Закон Ома для участка цепи
По классической формулировке зависимость электрических параметров описывают следующим образом: ток на участке цепи (I) прямо пропорционален разнице потенциалов между контрольными точками (напряжению, U) и обратно – сопротивлению (R). Записать приведенное определение можно с применением типовых обозначений:
I = U/ R.
«Магический» треугольник поможет запомнить основные формулы
К сведению. Для расчета берут значения величин в стандартных единицах измерения: напряжение – вольты (В), электрическое сопротивление – омы (Ом), сила тока – амперы (А).
Эти выражения действительны для любого токопроводящего участка схемы. Пример с резистором, через который пропускается постоянный ток, можно использовать для демонстрации элементарного алгоритма вычислений:
- исходные данные: R = 25 Ом, U = 8 B;
- для расчета тока используют приведенную формулу: I = U/ R = 8/ 25 = 0,32 А;
- если известен ток (I = 1,5 А) и сопротивление (R = 15 Ом), без вольтметра можно узнать напряжение на выводах резистора: U = I *R = 1,5 * 15 = 22,5 В.
Рассмотренные сведения применяют для коррекции электрических параметров. Так, если нужно увеличить напряжение, выбирают сопротивление с большим номиналом. Одновременно обеспечивают стабилизацию тока. Если построить диаграмму с измеренными значениями тока и напряжения по вертикальной и горизонтальной оси, график получится в виде прямой линии. Эта форма подтверждает отсутствие активных составляющих процесса.
Вольтамперная характеристика
В приведенном на рисунке примере R1>R2. Для прохождения сильного тока приходится увеличивать напряжение либо уменьшать сопротивление контрольного участка.
Трактовка и пределы применимости закона Ома
Для корректных расчетов следует учесть ограниченность действия рассмотренных методик. Законом Ома установлены базовые зависимости, которые сохраняются в сравнительно узком частотном диапазоне. Подразумевается применение компонентов с «идеальными» параметрами. Паразитные характеристики, взаимное влияние и отдельные внешние воздействия не учитываются.
Сверхпроводимость
В следующем списке приведены примеры, когда формулы закона Ома не описывают физические процессы с достаточной точностью:
- При значительном понижении температуры уменьшается амплитуда колебаний компонентов молекулярной решетки металлов. Это улучшает условия для прохождения заряженных частиц. На определенном уровне возникает сверхпроводимость, которая характеризуется минимальными потерями энергии в проводнике.
- В диапазоне сверхвысоких частот следует учитывать инерционные характеристики заряженных частиц. Определенное значение приобретают поверхностные токи.
- По мере нагрева на определенном уровне проводимость материала изменяется нелинейно, что исключает возможность применения представленных формул.
- Высоковольтное напряжение провоцирует пробой диэлектрика.
Нелинейные элементы и цепи
Как отмечено в предыдущем разделе, калькулятор и элементарные технологии расчета в отдельных ситуациях непригодны.
График изменения сопротивления
На рисунке приведены результаты эксперимента с типовой лампой накаливания. Видно, что при увеличении напряжения сопротивление изменяется нелинейно. Данное явление сопряжено с нагревом вольфрамовой нити. Для подобных ситуаций необходимы сведения о значениях проводимости в отдельных точках графика. Например, можно использовать тангенс угла α по отношению к горизонтальной оси. В этом случае статическое электрическое сопротивление для определенного места (Rст) рассчитывают по формуле:
Rст = Uα/Iα = tg α.
Также применяют значение, эквивалентное минимальному изменению тока и напряжения (ΔI и ΔU соответственно). По этой методике Rст = ΔU / ΔI = tg ϕ, где ϕ – угол между касательной в контрольной точке и осью абсцисс.
Нелинейные элементы
На первом рисунке показана вольтамперная характеристика серийного диода. График подтверждает смещение полупроводникового перехода в зависимости от приложенного напряжения. Хорошо видно, как на горизонтальном участке существенное изменение потенциала сопровождается незначительной реакцией силы тока.
Второй рисунок демонстрирует зависимость характеристик от уровня светового потока (Ф). Стандартный фотодиод функционирует в области обратного смещения p-n перехода. Это наглядный пример двухполюсного радиотехнического компонента с нелинейными параметрами.
На последнем рисунке изображена вольтамперная характеристика тиристора. Работой этого устройства управляют с помощью дополнительной области, созданной в полупроводниковом переходе. Аналогичные по сути решения применяют в транзисторах.
Цепи, которые будут содержать подобные компоненты, называют нелинейными. При расчетах учитывают особенности ВАХ, время переключения. Определенное значение имеет класс изделия. К безынерционным относят элементы с быстрой реакцией на управляющие воздействия.
Закон Ома
Закон Ома показывает отношения между напряжением (V), током (I) и сопротивлением (R). Записано это может быть тремя разными способами:
V = I × R
или
I = V/R
или
R = V/I
Где:
- V – напряжение в вольтах (В);
- I – сила тока в амперах (А);
- R – сопротивление в омах (Ом);
Для большинства схем амперы – слишком большие величины, а омы – слишком маленькие. Поэтому в формулу можно подставлять миллиамперы и килоомы. Если силу тока подставлять в миллиамперах (мА), то сопротивление обязательно должно быть в килоомах (кОм) и наоборот. Напряжение – всегда в вольтах.
Видоизменения закона Ома.
Чтобы проще запомнить три разные версии определения Закона Ома, можно воспользоваться «VIR-треугольником».
-
Если надо вычислить напряжение, закрываем пальцем V. У нас остаются I и R. Они на одном уровне, значит между ними ставим знак умножения. Получается: V = I × R .
- Если вычисляем ток, закрываем пальцем I. У нас остаётся V над R. Значит напряжение делится на сопротивление: I = V/R .
- Аналогичным образом поступаем при вычислении сопротивления. Закрываем R. Остаётся V над I. Значит: R = V/I .
Закон Ома, определение: Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению. Есть также частный случай – Закон Ома для участка цепи – сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка.
