Физический смысл полного закона Ома для замкнутой цепи

Среди известных широкой общественности физических формул лидирует E=mc². По популярности с ней может соперничать только U=IR. Это простое выражение имеет фундаментальное значение для электротехники и описывает математически соотношение между параметрами участка электрической цепи. Менее известен закон Ома для полной цепи, который рассматривает нагрузку неотделимо от источника напряжения.

Основные понятия

Электрический ток течёт, когда замкнутый контур позволяет электронам перемещаться от высокого потенциала к более низкому в цепи. Иначе говоря, ток требует источника электронов, обладающего энергией для приведения их в движение, а также точки их возвращения отрицательных зарядов, для которой характерен их дефицит. Как физическое явление ток в цепи характеризуется тремя фундаментальными величинами:

• напряжение;
• сила тока;
• сопротивление проводника, по которому движутся электроны.

Сила и напряжение

Сила тока (I, измеряется в Амперах) есть объём электронов (заряд), перемещающихся через место в цепи за единицу времени. Иными словами, измерение I — это определение количества электронов, находящихся в движении. Важно понимать, что термин относится только к движению: статические заряды, например, на клеммах неподсоединённой батареи, не имеют измеряемого значения I. Ток, который протекает в одном направлении, называется постоянным (DC), а периодически изменяющий направление — переменным (AC).

Вольт — единица измерения, применяемая для электрической разницы потенциалов, самого потенциала и электродвижущей силы. Термин напряжение (U) относится к электрической разности потенциалов между точками. Любые статические заряды имеют значение в Вольтах, а величина их разности определяется как U.

Напряжение можно проиллюстрировать таким явлением, как давление, или как разность потенциальной энергии предметов под воздействием гравитации. Для того чтобы создать этот дисбаланс, нужно затратить предварительно энергию, которая и будет реализована в движении при соответствующих обстоятельствах. Например, в падении груза с высоты реализуется работа по его подъёму, в гальванических батареях разность потенциалов на клеммах образуется за счёт преобразования химической энергии, в генераторах — в результате воздействия электромагнитного поля.

Сопротивление проводников

Независимо от того, насколько хорош обычный проводник, он никогда не будет пропускать сквозь себя электроны без какого-либо сопротивления их движению. Можно рассматривать сопротивление как аналог механического трения, хотя это сравнение не будет совершенным. Когда ток протекает через проводник, некоторая разность потенциалов преобразуется в тепло, поэтому всегда будет падение напряжения на резисторе. Электрические обогреватели, фены и другие подобные устройства предназначены исключительно для рассеивания электрической энергии в виде тепла.

Упрощённо сопротивление (обозначается как R) является мерой того, насколько поток электронов тормозится в цепи. Оно измеряется в Омах. Проводимость резистора или другого элемента определяется двумя свойствами:

• геометрией;
• материалом.

Форма имеет важнейшее значение, это очевидно на гидравлической аналогии: протолкнуть воду через длинную и узкую трубу гораздо тяжелее, чем через короткую и широкую. Материалы играют определяющую роль. Например, электроны могут свободно перемещаться в медном проводе, но не способны протекать вообще через такие изоляторы, как каучук, независимо от их формы. Кроме геометрии и материала, существуют и другие факторы, влияющие на проводимость.

Закон для участка цепи

Существует фундаментальная связь между напряжением, током и проводимостью. Это знаменитое уравнение называется законом Ома, и его можно отобразить тремя эквивалентными способами:

• I=U/R;
• U=IR;
• R=U/I.

Выраженный в словах он звучит так: ток, протекающий через проводник между двумя контактами, прямо пропорционален напряжению на этих контактах. Первые два выражения фиксируют константу пропорциональности между током и напряжением. Последнее можно рассматривать как определение для единичного резистора — элемента, позволяющего протекать единице тока под единичным напряжением.

Приведённые математические соотношения — основа для электротехники и электроники. Закон был назван в честь немецкого физика Георга Симона Ома, который в монографии, опубликованной в 1827 г., описал измерения приложенного напряжения и тока с помощью простых электрических цепей, состоящих из проводов различной длины.

Исследователь объяснил свои экспериментальные результаты несколько сложнее, чем отражено в приведённых уравнениях, известных в современной физике как неполный закон Ома. Для того чтобы сформулировать закон Ома для полной электрической цепи, необходимо оперировать понятиями внутреннего сопротивления источника тока и электродвижущей силы.

Электродвижущая сила

Перемещение электронов в любом источнике создаётся с помощью сторонних сил. Их природа может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов. В генераторах тока они появляются как результат движения проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической схеме играет ту же роль, что и насос, перекачивающий жидкость в замкнутой гидравлической системе.

Под воздействием внешних сил заряды двигаются внутри источника тока против сил электростатического поля. Это позволяет поддерживать постоянный ток в замкнутом контуре до тех пор, пока работают внешние силы. Физическая величина, равная отношению затраченной энергии сторонних сил на перемещение заряда, называется электродвижущей силой источника тока. Она может быть представлена формулой ℰ = A/q. В этом выражении:

• ℰ — ЭДС в вольтах;
• A — работа в джоулях;
• q — заряд в кулонах.

По аналогии с замкнутой гидравлической системой и насосом, электрические заряды протекают непрерывно по всему контуру, и привести их в движение могут только внешние силы. Это означает, что работу по перемещению заряда любым источником можно рассматривать как ЭДС и измерять в вольтах. Вывод о модели цепи с источником, в которой протекает ток, как о замкнутом контуре крайне важен для понимания закона Ома для полного участка цепи.

Внешнее и внутреннее сопротивление

Все батареи и генераторы обладают внутренним сопротивлением: электроды и электролиты неабсолютные проводники, как и провода обмоток электрических машин. Оно может варьироваться от тысячных долей ома до нескольких ом. Этот физический параметр является ключевым в законе Ома для всей цепи. В качестве математических моделей для рассмотрения и иллюстрации электрических процессов различают:

• Идеальный источник тока (ИИТ). Генерирует электрический ток, не зависящий от изменений напряжения. Внутреннее сопротивление ИИТ бесконечно, напряжение полностью определяется подключённой схемой. Ни один физический источник тока не может работать в условиях разрыва цепи, поэтому ИИТ возможен только в качестве абстрактной модели.
• Идеальный источник напряжения (ИИН). Представляет собой устройство, поддерживающее постоянное выходное напряжение независимо от тока, протекающего по контуру. Обладает нулевым внутренним сопротивлением. ИИН удобен для моделирования практических источников, которые можно представить как ИНН с подключённым резистором.

Внутренне сопротивление источника электрической энергии является фактором обеспечения максимальной мощности для подключённой к нему нагрузки. Наиболее эффективный перенос энергии происходит, когда внешнее сопротивление значительно превышает внутреннее у источника.

Например, свинцово-кислотные аккумуляторы автомобиля, благодаря низкому внутреннему сопротивлению, способны создавать относительно высокие токи при сравнительно низком напряжении. Однако, с другой стороны, высоковольтные источники должны иметь высокое внутренне сопротивление, чтобы ограничить количество тока, протекающего в результате случайного короткого замыкания.

Полный закон

Выражение U=IR описывает явления во фрагменте электрической цепи, через которую протекает ток. В этом уравнении не принимается во внимание наличие источников. Если исправить такое упрощение, то можно получить формулу закона Ома для полной цепи: ℰ =I (R+r).

В этом уравнении предусмотрено наличие в контуре источника питания электродвижущей силы ℰ c внутренним сопротивлением r. Поскольку ЭДС — практически величина, зависящая от внешних сил, то физический смысл имеет расчёт силы тока для полной цепи при помощи выражения: I=ℰ/(R+r).

Таким образом, полный постулат Ома гласит о зависимости силы тока в замкнутом контуре от внутреннего сопротивления его источника, то есть учитывает сопротивление электролита и электродов для гальванических элементов и проводимость обмоток генераторов. Основное практическое применение — расчёт силы тока в линейных электрических цепях DC, определение мощности и импеданса любых элементов цепи.