Prawo Ohma dla pełnego obwodu i dla odcinka obwodu: warianty zapisu wzoru, opis i wyjaśnienie.

Profesjonalny elektryk lub specjalista elektronik nie może w swojej działalności pominąć prawa Ohma, rozwiązując wszelkie zadania związane z regulacją, konfiguracją i naprawą układów elektronicznych i elektrycznych.

Tak naprawdę zrozumienie tego prawa jest potrzebne każdemu. Ponieważ każdy w codziennym życiu ma do czynienia z elektrycznością.

I chociaż program nauczania w szkole średniej przewiduje prawo niemieckiego fizyka Ohma, w praktyce nie zawsze jest ono studiowane na czas. Dlatego w naszym materiale omówimy ten aktualny temat życiowy i przyjrzymy się wariantom zapisu wzoru.

Odcinek obwodu i pełny obwód elektryczny

Rozpatrując obwód elektryczny z punktu widzenia zastosowania prawa Ohma, należy wyróżnić dwa możliwe warianty obliczeń: dla pojedynczego odcinka i dla całego obwodu.

Obliczanie prądu dla odcinka obwodu elektrycznego

Odcinkiem obwodu elektrycznego jest zazwyczaj część układu z wyłączeniem źródła SEM, które ma dodatkową rezystancję wewnętrzną.

Dlatego wzór obliczeniowy w tym przypadku jest prosty:

I = U/ R,

Gdzie odpowiednio:

• I – natężenie prądu;
• U – przyłożone napięcie;
• R – rezystancja.

Interpretacja wzoru jest prosta – prąd płynący przez dany odcinek obwodu jest proporcjonalny do przyłożonego napięcia, a odwrotnie proporcjonalny do rezystancji.

Tak zwany graficzny „stokrotka”, za pomocą którego przedstawiony jest cały zbiór wariantów sformułowań opartych na prawie Ohma. Poręczne narzędzie do kieszonkowego przechowywania: sektor “P” – wzory mocy; sektor “U” – wzory napięcia; sektor “I” – wzory prądu; sektor “R” – wzory rezystancji.

Zatem wzór jasno opisuje zależność przepływu prądu przez dany odcinek obwodu elektrycznego od określonych wartości napięcia i rezystancji.

Ze wzoru wygodnie jest korzystać, na przykład, obliczając parametry oporu, który należy wlutować w układ, jeśli dane są napięcie i prąd.

Prawo Ohma i dwa wnioski, które musi znać każdy profesjonalny elektromechanik, inżynier elektryk, elektronik oraz wszyscy, którzy pracują z obwodami elektrycznymi. Od lewej do prawej: 1 – definicja prądu; 2 – definicja oporu; 3 – definicja napięcia, gdzie I – natężenie prądu, U – napięcie, R – opór.

Powyższy rysunek pomoże określić, na przykład, prąd płynący przez opór 10-omowy, do którego przyłożono napięcie 12 woltów. Podstawiając wartości, znajdziemy – I = 12 / 10 = 1.2 ampera.

Analogicznie rozwiązuje się zadania poszukiwania oporu (gdy znane są prąd i napięcie) lub napięcia (gdy znane są napięcie i prąd).

Tym samym zawsze można dobrać wymagane napięcie robocze, potrzebne natężenie prądu oraz optymalny element rezystancyjny.

Wzór, który zaleca się stosować, nie wymaga uwzględniania parametrów źródła napięcia. Jednakże układ zawierający, na przykład, akumulator, będzie obliczany według innego wzoru. Na schemacie: A – włączenie amperomierza; V – włączenie woltomierza.

Przy okazji, przewody łączące dowolnego układu – to opory. Wielkość obciążenia, które mają one przenosić, określa napięcie.

Odpowiednio, ponownie korzystając z prawa Ohma, możliwy staje się precyzyjny dobór niezbędnego przekroju przewodu, w zależności od materiału żyły.

Na naszej stronie znajduje się szczegółowa instrukcja dotycząca obliczenia przekroju kabla według mocy i prądu.

Wariant obliczeń dla pełnego obwodu

Pełny obwód składa się już z odcinka (odcinków) oraz źródła SEM. To znaczy, faktycznie do istniejącego składnika rezystancyjnego odcinka obwodu dodaje się wewnętrzną rezystancję źródła SEM.

Dlatego logiczną jest pewna zmiana powyżej rozpatrywanego wzoru:

I = U / (R + r)

Oczywiście, wartość wewnętrznej rezystancji SEM w prawie Ohma dla pełnego obwodu elektrycznego można uznać za pomijalnie małą, jednak w dużej mierze ta wartość rezystancji zależy od struktury źródła SEM.

Niemniej jednak, przy obliczeniach skomplikowanych schematów elektronicznych, obwodów elektrycznych z wieloma przewodami, obecność dodatkowego oporu jest ważnym czynnikiem.

Do obliczeń w warunkach pełnego obwodu elektrycznego zawsze bierze się pod uwagę rezystancyjną wartość źródła SEM. Wartość ta jest sumowana z rezystancją samego obwodu elektrycznego. Na schemacie: I – przepływ prądu; R – zewnętrzny element rezystancyjny; r – rezystancyjny czynnik SEM (źródła energii)

Zarówno dla odcinka obwodu, jak i dla pełnego schematu należy uwzględnić naturalną kwestię – wykorzystanie prądu stałego lub zmiennego.

Jeśli powyższe aspekty charakterystyczne dla prawa Ohma były rozpatrywane z punktu widzenia prądu stałego, to w przypadku prądu zmiennego sytuacja wygląda nieco inaczej.

Rozpatrzenie działania prawa dla wielkości zmiennej

Pojęcie „oporu” w warunkach przepływu prądu zmiennego należy rozpatrywać raczej jako pojęcie „impedancji”. Chodzi tu o połączenie obciążenia rezystancyjnego czynnego (Ra) i obciążenia utworzonego przez rezystor bierny (Rr).

Zjawiska te są uwarunkowane parametrami elementów indukcyjnych i prawami komutacji odnoszącymi się do zmiennej wartości napięcia – sinusoidalnej wartości prądu.

Tak wygląda schemat zastępczy obwodu prądu zmiennego do obliczeń z zastosowaniem sformułowań wynikających z zasad prawa Ohma: R – składowa rezystancyjna; C – składowa pojemnościowa; L – składowa indukcyjna; SEM – źródło energii; I – przepływ prądu

Innymi słowy, występuje efekt wyprzedzania (opóźniania) wartości prądu względem wartości napięcia, czemu towarzyszy pojawienie się mocy czynnej (rezystancyjnej) i biernej (indukcyjnej lub pojemnościowej).

Obliczenia takich zjawisk prowadzi się za pomocą wzoru:

Z = U / I lub Z = R + J * (X_L – X_C)

gdzie: Z – impedancja; R – obciążenie czynne; X_L, X_C – obciążenie indukcyjne i pojemnościowe; J – współczynnik.

Szeregowe i równoległe połączenie elementów

Dla elementów obwodu elektrycznego (odcinka obwodu) charakterystyczną kwestią jest połączenie szeregowe lub równoległe.

W związku z tym każdy rodzaj połączenia wiąże się z innym charakterem przepływu prądu i doprowadzenia napięcia. W tym zakresie prawo Ohma jest również stosowane inaczej, w zależności od sposobu łączenia elementów.

Obwód z szeregowo połączonymi elementami rezystywnymi

W odniesieniu do połączenia szeregowego (odcinka obwodu z dwoma składnikami) stosuje się sformułowanie:

• I = I₁ = I₂ ;
• U = U₁ + U₂ ;
• R = R₁ + R₂

Takie sformułowanie wyraźnie pokazuje, że niezależnie od liczby szeregowo połączonych elementów rezystancyjnych, prąd płynący w danym odcinku obwodu nie zmienia swojej wartości.

Połączenie elementów rezystancyjnych w obwodzie szeregowo jeden za drugim. Dla tego wariantu obowiązuje własne prawo obliczeń. Na schemacie: I, I1, I2 – przepływ prądu; R1, R2 – elementy rezystancyjne; U, U1, U2 – przyłożone napięcie

Wartość napięcia przyłożonego do działających elementów rezystancyjnych obwodu jest sumą i stanowi łącznie wartość źródła SEM.

Przy tym napięcie na każdym pojedynczym elemencie wynosi: Ux = I * Rx.

Opór całkowity należy rozpatrywać jako sumę wartości wszystkich elementów rezystancyjnych obwodu.

Obwód z równolegle połączonymi elementami rezystywnymi

W przypadku, gdy ma miejsce równoległe włączenie elementów rezystancyjnych, za słuszną w odniesieniu do prawa niemieckiego fizyka Ohma uważa się formułę:

• I = I₁ + I₂ … ;
• U = U₁ = U₂ … ;
• 1 / R = 1 / R₁ + 1 / R₂ + …

Nie wyklucza się wariantów tworzenia odcinków obwodu typu „mieszanego”, gdy stosuje się połączenie równoległe i szeregowe.

Połączenie elementów rezystancyjnych w odcinku obwodu równolegle jeden z drugim. Dla tego wariantu stosuje się własne prawo obliczeń. Na schemacie: I, I1, I2 – przepływ prądu; R1, R2 – elementy rezystancyjne; U – doprowadzone napięcie; A, B – punkty wejścia/wyjścia

Dla takich wariantów obliczenia zazwyczaj prowadzi się od początkowego obliczenia wartości rezystancyjnej połączenia równoległego. Następnie do otrzymanego wyniku dodaje się wartość rezystora włączonego szeregowo.

Całkowa i różniczkowa postać prawa

Wszystkie powyższe kwestie dotyczące obliczeń mają zastosowanie w warunkach, gdy w składzie obwodów elektrycznych stosuje się przewodniki, że tak powiem, o „jednorodnej” strukturze.

Tymczasem w praktyce nierzadko spotyka się z budową schematów, gdzie na różnych odcinkach struktura przewodników się zmienia. Na przykład używa się przewodów o większym przekroju lub, przeciwnie, mniejszym, wykonanych na bazie różnych materiałów.

Do uwzględnienia takich różnic istnieje wariacja tak zwanego „różniczkowo-całkowego prawa Ohma”. Dla nieskończenie małego przewodnika oblicza się poziom gęstości prądu w zależności od natężenia pola i wartości przewodności właściwej.

Do obliczeń różniczkowych przyjmuje się wzór: J = ό * E

Dla obliczeń całkowych odpowiednio formuła: I * R = φ1 – φ2 + έ

Jednak te przykłady są już raczej bliższe szkole wyższej matematyki i w rzeczywistej praktyce prostego elektryka właściwie nie są stosowane.

Podsumowanie i przydatny film na ten temat

Szczegółowa analiza prawa Ohma w filmie przedstawionym poniżej pomoże ostatecznie utrwalić wiedzę w tym zakresie.

Swego rodzaju wideolekcja jakościowo wzmacnia teoretyczny wykład pisemny:

Praca elektryka lub działalność elektronika jest nierozerwalnie związana z momentami, kiedy rzeczywiście można zaobserwować prawo Georga Ohma w działaniu. Są to swego rodzaju oczywistości, które każdy profesjonalista powinien znać.

Nie wymaga to rozległej wiedzy na ten temat – wystarczy nauczyć się trzech podstawowych wariantów sformułowania, aby z powodzeniem stosować je w praktyce.

Czy chciałby Pan uzupełnić powyższy materiał cennymi uwagami lub wyrazić swoją opinię? Prosimy o pisanie komentarzy w bloku pod artykułem. Jeśli ma Pan pytania, proszę śmiało zadawać je naszym ekspertom.