Закон Ома – Що таке закон Ома?

Кажуть: “не знаєш закон Ома – сиди вдома”. Тож давайте дізнаємося (згадаймо), що це за закон, і сміливо підемо гуляти.

Основні поняття закону Ома 

Як зрозуміти закон Ома? Потрібно просто розібратися в тому, що є в його визначенні. І почати слід з визначення сили струму, напруги та опору. 

Сила струму I 

Нехай у якомусь провіднику тече струм. Тобто відбувається спрямований рух заряджених частинок – припустимо, це електрони. Кожен електрон має елементарний електричний заряд (e= -1,60217662 × 10 ^-19  Кулона). У такому разі через деяку поверхню за певний проміжок часу пройде конкретний електричний заряд, що дорівнює сумі всіх зарядів електронів, що пройшли. 

Ставлення заряду до часу називається силою струму. Чим більший заряд проходить через провідник за певний час, тим більша сила струму. Сила струму вимірюється в Амперах . 

Напруга U, або різниця потенціалів 

Це якраз та штука, яка змушує електрони рухатися. Електричний потенціал характеризує здатність поля виконувати роботу з перенесення заряду з однієї точки до іншої. Так, між двома точками провідника існує різниця потенціалів, та електричне поле здійснює роботу з перенесення заряду. 

Фізична величина, що дорівнює роботі ефективного електричного поля при перенесенні електричного заряду, і називається напругою. Вимірюється у Вольтах . Один Вольт – це напруга, яка при переміщенні заряду в 1 Кл здійснює роботу, рівну 1 Джоуль . 

Опір R 

Струм, як відомо, тече у провіднику. Нехай це буде якийсь провід. Рухаючись дротом під впливом поля, електрони зіштовхуються з атомами дроти, провідник гріється, атоми в кристалічній решітці починають вагатися, створюючи електронам ще більше проблем для пересування. Саме це явище називається опором. Воно залежить від температури, матеріалу, перерізу провідника та вимірюється в Омах . 

Формулювання та пояснення закону Ома 

Закон німецького вчителя Георга Ома дуже простий. Він говорить: 

Сила струму на ділянці ланцюга прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна опору. 

Георг Ом вивів цей закон експериментально (емпірично) у 1826 році. Природно, що більше опір ділянки ланцюга, то менше буде сила струму. Відповідно, що більше напруга, то струм буде більше. 

Це формулювання закону Ома – найпростіше і підходить для ділянки ланцюга. Говорячи “ділянка ланцюга” ми маємо на увазі, що це однорідна ділянка, на якій немає джерел струму з ЕРС. Говорячи простіше, ця ділянка містить якийсь опір, але на ньому немає батарейки, яка забезпечує сам струм. 

Якщо розглядати закон Ома для повного ланцюга, формулювання його буде трохи іншим. 

Нехай у нас є ланцюг, у ньому є джерело струму, що створює напругу, і якийсь опір. 

Закон запишеться у такому вигляді: 

Пояснення закону Ома для порожнього ланцюга принципово не відрізняється від пояснення для ділянки ланцюга. Як бачимо, опір складається з власне опору та внутрішнього опору джерела струму, а замість напруги у формулі фігурує електрорушійна сила джерела. 

Як зрозуміти закон Ома? 

Щоб інтуїтивно зрозуміти закон Ома, звернемося до аналогії уявлення струму у вигляді рідини. Саме так думав Георг Ом, коли проводив досліди, завдяки яким було відкрито закон, названий його ім’ям. 

Уявімо, що струм – це не рух частинок-носіїв заряду у провіднику, а рух потоку води у трубі. Спочатку воду насосом піднімають на водокачку, а звідти, під дією потенційної енергії, вона прагне вниз і тече трубою. Причому, що вище насос закачає воду, то швидше вона потече в трубі. 

Звідси випливає, що швидкість потоку води (сила струму у дроті) буде тим більшою, чим більша потенційна енергія води (різниця потенціалів) 

Сила струму прямо пропорційна напрузі. 

Тепер звернемося до опору. Гідравлічний опір – це опір труби, обумовлений її діаметром і шорсткістю стін. Логічно припустити, що чим більший діаметр, тим менший опір труби, і тим більша кількість води (більший струм) протікає через її переріз. 

Сила струму обернено пропорційна опору. 

Таку аналогію можна проводити лише принципового розуміння закону Ома, оскільки його первозданний вид – насправді досить грубе наближення, яке, тим щонайменше, знаходить відмінне застосування практично. 

Насправді, опір речовини обумовлено коливанням атомів кристалічних ґрат, а струм – рухом вільних носіїв заряду. У металах вільними носіями є електрони, що зірвалися з атомних орбіт. 

Закон Ома – головний закон електротехніки, який відкрив у 1826 році видатний німецький вчений Георг Сімон Ом. Разом з експертом розберемо формулювання, формулу та завдання на закон Ома з рішенням.

Фізика – наука емпірична. Її основні закони випливають із практичного досвіду і часто багато років немає теоретичних обгрунтувань. Саме так справи з головним законом електротехніки, який відкрив у 1826 році видатний німецький вчений Георг Сімон Ом.

Електричні явища люди спостерігали за сотні років. Але ніяк не пов’язували між собою зарядженість пошарпаного бурштину та блискавку. Тільки під кінець XVIII століття електрику стали уважно досліджувати. В 1795 Алессандро Вольта винайшов «вольтовий стовп», хімічну батарею, і виявив появу струму в провіднику, що з’єднує її полюси. Сфери застосування електрики стрімко множилися, і виникла гостра необхідність розрахункових формулах для інженерів. Це завдання вирішували багато вчених, але першим сформулював головну формулу електротехніки саме Георг Ом. Він узвичаїв поняття опору і досвідченим шляхом встановив залежність між основними характеристиками електричного ланцюга.

Визначення закону Ома простими словами

Електричне коло складається з двополюсного джерела напруги, тобто батареї, акумулятора чи генератора. Якщо полюси джерела з’єднати проводами, то ними потече електричний струм. Його величина визначається опором провідників. Наочне уявлення цієї залежності – звичайний водопровід. Аналогом джерела напруги є насос або водонапірна вежа, що створює тиск у магістралі, кількість води, що пройшла трубою, — подібність сили струму, а кран відповідає опору. Цілком відкритий, він не обмежує потік, у міру закручування отвір для води зменшується, доки не закриється зовсім.

Закон Ома для ділянки кола

Досвідченим шляхом дослідник встановив взаємозв’язок характеристик електричного кола. Класичне формулювання закону Ома звучить так:

«Сила струму ділянки кола прямо пропорційна напрузі і назад пропорційна опору».

Закон ома для ділянки кола

Де I – сила струму, що вимірюється в Амперах (А), U – напруга, виміряна у Вольтах (В), R – опір, що вимірюється в Омах (Ом).

У такому вигляді закон Ома наведено у шкільних підручниках фізики. Згідно з цією простою формулою, для визначення рівня струму в провіднику достатньо величину напруги на його сторонах розділити на певний умовно постійний коефіцієнт, тобто на опір. Чому «умовно»? Тому що величина опору може змінюватись в залежності від температури. Тому, до речі, лампи розжарювання найчастіше перегорають при включенні. Опір холодної спіралі нижче, ніж нагрітої, стрибок струму при подачі напруги викликає її різке розширення та розрив. Але якщо цей момент подолано і нитка напруження вціліла, її опір зростає, і струм обмежується. А при температурі рідкого гелію, наприклад, опір падає до нуля, настає надпровідність.

Закони ома формули

Закон Ома для замкненого повного кола

Попереднє формулювання годиться тільки для ділянки ланцюга, де відсутнє джерело електрорушійної сили. Насправді струм тече по замкнутому контуру, де обов’язково є батарея або генератор, що має власний внутрішній опір. Тому формула закону Ома для повного ланцюга виглядає дещо складніше.

Формула закону Ома для замкненого повного кола

Де I – сила струму, що вимірюється в Амперах (А), Е – електрорушійна сила, виміряна у Вольтах (В), R – опір, що вимірюється в Омах (Ом), r – внутрішній опір джерела ЕРС.

Застосування закону Ома

Георг Ом дав у руки інженерів засіб для вирішення завдань, пов’язаних із електричними ланцюгами. Теплові та світлові прилади, електродвигуни, генератори, лінії електропередач, кабелі зв’язку розраховуються на основі цієї простої формули. Немає такої галузі електротехніки, де вона не знаходить застосування. Навіть у радіотехніці використовується закон Ома, але у диференційній формі. “Все геніальне – просто”, як вважали Евріпід, Леонардо да Вінчі, Наполеон Бонапарт і Альберт Ейнштейн, безперечні генії. Закон Ома цілком і повністю підтверджує цю істину.

Завдання на закон Ома із рішенням

Завдання для ділянки електричного кола

Електрочайник, включений у мережу з напругою 220 В, споживає струм 1,1 А. Який опір електрочайника.

Дано:


U = 220 В


I = 1,1 А

Рішення:


Відповідно до закону Ома для ділянки ланцюга:


R=U/I=220/1,1=200 Ом

Відповідь:  R = 200 Ом.

Завдання для повного замкнутого ланцюга

Джерело постійного струму з ЕРС E = 24 В та внутрішнім опором r = 1,5 Ом замкнутий на зовнішній опір R = 11 Ом. Визначити силу струму в ланцюзі.

Дано:


Е = 24, r = 1,5 Ом, R = 11 Ом

Рішення:


За законом Ома для замкненого ланцюга: I = E / (R + r) = 24 / (11 +1,5) = 1,92 А.

Відповідь:  I = 1, 92 А.

У цій статті ми постаралися дати просте пояснення закону Ома. Знання цих на перший погляд простих речей може послужити Вам непогану службу на іспиті. Звичайно, ми привели його найпростіше формулювання закону Ома і зараз не лізтимемо в нетрі вищої фізики, розбираючись з активним і реактивним опорами та іншими тонкощами. 

А насамкінець пропонуємо Вам подивитися цікаве відео про закон Ома. Це справді пізнавально! 

Відео – закон Ома