У сучасному світі електронна техніка розвивається семимильними кроками. Кожен день з'являється щось нове, і це не тільки невеликі поліпшення вже існуючих моделей, а й результати застосування інноваційних технологій, що дозволяють в рази поліпшити характеристики.
Не відстає від електронної техніки і приладобудівна галузь - адже щоб розробити і випустити на ринок нові пристрої, їх необхідно ретельно протестувати, як на етапі проектування і розробки, так і на етапі виробництва. З'являються нові вимірювальна техніка та нові методи вимірювання, а, отже - нові терміни і поняття.
Для тих, хто часто стикається з незрозумілими скороченнями, абревіатурами і термінами і хотів би глибше розуміти їх значення, і призначена ця рубрика.
Закон Ома - фізичний закон, що визначає зв'язок електрорушійної сили джерела або електричної напруги з силою струму і опором провідника. Експериментально встановлено в 1826 році і названий на честь його першовідкривача Георга Ома.
Тут X - свідчення гальванометра, тобто в сучасних позначеннях сила струму I. a - величина, що характеризує властивості джерела струму, постійна в широких межах і незалежна від величини струму, тобто в сучасній термінології електрорушійна сила (ЕРС), l - величина, яка визначається довжиною з'єднують проводів, чому в сучасних уявленнях відповідає опір зовнішньої ланцюга R і, нарешті, b параметр, що характеризує властивості всієї установки, в якому зараз можна угледіти облік внутрішнього опору джерела струму r.
Закон Ома для повного кола:
- - ЕРС джерела напруги (В),
- - сила струму в ланцюзі (А),
- - опір всіх зовнішніх елементів ланцюга (Ом),
- - внутрішній опір джерела напруги (Ом).
Із закону Ома для повного кола випливають слідства:
- при r<
- При r >> R сила струму від властивостей зовнішньої ланцюга (від величини навантаження) не залежить. І джерело може бути названий джерелом струму.
(Де є напруга або падіння напруги або, що те ж, різниця потенціалів між початком і кінцем ділянки провідника) теж називають «Законом Ома».
Таким чином, електрорушійна сила в замкнутому ланцюзі, по якій тече струм відповідно до (2) і (3) дорівнює:
Тобто сума падінь напруги на внутрішньому опорі джерела струму і на зовнішньому ланцюзі дорівнює ЕРС джерела. Останній член в цій рівності фахівці називають «напругою на затискачах», оскільки саме його показує вольтметр, що вимірює напругу джерела його початку до кінця приєднаної до нього замкненого кола. У такому випадку воно завжди менше ЕРС.
До іншому записі формули (3), а саме:
Чи можна застосувати інше формулювання:
Сила струму в ділянці кола прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна електричному опору даної ділянки ланцюга.
Вираз (5) можна переписати у вигляді:
де коефіцієнт пропорційності G названий провідність або електропровідність. Спочатку одиницею виміру провідності був «зворотний Ом» - Mо, згодом перейменований в Сіменс (позначення: Див. S).
Мнемонічна діаграма для Закону
Схема, що ілюструє три складові закону Ома
Діаграма, яка допомагає запам'ятати закон Ома. Потрібно закрити шукану величину, і два інших символу дадуть формулу для її обчислення
Відповідно до цієї діаграмою формально може бути записано вираз:
Яке лише дозволяє обчислити (стосовно до відомого току, що створює на заданій ділянці ланцюга відоме напруга), опір цієї ділянки. Але математично коректне твердження про те, що опір провідника зростає прямо пропорційно прикладеному до нього напрузі і обернено пропорційно який пропускають через нього струму, фізично помилково.
У спеціально обумовлених випадках опір може залежати від цих величин, але за замовчуванням воно визначається лише фізичними і геометричними параметрами провідника:
- - питомий опір матеріалу, з якого зроблений провідник,
- - його довжина
- - площа його поперечного перерізу
Закон Ома і ЛЕП
Одним з найважливіших вимог до ліній електропередачі (ЛЕП) є зменшення втрат при доставці енергії споживачу. Ці втрати в даний час полягають в нагріванні проводів, тобто перехід енергії струму в теплову енергію, за що відповідально омічний опір проводів. Іншими словами завдання полягає в тому, щоб довести до споживача якомога більшу частину потужності джерела струму = при мінімальних втратах потужності в лінії передачі =. де, причому на цей раз є сумарний опір проводів і внутрішнього опору генератора, (останнє все ж менше опору лінії передач).
В такому випадку втрати потужності будуть визначатися виразом:
Звідси випливає, що при постійній переданої потужності її втрати зростають прямо пропорційно довжині ЛЕП і обернено пропорційно квадрату ЕРС. Таким чином бажано всемірне її збільшення, що обмежується електричною міцністю обмотки генератора. І підвищувати напругу на вході лінії слід вже після виходу струму з генератора, що для постійного струму є проблемою. Однак, для змінного струму ця задача набагато простіше вирішується за допомогою використання трансформаторів, що і зумовило повсюдне поширення ЛЕП на змінному струмі. Однак при підвищенні напруги в ній виникають втрати на коронування і виникають труднощі із забезпеченням надійності ізоляції від земної поверхні. Тому найбільше, практично використовується, напруга в далеких ЛЕП не перевищує мільйона вольт.
Крім того, будь-який провідник, як показав Дж. Максвелл, при зміні сили струму в ньому, випромінює енергію в навколишній простір, і тому ЛЕП поводиться як антена, що змушує в ряді випадків поряд з омічними втратами брати до уваги і втрати на випромінювання.
Закон Ома в диференціальній формі
Опір залежить як від матеріалу, з якого тече струм, так і від геометричних розмірів провідника.
Корисно переписати закон Ома в так званій диференціальної формі, в якій залежність від геометричних розмірів зникає, і тоді закон Ома описує виключно електропровідні властивості матеріалу. Для ізотропних матеріалів маємо:
- - вектор щільності струму,
- - питома провідність,
- - вектор напруженості електричного поля.
Всі величини, що входять в це рівняння, є функціями координат і, в загальному випадку, часу. Якщо матеріал анизотропен, то напрями векторів щільності струму і напруженості можуть не збігатися. В цьому випадку провідність є тензором рангу (1, 1).
Розділ фізики, що вивчає протягом електричного струму в різних середовищах, називається електродинаміки суцільних середовищ.
Закон Ома для змінного струму
Вищенаведені міркування про властивості електричного кола при використанні джерела (генератора) зі змінною в часі ЕРС залишаються справедливими. Спеціальному розгляду підлягає лише облік специфічних властивостей споживача, що призводять до разновремённості досягнення напругою і струмом своїх максимальних значень, тобто обліку фазового зсуву.
Якщо струм є синусоїдальним з циклічною частотою, а ланцюг містить не тільки активні, але і реактивні компоненти (ємності, індуктивності), то закон Ома узагальнюється; величини, що входять в нього, стають комплексними:
- U = U 0ei ωt - напруга або різниця потенціалів,
- I - сила струму,
- Z = Re -i δ - комплексне опір (імпеданс),
- R = (Ra 2 + Rr 2) 1/2 - повний опір,
- Rr = ωL - 1 / (ωC) - реактивний опір (різниця індуктивного і ємнісного),
- R а - активне (омічний) опір, яке залежить від частоти,
- δ = - arctg (Rr / Ra) - зсув фаз між напругою і силою струму.
При цьому перехід від комплексних змінних в значеннях струму і напруги до дійсних (що вимірюється) значенням може бути проведений взяттям дійсної чи уявної частини (але у всіх елементах ланцюга однієї і тієї ж!) Комплексних значень цих величин. Відповідно, зворотний перехід будується для, наприклад, підбором такий що Тоді все значення струмів і напруг в схемі треба вважати як
Якщо струм змінюється в часі, але не є синусоїдальною (і навіть періодичним), то його можна представити як суму синусоїдальних Фур'є-компонент. Для лінійних ланцюгів можна вважати компоненти Фур'є-розкладу струму діють незалежно.
Також необхідно відзначити, що закон Ома є лише найпростішим наближенням для опису залежності струму від різниці потенціалів і від опору і для деяких структур справедливий лише у вузькому діапазоні значень. Для опису більш складних (нелінійних) систем, коли залежністю опору від сили струму не можна знехтувати, прийнято обговорювати вольт-амперну характеристику. Відхилення від закону Ома спостерігаються також у випадках, коли швидкість зміни електричного поля настільки велика, що не можна нехтувати інерційністю носіїв заряду.
Трактування закону Ома
Закон Ома можна просто пояснити за допомогою теорії Друде:
- - електрична провідність
- - концентрація електронів
- - елементарний заряд
- - час релаксації по імпульсам (час, за яке електрон «забуває» про те в яку сторону рухався)
- - ефективна маса електрона