Закон Ома для полной цепи

В любой сфере знаний или научной дисциплине имеются свои основополагающие факты. Они, как фундамент, удерживают на себе всё новые и новые открытия. В электродинамике подобным фактом служит закон Ома для полной цепи. Открытый Георгом Омом в 1826 году он и по сей день является основным правилом, согласно которому объясняются все процессы в электрических цепях.

Закон Ома

Идеальный источник ЭДС

Электродвижущая сила (E) – физическая величина, определяющая степень воздействия внешних сил на перемещение в замкнутой цепи носителей заряда. Иными словами, от ЭДС будет зависеть то, как сильно ток стремится течь по проводнику.

При объяснении подобных непонятных явлений отечественные школьные учителя любят обращаться к методу гидравлических аналогий. Если проводник – это труба, а электрический ток – это количество протекающей по ней воды, то ЭДС – это давление, которое развивает насос, чтобы качать жидкость.

Термин электродвижущая сила родственен такому понятию, как напряжение. Она, ЭДС, так же измеряется в вольтах (ед. изм. – «В»). Каждый источник питания, будь то батарейка, генератор или солнечная панель, обладает своей собственной электродвижущей силой. Зачастую эта ЭДС близка к выходному напряжению (U), но всегда немного меньше его. Вызвано это внутренним сопротивлением источника, на котором неизбежно падает часть вольтажа.

По этой причине идеальный источник ЭДС – это скорее абстрактное понятие или физическая модель, не имеющая места в реальном мире, ведь внутреннее сопротивление элемента питания Rвн хоть и весьма низкое, но всё же отлично от абсолютного нуля.

Идеальный и реальный источник ЭДС

Внутреннее сопротивление источника ЭДС

Электрическое сопротивление (R) измеряется в омах (ед. изм. – «ом»). Данная физическая величина характеризует свойство проводников препятствовать прохождению через них носителей заряда (тока). По вышеуказанной аналогии сопротивление – это сечение трубы, чем оно меньше, тем сложнее прокачать большой объём воды.

Сопротивлением обладают все материалы. Если это диэлектрики, то оно может исчисляться колоссальными величинами порядка 108-1013 ом (стекло). Если проводники, то сопротивление составляет сотые, а то и тысячные доли ома, т.е. 10-2-10-3. Именно поэтому провода, выводы источников питания, цоколя лампочек сделаны из металла, ведь он отлично пропускает ток (слабо ему препятствует).

Источники питания изготовлены из материалов, которые хорошо и не очень проводят ток. В случае с автомобильным свинцово-кислотным аккумулятором его внутреннее сопротивление обусловлено свойствами электролита, решёток, их соединений и выходных клемм. Ниже приведено схематичное строение АКБ. Схема иллюстрирует ЭДС аккумулятора, его внутреннее сопротивление и то, как эти величины взаимодействуют между собой.

Схема аккумулятора

Суть закона Ома для полной цепи

Имея дело с реальными электрическими цепями, приходиться принимать во внимание внутреннее сопротивление источников питания. Для данных расчётов применяется формула закона Ома для полной цепи. С точки зрения математики, она имеет следующую формулировку:

I = E/(R+r),

где:

• I – ток, протекаемый в цепи (единица измерения – ампер, А);
• E – электродвижущая сила источника питания;
• R – сопротивление нагрузки или потребителя;
• r – внутреннее сопротивление источника ЭДС.

Иллюстрация закона Ома

Данная формула описывает процессы, происходящие в электрических контурах постоянного тока. Однако часто этого недостаточно. Если ЭДС источника носит переменный гармонический характер, например, как от генератора, то стоит учитывать индуктивное и ёмкостное сопротивление нагрузки.

Описываемое в вышеуказанном выражении сопротивление R зависит от формы и материала проводника, по которому течёт ток. Поэтому отдельно принято отмечать закон Ома в дифференциальном виде. Он исключает влияние геометрических размеров проводника и учитывает только его электрические свойства:

J = бE,

где:

• J – плотность тока, точнее её вектор;
• E – напряжённость электрического поля в исследуемой точке среды;
• б – «сигма», удельная проводимость вещества.

Просадка напряжения

Если мультиметром померить напряжение на заряженном автомобильном аккумуляторе, то оно составит величину порядка 12-12,2 В. Такой вольтаж считается оптимальным для этих приборов в режиме холостого хода. Однако под нагрузкой дела обстоят иначе.

Если к аккумулятору подключить мощную галогенную лампу и снова произвести замер, то можно увидеть, что разность потенциалов на клеммах аккумулятора уменьшилась на 0,2-0,3 В и теперь составляет 11,7-11,8 вольт. Данное явление свойственно всем нестабилизированным источникам питания и называется просадкой напряжения.

Просадка до 11,79 вольт

В бытовых условиях подобное наблюдается при включении мощных электрических приборов, таких как чайник или обогреватель. В момент, когда вилка попадает в розетку, можно наблюдать едва заметное кратковременное затухание ламп накаливания или щелчок в динамиках акустических систем. При этом, чем мощнее электроприбор, тем сильнее и дольше будет просадка.

Данное явление в первую очередь вызвано внутренним сопротивлением химического источника ЭДС и протекающего по нему тока нагрузки. Различные типы аккумуляторов обладают неодинаковыми материалами проводников и электролитов. Поэтому отличаются и их внутренние сопротивления.

Как найти внутреннее сопротивление источника ЭДС

В продаже имеются специализированные приборы, позволяющие легко и быстро померить внутреннее сопротивление источника ЭДС. Однако, если замер требуется выполнить всего пару раз, то проще и быстрее сделать это подручными средствами по следующему алгоритму:

1. Померить напряжение U0 на выходных клеммах источника. Его приближённо можно считать равным ЭДС E. При этом вольтметр должен быть как можно более высокоомным, чтобы вносить в замер минимум погрешности.
2. Подключить к источнику ЭДС номинальную нагрузку и, не отсоединяя её, замерить разность потенциалов на клеммах U1 и протекающий в цепи ток I.
3. Рассчитать падение напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора. Оно будет равно U0 – U1.
4. Вычислить искомую величину по формуле: r = (U0-U1)/I.

Зная внутреннее сопротивление аккумулятора, можно судить о его работоспособности. С годами данный параметр становится всё больше, т.е. омы увеличиваются. Соответственно, аккумулятор стареет, сильнее греется, не может отдать свой изначальный пиковый ток и быстрее разряжается даже без нагрузки.

Таблица внутренних сопротивлений аккумуляторов

Закон Ома позволяет легко рассчитать параметры любой последовательной электрической цепи. При этом учитывается влияние на схему индуктивностей и ёмкостей. Без полученных данных невозможны проектирование, ремонт и конечная наладка электронных устройств.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич