Закон Ома для повного кола: історія і формули.

Що ж являє собою закон Ома для повного кола? Отже, це формула, в якій наочно видно зв'язок основних параметрів електричного ланцюга: струму, напруги та опору. Для того щоб зрозуміти суть закону, давайте для початку розберемося з деякими поняттями.

Що називають електричним ланцюгом?

Електроланцюг – це шлях в електричній схемі, яким протікають заряди (електричні елементи, проводи і інші пристрої). Звичайно ж, її початком вважається джерело електроживлення. Під впливом електромагнітного поля, фотонних явищ або хімічних процесів електричні заряди прагнуть перейти на протилежну клему джерела електроживлення.

Що таке електричний струм?

Спрямований рух заряджених частинок при впливі на них електричного поля або інших сторонніх сил і називається електричним струмом. Його напрямок визначається спрямованістю протонів (позитивних зарядів). Струм буде постійним, якщо з плином часу не змінилася ні сила, ні напрямок.

Історія закону Ома

При проведенні експериментів з провідником фізику Георгу Ому вдалося встановити, що сила струму пропорційна напрузі, яке додано до його кінців: I /sim U або I = G /U, де G – електропровідність, а величина R = 1 /G – електричний опір провідника. Це відкриття було встановлено знаменитим німецьким фізиком в 1827 році.

Закони Ома

Для повного кола визначення буде наступним: сила струму в електросистемі дорівнює відношенню електрорушійної сили (далі ЕРС) джерела до суми опорів: I = E /(R + r), де R – опір зовнішнього ланцюга, а r – внутрішній опір джерела струму. Досить часто формулювання закону викликає труднощі, оскільки не всім знайоме поняття ЕРС, її відмінність від напруги, далеко не всі знають, що означає і звідки з'являється внутрішній опір. Для цього і потрібні пояснення, адже закон Ома для повного ланцюга має глибокий сенс.




Формулювання закону для ділянки кола можна назвати прозорою. Мова йде про те, що для її розуміння не потрібні додаткові роз'яснення: струм в ланцюзі прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційний опору: I = U /R.

Зміст

Закон Ома для повного кола міцно пов'язаний з законом збереження енергії. Давайте припустимо, що джерело струму не має внутрішнього опору. Що ж в такому випадку повинно відбуватися? Виявляється, якщо б не було опір, то в зовнішній ланцюг віддавався б струм більшої величини, відповідно і потужність була б більшою. Тепер прийшов час розібратися з поняттям електрорушійної сили. Ця величина являє собою різницю між електричними потенціалами на клемах джерела, але тільки без якого-небудь навантаження. В якості прикладу давайте візьмемо напір води в піднесеному баку. Рівень води буде знаходитися на місці, поки її не почнуть витрачати. При відкритті крана рівень рідини буде зменшуватися, оскільки немає підкачки. Потрапляючи в трубу, вода відчуває опір, те ж саме відбувається і з електричними зарядами в проводі.




При відсутності навантажень, клеми знаходяться в розімкнутому стані, виходить, що ЕРС і напругу збігаються за величиною. Якщо ж ми, наприклад, включимо лампочку, ланцюг замкнеться, а електрорушійна сила створить напругу в ній, виконуючи корисну роботу. Частина енергії з-за внутрішнього опору розсіється (це називають втратами). У тому випадку, якщо опір менше внутрішнього споживача, то на джерелі струму виділяється велика потужність. І тоді відбувається падіння ЕРС у зовнішній ланцюга, а на внутрішньому опорі втрачається значна частина енергії. Суть законів збереження полягає в тому, що природа не може взяти більше, ніж віддати. Добре знайома сутність внутрішнього опору мешканцям «хрущовок», у яких в квартирах є кондиціонери, а стара проводка так і не була замінена. Електричний лічильник обертається з шаленою швидкістю, нагрівається розетка і стіна в тих місцях, де проходять старі алюмінієві дроти, внаслідок чого кондиціонер ледве-ледве охолоджує повітря в приміщенні.

Природа r

«Повний Ом» (як звикли закон називати електрики) погано розуміється, оскільки у внутрішнього опору джерела, як правило, не електрична природа. Давайте розберемося з цим на прикладі сольовий батарейки. Відомо, що електрична батарея складається з декількох елементів, ми ж будемо розглядати лише один. Отже, у нас є готова батарея «Крона», що складається з 7 послідовно з'єднаних елементів. Як же відбувається вироблення струму? В посудину з електролітом помістимо вугільний стрижень в марганцевої оболонці, що складається з позитивних електродів або анодів. Конкретно в даному прикладі вугільний стрижень виступає струмознімачем. Металевий цинк складають негативні електроди (катоди). В покупних батарейках, як правило, гелевий електроліт. Рідкий використовується дуже рідко. В якості негативного електрода виступає цинковий стаканчик з електролітом і анодами. Виявляється, секрет батарейки криється в тому, що у марганцю електричний потенціал не так високий, як у цинку. Тому електрони притягуються до катода, а він, у свою чергу, відштовхує позитивно заряджені іони цинку до анода. В результаті катод поступово витрачається. Мабуть, кожен знає, що якщо сіла батарейку вчасно не замінити, то вона може потекти. З чим же це пов'язано? Все дуже просто: через роз'єднання стаканчик почне витікати електроліт. При русі зарядів на вугільному стержні в марганцевої оболонці накопичуються позитивні заряди, в той час як на цинку збираються негативні. Тому їх і називають анодом і катодом, однак всередині батарейки виглядають інакше. Різниця між зарядами і створить електрорушійну силу джерела живлення. Заряди припинять рух в електроліті, коли різниця потенціалів матеріалу електрода прирівняється до величині ЕРС, а сили тяжіння будуть дорівнюють силам відштовхування. Давайте тепер замкнемо коло: для цього досить підключити лампочку до батарейці. Проходячи через штучне джерело світла, заряди будуть повертатися кожен на своє місце («будинок»), а лампочка загориться. Всередині батарейки знову почнеться рух електронів і іонів, оскільки заряди пішли назовні, і знову з'явилася приваблива або відразлива сила. Насправді батарейка виробляє струм, чому і світиться лампочка, відбувається це за рахунок витрат цинку, що перетворюється при цьому процесі в інші хімічні сполуки. Для отримання чистого цинку, згідно із законом збереження енергії, її потрібно затратити, але не в електричному вигляді (рівно стільки ж, скільки було віддано лампочці). Тепер нарешті-то ми можемо розібратися з природою внутрішнього опору джерела. В батарейці – це перешкода руху великих іонів. Рух електронів без іонів неможливо, тому що відсутня сила тяжіння. У промислових генераторах r з'являється не тільки з-за електричного опору обмоток, але і за рахунок зовнішніх причин. Так, наприклад, в гідроелектростанціях значення величини залежить від ККД турбіни, опору струму води у водогоні, а також від втрат механічної передачі. Крім того, певний вплив має температура води і те, наскільки вона замулена.

Змінний струм

Ми вже розглянули закон Ома для всього ланцюга постійного струму. Як же зміниться формула при змінному струмі? Перш ніж ми дізнаємося, давайте охарактеризуємо саме поняття. Змінний струм – це рух електрично заряджених частинок, напрямок і значення яких змінюється з плином часу. На відміну від постійного він супроводжується додатковими факторами, що породжують новий вид опору (реактивного). Властиво воно конденсаторів і котушок індуктивності. Закон Ома для повного кола для змінного струму має вигляд: I = U /Z, де Z – комплексне опір, який складається з активних та реактивних.

Не все так погано

Закон Ома для повного ланцюга, крім того що вказує на втрати енергії, ще й підказує спобличчя їх усунення. Звичайні електрики рідко використовують формулу знаходження комплексного опору при наявності в схемі ємностей або індуктивностей. У більшості випадку струм вимірюють кліщами або спеціальним тестером. А коли відомо напругу, можна легко обчислити комплексний опір (якщо це дійсно необхідно).