Закон Ома
Закон Ома связывает напряжение, ток и сопротивление: U = I × R. Формула работает для участка цепи, если его сопротивление не меняется от температуры и режима.
Эта короткая запись полезна, только если мы понимаем три величины и границы модели. Лампочка, светодиод и батарея не всегда ведут себя как постоянный резистор.
В статье вы узнаете:
Георг Ом связал три измеряемые величины
Георг Симон Ом - немецкий физик и учитель. В 1827 году он опубликовал работу, в которой математически описал электрическую цепь и связь между разностью потенциалов, током и свойствами проводника.
В русской записи закон для участка цепи обычно выглядит так:
U - напряжение в вольтах, I - сила тока в амперах, R - сопротивление в омах. Название единицы сопротивления и знак Ω даны в честь Георга Ома.
Из одной записи получаются три формы:
Калькулятор закона Ома находит третью величину по двум известным. Но перед вводом нужно привести миллиамперы, килоомы и другие приставки к согласованным единицам.
Напряжение даёт энергию, ток переносит заряд
Напряжение - разница электрических потенциалов между двумя точками. Она показывает, сколько энергии может получить единица заряда при движении между этими точками.
Сила тока показывает, сколько электрического заряда проходит через сечение проводника за единицу времени. Один ампер равен одному кулону в секунду.
Сопротивление показывает, насколько данный элемент при данных условиях ограничивает ток. При том же напряжении большее сопротивление даёт меньший ток.
Можно представить воду в трубе: разность давления напоминает напряжение, поток воды - ток, узкая труба - сопротивление. Аналогия помогает увидеть связь, но не является точной моделью электричества. Электроны уже находятся по всей цепи, а напряжение не является запасом «электрической жидкости».
Закон Ома относится к напряжению на выбранном участке и току через него. Если взять напряжение на батарее, а ток в другой ветви схемы, формула не опишет один объект.
У постоянного резистора график является прямой
Подадим на резистор несколько напряжений и каждый раз измерим ток. Если сопротивление не меняется, удвоение напряжения удвоит ток: 1 В даст 1 мА, 2 В - 2 мА, 3 В - 3 мА.
На графике с напряжением U по горизонтали и током I по вертикали точки лягут на прямую через начало координат.
Наклон такой прямой равен 1/R. Малое сопротивление даёт крутую линию: ток быстро растёт с напряжением. Большое сопротивление даёт более пологую линию.
Если поменять оси местами и рисовать U по вертикали, наклон будет равен R. Поэтому фраза «наклон графика равен сопротивлению» верна только после указания осей.
Кривая линия означает, что отношение U/I меняется. Так ведут себя диод, нагревающаяся лампа и многие другие элементы.
Девять вольт и три килоома дают три миллиампера
Пусть к резистору 3 кΩ приложено напряжение 9 В. Сначала переводим килоомы: 3 кΩ = 3000 Ω.
Получить 3 ампера вместо 3 миллиампер легко, если забыть приставку «кило». Полезно помнить:
- 1 кΩ = 1000 Ω;
- 1 МΩ = 1 000 000 Ω;
- 1 мА = 0,001 А;
- 1 мкА = 0,000001 А.
После тока можно найти мощность, которая превращается в тепло:
В нашем примере P = 9 В × 0,003 А = 0,027 Вт. Калькулятор электрической мощности помогает проверить нагрев и выбрать компонент с запасом.
Сопротивление не всегда остаётся постоянным
Простая форма закона Ома точно описывает омический элемент в выбранном режиме, когда отношение U/I постоянно. Обычный резистор близок к этой модели, пока его температура заметно не меняется.
Нить лампы нагревается, и её сопротивление растёт. У диода ток почти не идёт до определённой области напряжения, а затем быстро увеличивается. Для них одной постоянной R на все режимы недостаточно.
Батарея тоже не является идеальным источником. У неё есть электродвижущая сила и внутреннее сопротивление, поэтому напряжение на выводах меняется под нагрузкой.
В цепи из нескольких деталей можно найти эквивалентное сопротивление - одно условное R, которое заменяет сеть для двух выбранных выводов. Это не значит, что каждый элемент внутри имеет такое сопротивление.
Калькулятор делителя напряжения показывает, как два резистора распределяют входное напряжение. Для реальной нагрузки её сопротивление тоже приходится учитывать.
Для светодиода вычитают его падение напряжения
Пусть источник даёт 5 В, на светодиоде в рабочем режиме падает примерно 2 В, а желаемый ток равен 20 мА. На резисторе должно остаться 5 − 2 = 3 В.
Теперь проверим мощность резистора:
Стандартный резистор мощностью 0,25 Вт имеет достаточный запас для этого учебного примера. Но прямое напряжение и допустимый ток нужно брать из документации конкретного светодиода.
Калькулятор резистора для светодиода выполняет оба шага. Он не заменяет проверку максимальных значений детали и источника.
Экспериментируйте только с безопасным низким напряжением. Бытовая сеть опасна для жизни и не подходит для самостоятельных учебных опытов.
Главный вывод. Закон Ома связывает U, I и R для одного участка цепи при понятных условиях. Прямая на графике показывает постоянное сопротивление, а изгиб предупреждает, что простой модели уже недостаточно.
Есть что добавить?
Напишите своё мнение, комментарий или предложение.