Закон Ома — калькулятор, формулы, методика расчета

Закон Ома — эмпирический физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника (или электрического напряжения) с силой тока, протекающего в проводнике, и сопротивлением проводника. Установлен Георгом Омом в 1826 году (опубликован в 1827 году) и назван в его честь.

В данном обзоре приведены программы и калькуляторы закона Ома. Также дополнительно приведены основные формулы и методики расчетов.

Закон Ома для постоянного тока — расчет, формулы

Закон Ома для постоянного тока определяет зависимость между током (I), напряжением (U) и сопротивлением (R) в участке электрической цепи.

Закон Ома для полной цепи:

I = ε / (R + r), где:

• ε — ЭДС источника напряжения, В;
• I — сила тока в цепи, А;
• R — сопротивление всех внешних элементов цепи, Ом;
• r — внутреннее сопротивление источника напряжения, Ом.

Из закона Ома для полной цепи вытекают следующие следствия:

• При r < R сила тока в цепи обратно пропорциональна ее сопротивлению, а сам источник в ряде случаев может быть назван источником напряжения.
• При r > R сила тока не зависит от свойств внешней цепи (величины нагрузки), и источник может быть назван источником тока.

Часто выражение I = U / R тоже называют законом Ома. При этом формулировка следующая — сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи, где:

• I — сила тока, измеряемая в Амперах (A).
• U — напряжение, измеряемое в Вольтах (V).
• R — сопротивление, измеряемое в Омах (Ом, Ω).

Помимо закона Ома, важнейшим является понятие электрической мощности. Мощность постоянного тока (P) равна произведению силы тока (I) на напряжение (U):

P = I × U, где:

• P — электрическая мощность, измеряемая в Ваттах (W).
• I — сила тока, измеряемая в Амперах (A).
• U — напряжение, измеряемое в Вольтах (V).

Комбинируя две формулы можно получить зависимость между силой тока, напряжением, сопротивлением и мощностью, и создадим таблицу:

Множительные приставки в системе СИ примирительные к закону Ома:

• Сила тока, Амперы (A): 1 килоампер (1 kА) = 1000 А; 1 миллиампер (1 mA) = 0,001 A; 1 микроампер (1 µA) = 0,000001 A.
• Напряжение, Вольты (V): 1 киловольт (1kV) = 1000 V; 1 милливольт (1 mV) = 0,001 V; 1 микровольт (1 µV) = 0,000001 V.
• Сопротивление, Омы (Ом): 1 мегаом (1 MОм) = 1000000 Ом; 1 килоом (1 kОм) = 1000 Ом.
• Мощность, Ватты (W): 1 мегаватт (1 MW) = 1000000 W; 1 киловатт (1 kW) = 1000 W; 1 милливатт (1 mW) = 0,001 W.

Изменение сопротивления:

На следующей схеме вы видите разность сопротивлений между системами изображенными на правой и левой стороне рисунка. Сопротивление давлению воды в кране противодействует задвижка, в зависимости от степени открытия задвижки изменяется сопротивление.

Сопротивление в проводнике изображено в виде сужения проводника, чем более узкий проводник тем больше он противодействует прохождению тока.

Вы можете заметить что на правой и на левой стороне схемы напряжение и давление воды одинаково.

Вам необходимо обратить внимание на самый важный факт. В зависимости от сопротивления увеличивается и уменьшается сила тока

В зависимости от сопротивления увеличивается и уменьшается сила тока.

Слева при полностью открытой задвижке мы видим самый большой поток воды. И при самом низком сопротивлении, видим самый большой поток электронов (Ампераж) в проводнике.

Справа задвижка закрыта намного больше и поток воды тоже стал намного больше.

ужение проводника тоже уменьшилось вдвое, я значит вдвое увеличилось сопротивление протеканию тока. Как мы видим через проводник из за выского сопротивления протекает в два раза меньше электронов.

Для справки

Обратите внимание что сужение проводника изображенное на схеме используется только для примера сопротивления протеканию тока. В реальных условиях сужения проводника не сильно влияет на протекающий ток

Значительно большее сопротивление могут оказывать полупроводники и диэлектрики.

Сужающийся проводник на схеме изображен лишь для примера, для понимания сути происходящего процесса.Формула закона Ома — зависимость сопротивления и силы тока

I = E/R Как вы видите из формулы, сила тока обратнапропорциональна сопротивлению цепи.

Больше сопротивление = Меньше ток

* при условии что напряжение постоянно.

Закон Ома для цепи переменного тока

В цепи переменного тока сопротивление кроме активной, может иметь как емкостную, так и индуктивную составляющие. Рассмотрим цепь переменного тока, состоящую из резистора сопротивлением R, конденсатора емкостью C и катушки индуктивностью L, соединенных последовательно.

Мгновенные значения силы тока на всех элементах этой цепи одинаковы, а мгновенное значение напряжения между концами цепи равно алгебраической сумме мгновенных значений напряжений на резисторе (UR), конденсаторе (UC) и катушке индуктивности (UL).

Для того чтобы определить амплитудные (или действующие) значения напряжения и силы тока, а также сдвиг фаз между ними удобно использовать метод векторных диаграмм. Здесь действующие значения всех напряжений и токов рассматриваются как векторы, вращающиеся с угловой скоростью ω, равной циклической частоте переменного тока, а их мгновенные значения определяются проекциями этих векторов на горизонтальную ось. Так как сила тока в цепи одинакова, то построение векторной диаграммы начинается с вектора I¯0, модуль которого равен амплитудному значению силы тока в цепи. Направление этого вектора может быть любым. Зададим угол α = ωt к горизонтали.

Колебания напряжения на активном сопротивлении совпадают по фазе с колебаниями силы тока, поэтому вектор U¯0R, модуль которого равен U0R = I0 × R, совпадает по направлению с вектором I¯0. Сдвиг фаз между колебаниями силы тока и колебаниями напряжения на индуктивном сопротивлении составляет π / 2, причем ток отстает по фазе от напряжения. Поэтому вектор U¯0L, модуль которого равен U0L = I0 × ωL, нужно повернуть относительно вектора I¯0 на угол π / 2 против часовой стрелки. Вектор U¯0C, модуль которого равен I0 / ωC, отстает по фазе от вектора I¯0 на π / 2, поэтому его нужно повернуть на этот угол по часовой стрелке.

Для того чтобы найти напряжение на зажимах цепи, необходимо сложить три вектора: U¯0 = U¯0R + U¯0L + U¯0C.

В первую очередь сложим векторы U¯0R и U¯0C. Модуль этой суммы U’0 = [U¯0R + U¯0C]. Пусть ωL > 1 / ωC, тогда: U’0 = I0 × (ωL — 1 / ωC).

Теперь сложим векторы U¯0R и U’¯0. Модуль вектора U¯0 определяется по теореме Пифагора: U0² = U0R² + (U0L — U0C)² = I0² × R² + I0² × (ωL — 1 / ωC)². Соответственно амплитудное (действующее) значение силы тока в цепи переменного тока равно отношению амплитудного (действующего) значения напряжения на концах этой цепи к его полному сопротивлению (закон Ома для цепи переменного тока):

I0 = U0 / √(R² + (ωL — 1 / ωC)²) = U0 / Z, где:

• Z — полное сопротивление (импеданс) цепи.
• R — его активное сопротивление.
• ωL — 1 / ωC — реактивное сопротивление цепи переменного тока.
• ω = 2 × π × γ — циклическая, угловая частота. γ — частота переменного тока.

Импеданс при параллельном подключении Z = 1 / √(1 / R² + 1 / (1 / ωL — ωC)²).

Сдвиг фаз между силой тока и напряжением равен углу φ между векторами U¯0 и I¯0. В соответствии с графиком выше ток отстает от напряжения на угол φ, причем tgφ = (ωL — 1 / ωC) / R.

Для того чтобы определить мгновенные значения напряжений на активном, емкостном и индуктивном сопротивлениях, необходимо спроектировать векторы U¯0R, U¯0L, U¯0C на прямую АВ.

Тогда:

• UR = I0 × R × sin × (ωt + φ).
• UL = I0 × ωL × sin × (ωt + φ + π / 2).
• UC = (I0 / ωС) × sin × (ωt + φ — π / 2).

Если 1 / ωС > ωL, то:

• U’0 = I0 × (1 / ωС — ωL).
• tgφ = (1 / ωC — ωL) / R, причем ток опережает напряжение по фазе на угол φ.

Что такое падение напряжения на резисторе

Электрический ток, проходя по цепи, испытывает сопротивление, которое может изменяться под воздействием разнообразных условий внешней среды (экстремально низкие температуры или нагрев) и может зависеть от характеристик конкретного проводника. Например, чем тоньше проводник или длиннее – тем оно выше.

На значение его величины влияют следующие факторы:

• сила тока;
• длина проводящих частей;
• напряжение;
• материал проводниковых элементов;
• нагрев (температура);
• площадь поперечного сечения.

Резисторы можно разделить на постоянные, переменные и подстроечные. Главное их отличие друг от друга – возможность изменения показателя сопротивления. Чаще всего встречаются постоянные резисторы – данный показатель в них нельзя изменить, поэтому они и получили такое название. Переменные отличаются тем, что величину сопротивления в них можно настраивать. В подстроечном резисторе её также можно изменять, но отличие данной разновидности в том, что он не рассчитан на частое изменение параметра. Подстроечные резисторы выполняются в более компактном корпусе по сравнению с переменными.

Чтобы вычислить падение напряжения на резисторе, нужно помнить, что снижение нагрузки, приложенной ко всей цепи (то есть, напряжения, подключённого к контуру) может быть получено как для всего контура, так и для любого элемента цепи. Напряжение понижается за счёт сопротивления, которым обладают проводники.

Падение напряжения на резисторе зависит от силы проходящего тока и характеристик проводников. Температура и показатели тока также имеют значение. Например, напряжение, измеренное вольтметром на лампочке, подключённой к сети 220 В, будет немного ниже за счёт сопротивления, которым обладает лампочка.

Источники питания имеют разную величину напряжения. Это значение может превышать то, которое бывает необходимо на выходе. Чтобы нагрузка, которую требуется запитать, не сгорела, часто возникает необходимость в понижении вольтажа, в том числе с помощью резисторов.

Сравнительная таблица напряжений

В этом случае резистор должен уменьшить протекающий по цепи ток. При этом ток не превращается в тепло, происходит именно его ограничение. То есть при включении резистора в цепь ток упадёт – в этом и состоит работа резистора, при совершении которой элемент нагревается.

В общем случае падения напряжения можно рассчитать, используя простую формулу, связывающее показатели между собой.

Но в ряде случаев, например, при параллельном подключении сопротивлений, посчитать необходимую величину уже сложнее. В этом случае по специальной формуле потребуется привести сопротивление параллельных веток к одному числу:

R = R1*R2 / (R1+R2)

При необходимости также учитываются другие сопротивления, суммирующиеся с этим значением (например, сопротивление провода и источника питания).

Таблица удельных сопротивлений проводников

Электрическое сопротивление (ρ) 1 метра провода, сечением 1 мм², при температуре 20 С°:

Сопротивление проводника определяется по формуле r = (ρ × l) / S, где:

• r — сопротивление проводника, Ом.
• ρ — удельное сопротивление проводника, Ом.
• l — длина проводника, м.
• S — сечение проводника, мм².

Формула расчета сечения провода и как определяется сечение провода

Довольно много вопросов связано с определением сечения провода при построении электропроводки. Если углубиться в электротехническую теорию, то формула расчета сечения имеет такой вид:

Конечно же, на практике, такой формулой пользуются довольно редко, прибегая к более простой схеме вычислений. Эта схема довольно проста: определяют силу тока, которая будет действовать в цепи, после чего согласно специальной таблице определяют сечение. Более детально по этому поводу можно почитать в материале – «Сечение провода для электропроводки»

Приведем пример. Есть бойлер мощностью 2000 Вт, какое сечение провода должно быть, чтобы подключить его к бытовой электропрводке? Для начала определим силу тока, которая будет действовать в цепи:

Как видим, сила тока получается довольно приличной. Округляем значение до 10 А и обращаемся к таблице:

Таким образом, для нашего бойлера потребуется провод сечением 1,7 мм. Для большей надежности используем провод сечением 2 или 2,5 мм.

Мнение эксперта

Стребиж Виктор Павлович, эксперт по освещению и электрике

Любые вопросы задавайте мне, я помогу!

В классическом приборе через электромагнитную катушку проходит измеряемый ток, который образует магнитное поле, заставляющее отклоняться магнитную стрелку. Если же вам что-то непонятно, пишите мне!