать закон Ома, при условии, что сила тока неизвестна, но известен уровень напряжения.

По закону Ома:

Исходя из этого, закон Джоуля-Ленца можно записать в виде дифференциальной формулы:

Где:

• количество тепла Q (Дж);
• сила тока I (А);
• сопротивление R (Ом);
• время t (с).

Если взять участок цепи, и провести по нему ток, то обязательно произойдет эффект нагревания. В отсутствии других процессов, способных потреблять электроэнергию, выделенная проводником теплота Q будет равна работе тока A.

Так выражается уровень теплоты в проводнике при помощи сопротивления — эта формула закона Джоуля-Ленца является интегральной.

Природа силы тока

Для получения большого потока энергии в современном мире используют различные источники ее создания, такие как:

• ГЭС, ГРЭС, ветряные мельницы – они относятся к механическим производителям энергии, так как используют силу действия стихии, для преобразования ее в ток.
• Термальные воды, уголь, газ, нефть – эти источники относятся к тепловым, так как, используя их способность производить тепло, его можно преобразовать в ток.
• Солнечная энергия, или световая. При появлении солнечных батарей стали получать «солнечный ток».
• АЭС – энергия, основанная на взаимодействии химических элементов.

Направление тока

Считается, что направление потока электроэнергии осуществляется в ту сторону, в которую идет положительный заряд. Определить движется ли она в проводнике, можно следующим образом:

• уровень нагрева проводника, в случае прохождения тока он начнет теплеть.
• если частицы проходят через раствор, то он способен делить его на химические элементы, добавляя туда разные смеси, можно получить новые химические субстанции.
• создается магнитное поле.

Для определения направления движущегося электрического тока применяется правило правой руки или правило буравчика. Считается, если обхватить рукой проводник только четырьмя пальцами, а большой отставить вверх, то это и будет направление тока. Также как острие бура показывает, куда направлено электричество.

Сила тока, что это и как ее измерить

Сила тока определяет количество заряда, проходящее за единицу времени через проводник. Как можно найти при помощи формулы силу тока:

Где:

• I — Сила тока
• q – Заряд
• t – Время

Амперметр

Амперметр – прибор, предназначенный для измерения силы тока в цепи.

Бывают стрелочные и цифровые. Первые работают благодаря магнитному полю, как следствие того, что внутри у них помещен магнит. Вторые на основе аналого-цифрового преобразователя. Используются для измерения силы тока в бытовых и высоковольтных сетях.

Напряжение u или разновидность потенциалов

Разность потенциалов – это движущая сила для частиц с электро зарядом из одной точки в другую. Такое движение обеспечивается тем, что в разных точках проводника разное напряжение. Чем эффективнее и быстрее бегут частицы по полю, тем выше напряжение. Формула напряжения:   U=R*I

Сопротивление r

Сопротивление – это способности проводника препятствовать прохождению электрочастиц. Единицей измерения являются Омы.

От чего зависит сопротивление проводника:

• От материала, из которого изготовлен проводник.
• От ширины сечения проводника.
• Длины проводника.

Как можно рассчитать при помощи формулы сопротивление:

Когда сопротивление бесполезно

Отличительная черта электротока, то, что при движении микрочастицы направляются туда, где встречают меньшее сопротивление, либо не встречают его вообще. Из этого следует вывод, если по одной ветви встречается резистор, а по другой нет, электричество соответственно, выберет второй вариант. Такое положение дел грозит коротким замыканием, следствием чего могут быть пожары и взрывы. Во избежание происшествий, в цепь добавляют дополнительные резисторы.

Параллельное и последовательное соединение

Последовательное соединение – это когда элементы электроцепи присоединяются друг к другу по очереди и начало первого соединяется с концом последнего, замыкая цепь. Электричество в данном случае, по очереди пройдет через все элементы. Характеризуется одинаковой силой тока и суммарным напряжением и сопротивлением.

Параллельное соединение – это когда проводники, соединены в одной точке, и это соединение вклинивается еще между двумя соединенными участниками цепи. Характеризуется суммарной силой тока, равнозначным напряжением, сопротивлением кратное количеству участников (резисторов).

 Резистор.

Резистор – участник электрической цепи, способный поглощать электроэнергию и сопротивляться ей. Таким образом, регулирует силу электротока и уровень напряжения при помощи своего сопротивления.

Состав: керамическая трубка, с намотанной проволокой и покрытием из пленки определенного состава и уровня сопротивления.

Бывают постоянные и переменные, в зависимости от величины сопротивления, производимого ими.

Яркий пример использования в технике для музыкальной индустрии, где важно менять громкость и тембр голоса.

Реостат

Ярким примером реостата является выключатель света, который способен делать его очень ярким, средней освещенности или совсем тусклым как ночник. Основой реостата является резистор с переменным сопротивлением. Крутя ручку выключателя, производится воздействие на длину резистора, что равно увеличению или уменьшению сопротивления соответственно.

Для наглядного примера рассмотрим опытный образец Реостата:

Проводники и диэлектрики

Проводники – материалы, способные пропускать через себя электроток. Характеризуются уровнем сопротивления и уровнем электропроводимости.

Диэлектрики – материалы, которые, останавливают движение тока и не дают ему пройти через себя.

Таблица удельных сопротивлений различных материалов