2.4. Закон Ома. Электрическое сопротивление. Закон Джоуля – Ленца — ЗФТШ, МФТИ

Как отмечалось выше, для поддержания постоянного тока в проводнике, т. е. движения электронов с постоянной скоростью, необходимо непрерывное действие сил электрического поля на носители заряда. Это означает, что электроны в проводниках движутся «с трением», иначе говоря, проводники обладают электрическим сопротивлением.

Если состояние проводника остаётся неизменным (не изменяется его температура и т. д.), то для каждого проводника существует однозначная зависимость между напряжением `U` на концах проводника и силой `I` тока в нём `I=f(U)`. Она называется вольтамперной характеристикой данного проводника.

Для многих проводников эта зависимость особенно проста – линейная: сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, т. е.

где `R` – электрическое сопротивление проводника (постоянная при неизменных условиях величина).

Этот закон носит название закона Ома. Немецкий физик Г. Ом в 1827 г. в результате серии экспериментов установил, что для широкого класса проводников сила `I` электрического тока в проводнике пропорциональна напряжению `U` на концах проводника.

Сопротивление `R` проводника зависит от рода вещества проводника, от его размеров и формы, а также от состояния проводника.

Единицей сопротивления в СИ является один Ом (Ом). За один Ом принимается сопротивление такого проводника, в котором при напряжении между его концами один вольт течёт постоянный ток силой один ампер: `1`Ом`=1`В`//1`A.

Вытекающее из закона Ома (8) соотношение

можно рассматривать и как определение сопротивления по приведённой формуле.

Г. Ом установил, что для проводников  $$ R$$ не зависит от $$ U.$$ 

В технических приложениях для описания процессов в электрических цепях часто используется понятие  вольтамперной характеристики. Для проводников, подчиняющихся закону Ома (8), графиком зависимости силы `I` тока в проводнике от напряжения `U` на нём будет прямая линия, проходящая через начало координат (см. рис. 1). При этом говорят, что проводник имеет линейную вольтамперную характеристику.

В то же время для полупроводников, электронных ламп, диодов, транзисторов зависимость `I=f(U)` носит сложный характер, и такие элементы называют нелинейными (или неомическими). Для таких элементов величина `R`, вычисленная по формуле `R=U/I`, зависит от `U`. В частности, при измерении вольтамперной характеристики лампочки накаливания с вольфрамовой нитью мы обнаружим, что она имеет вид, схематически показанный на рис. 2. Искривление вольтамперной характеристики связано с нагревом нити и увеличением сопротивления нити накала с ростом температуры. В некоторых устройствах, таких как диод, сопротивление зависит от направления тока.

Обсудим вопрос о тепловыделении в проводнике. С учётом закона Ома (8) формула (7) для мощности тепловыделения принимает вид:

Другими словами, если через резистор `R` протекает постоянный ток силой `I`, то за `t` секунд в резисторе выделяется количество теплоты, равное

Соотношения (10), (11) являются математическим выражением закона, открытого в XIX веке практически одновременно и независимо английским физиком Д. Джоулем и русским физиком Э.Х. Ленцем.

Обратим внимание, что полученный закон является прямым следствием закона сохранения энергии в применении к движению электрических зарядов под действием сил электрического поля.

Значение закона Ома: краткий обзор основ

• Новостная рассылка
• Белая бумага
• Вебинары

Откройте для себя PCIM Europe

• Продукты и приложения
• Новости отрасли
• Исследования и разработки
• Инструменты и программное обеспечение
• Эксперты
• Услуги

27.01.2023 От Люк Джеймс

Связанные поставщики

EA Elektro-Automatik GmbH & Co. KG РОМ Полупроводник ГмбХ Файнпауэр ГмбХ

Закон Ома, возможно, является одним из наиболее важных принципов силовой электроники и лежит в основе проектирования электронных схем. В этой статье вы узнаете все, что вам нужно знать!

(Источник: shaiith — stock.adobe.com)

Что такое закон Ома?

Закон Ома — это формула, которая используется для расчета соотношения между напряжением, током и сопротивлением в электрической цепи. Это три наиболее важных параметра схемы в электронике, поэтому закон Ома является важным принципом, который должен понимать любой начинающий инженер-электрик.

Сегодня закон Ома используется во всех отраслях электротехники, особенно при проектировании электронных схем. Он используется для расчета номинала резисторов, необходимых в цепях, а также может использоваться для определения тока, протекающего в цепи, где можно легко измерить напряжение на известном резисторе.

Закон Ома также используется во множестве расчетов во всех формах проектирования электронных схем, от самых простых до очень сложных. Фактически везде, где течет ток, действует закон Ома.

Определение закона Ома

Закон, утверждающий, что электрический ток пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению.

Какова формула закона Ома?

Закон Ома гласит, что ток через компонент, такой как резистор или диод, равен напряжению на этом компоненте, деленному на сопротивление этого соединения. Это можно выразить с помощью трех простых взаимозаменяемых формул (см. рис. 1)

Рисунок 1. На этом изображении показаны три формулы закона Ома.

(Источник: petrroudny — stock.adobe.com)

Каждая из этих формул по существу одинакова. Ни один из них не признан «официальным»; все три используются различными источниками.

Взаимозаменяемость уравнения также означает, что его иногда представляют в виде треугольника, где V (напряжение) находится в верхней части, I (ток) — внизу слева, а R (сопротивление) — внизу справа.

Посмотрите это видео, чтобы увидеть объяснение закона Ома с практическим примером того, как его использовать в простой цепи, в последовательной цепи, а также в параллельной цепи:

История закона Ома

В 1826 году , Георг Саймон Ом опубликовал статьи, в которых дается математическая модель того, как электрические цепи отводят тепло. В мае 1827 года Ом опубликовал Die galvanische Kette, mathematisch Bearbeitet, в которой описал взаимосвязь между электродвижущей силой, током и сопротивлением, позже известную как закон Ома. Эта работа была вдохновлена ​​работой Жана-Батиста Жозефа Фурье по теплопроводности.

Закон Ома был определен Георгом Симоном Омом (1789 — 1854), немецким физиком и математиком.

(Источник: Archivist — stock.adobe.com)

Ом использовал гальванометр для измерения тока и знал, что напряжение между клеммами термопары пропорционально температуре перехода. Затем он добавил тестовые провода, диаметр и материал, чтобы завершить схему, и обнаружил, что его данные можно смоделировать с помощью уравнения закона Ома.

Несмотря на то, что критики отнеслись к его работе враждебно, охарактеризовав ее как фантастику, закон Ома в настоящее время признан одним из наиболее важных из ранних количественных описаний физики электричества. Сегодня это считается очевидным, но в то время было трудно доказать.

Какую роль играет закон Ома в силовой электронике?

Закон Ома позволяет инженерам определять характеристики цепи, такие как ток, протекающий через нее, и сопротивление, если известно напряжение батареи в цепи. Поэтому его можно использовать для управления величиной тока в цепи, позволяя инженерам добавлять и удалять резисторы для уменьшения или увеличения величины тока, необходимого в различных приложениях.

Закон Ома также может быть расширен для описания электрической мощности (т. е. скорости потока энергии в секунду), поскольку мощность P = IV, и поэтому инженеры могут использовать его, чтобы гарантировать, что их схема обеспечивает достаточно энергии для удовлетворения потребностей, например, 80-ваттный прибор.

Вкратце, три основных применения закона Ома:

• Определение напряжения, сопротивления или силы тока в электрической цепи.

• Поддержание желаемого падения напряжения на электронных компонентах.

• Отвод тока в амперметрах постоянного тока и других шунтах постоянного тока.

Ограничения закона Ома

Подобно закону Мура, некоторые законы в отрасли силовой электроники противоречивы или не могут применяться безоговорочно. Это приводит к следующему вопросу: Всегда ли верен закон Ома? Хотя закон Ома играет фундаментальную роль в электротехнике, необходимо помнить о некоторых ключевых ограничениях.

Во-первых, закон Ома не применяется к односторонним электрическим компонентам. К ним относятся, например, диоды и транзисторы, несмотря на то, что они пропускают ток только в одном направлении. Во-вторых, уровень напряжения не будет соответствовать времени для нелинейных электронных компонентов, обладающих такими свойствами, как емкость и сопротивление. Это затрудняет применение закона Ома в таких сценариях.
Полупроводники, такие как кремний, например, не подчиняются закону Ома и в результате известны как неомические проводники. По сути, это означает, что отношение напряжения к току не остается постоянным при изменении напряжения.
Закон Ома также может не дать желаемых результатов, если физические условия, такие как температура или давление, не поддерживаются постоянными.

Подпишитесь на рассылку новостей сейчас

Не пропустите наш лучший контент

Деловая электронная почта

Нажимая «Подписаться на рассылку новостей», я даю согласие на обработку и использование моих данных в соответствии с формой согласия (пожалуйста, разверните для подробностей) и принимаю Условия использования. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Развернуть для подробностей вашего согласия

(ID:439)

Определение закона Ома в физике.

(существительное) Наблюдение

Ома состоит в том, что постоянный ток, протекающий в электрической цепи, состоящей только из сопротивлений, прямо пропорционален приложенному напряжению.

• Закон Ома

  • Это важное соотношение известно как закон Ома .
  • Это отношение также называют законом Ома .
  • Закон Ома (подобно закону Гука ) не является универсальным.
  • Многие вещества, для которых выполняется закон Ома, называются омическими.
  • Два других устройства не соответствуют Ом закон .

• Измерение тока и напряжения в цепях

  • В соответствии с законом Ома , электрический ток I или движение заряда, протекающего через большинство веществ, прямо пропорционален приложенному к нему напряжению V.
  • Закон Ома поэтому может быть записан следующим образом:
  • Более конкретно, закон Ома утверждает, что R в этом отношении является постоянным и не зависит от тока.
  • Чтобы решить эту проблему, мы просто подставим данные значения в закон Ома : I = 1,5 В/5 Ом; I = 0,3 ампера.
  • Если мы знаем силу тока и сопротивление, мы можем преобразовать уравнение закона Ом и решить для напряжения В:

• Резисторы в цепях переменного тока

  • В цепи с резистором и источником питания переменного тока закон по-прежнему применяется (V = IR).
  • Закон Ома применим как к цепям переменного тока, так и к цепям постоянного тока.
  • Применение закона Ома для определения тока и напряжения в цепи переменного тока

• Конденсаторы в цепях переменного тока: емкостное реактивное сопротивление и векторные диаграммы

  • Здесь мы использовали закон Ома (V=IR) для получения соотношения между напряжением и током в цепях переменного тока.
  • В этом и последующих атомах мы будем обобщать закон Ома, чтобы мы могли использовать его, даже когда в цепи есть конденсаторы и катушки индуктивности.
  • Поскольку это по-прежнему напряжение, деленное на ток (как и сопротивление), его единицей измерения является Ом .
  • Это считается эффективным сопротивлением конденсатора переменному току, поэтому среднеквадратичное значение тока Irms в цепи, содержащей только конденсатор C, согласно другой версии закона Ом определяется как $I_{rms} = \ frac{V_{rms}}{X_C}$, где Vrms — среднеквадратичное значение напряжения.
  • Обратите внимание, что XC заменяет R в версии постоянного тока закона Ома .

• Резисторы серии

  • Использование Закона Ом для расчета изменений напряжения в резисторах в серии
  • Согласно закону Ома, падение напряжения, В, на резисторе, когда через него протекает ток, рассчитывается с использованием уравнения V=IR, где I — ток в амперах (А), а R — сопротивление в Ом (Ом).
  • Краткое введение в анализ последовательных цепей и последовательных цепей, включая закон Кирхгофа тока (KCL) и закон Кирхгофа напряжения (KVL).

• Резисторы параллельно

  • Согласно закону
    Ома , токи, протекающие через отдельные резисторы, равны $I_1 = \frac{V}{R_1}$, $I_2 = \frac{V}{R_2}$ и $I_3 = \ дробь{V}{R_3}$.
• 9Цепь серии 0038 RLC: на больших и малых частотах; Векторная диаграмма
  • Комбинируя закон Ом (Irms = Vrms/Z; Irms и Vrms представляют собой действующие значения тока и напряжения) и выражение для импеданса Z, из:
  • Этот ответ имеет смысл, потому что на высоких частотах закон Ленца предполагает, что полное сопротивление катушки индуктивности будет большим.

• Различные типы токов

  • Ряд электрических законы распространяются на все электрические сети.
  • К ним относятся закон Ома , который обсуждался в модуле «Сопротивление и резисторы», законы тока и напряжения Кирхгофа , которые рассматриваются в модуле «Правила Кирхгофа».
  • Два закона Кирхгофа вместе с вольт-амперной характеристикой (ВАХ) каждого электрического элемента полностью описывают цепь.
  • Ток i, протекающий по цепи, равен Закон Ома .

• Катушки индуктивности в цепях переменного тока: индуктивные реактивные и векторные диаграммы

  • В цепи переменного тока с индуктором напряжение на индукторе опережает ток из-за закона Ленца .
  • Среднеквадратичное значение тока Irms через катушку индуктивности L определяется версией закона Ом: $X_L = 2\pi \nu L$, где $\nu$ — частота источника переменного напряжения в герцах.
  • Поскольку индуктор реагирует на сопротивление току, XL имеет единицы измерения Ом (1 Гн = 1 Омс, так что частота, умноженная на индуктивность, имеет единицы (циклы/с)(Омс)=Ом), что согласуется с его ролью в качестве эффективное сопротивление.