Co je to jednoduchými slovy Ohmův zákon?
Z Ohmova zákona vyplývá, že je nebezpečné uzavírat klasickou osvětlovací síť vodičem s nízkým odporem. Proud bude tak silný, že může mít vážné následky.
Ohmův zákon: kdo ho vymyslel, definice
Ohmův zákon je základní zákon elektrodynamiky, který vyvozuje vztah mezi klíčovými pojmy elektrického obvodu: proud, napětí a odpor. Tuto vzájemnou závislost odhalil německý fyzik Georg Simon Ohm v roce 1826. Navzdory skutečnosti, že tento zákon je skutečným přírodním zákonem, jehož přesnost byla později mnohokrát testována a prokázána, zůstalo zveřejnění Ohmova díla v roce 1827 vědeckou komunitou bez povšimnutí. A teprve ve 1830. letech XNUMX. století, kdy francouzský fyzik Poulier dospěl ke stejným závěrům jako Ohm, byla práce německého vědce oceněna. Stanovení vzorců mezi hlavními parametry elektrického obvodu má pro vědu velký význam. Ostatně umožnila kvantitativně měřit vlastnosti elektrického proudu.
Síla proudu v části obvodu je přímo úměrná napětí a nepřímo úměrná odporu.
Formulace a základní vzorce
- Čím vyšší je napětí ve vodiči, tím vyšší bude proud v tomto vodiči.
- Čím vyšší je odpor vodiče, tím menší proud v něm bude.
Označení hlavních parametrů charakterizujících elektrický obvod je každému známo z hodin fyziky ve škole:
- I – síla elektrického proudu;
- U je napětí;
- R – odpor.
Vysvětlení Ohmova zákona v klasické teorii
Vzorec zákona, známý všem již od školních let, vypadá takto:
Vzorce pro určení UU se z něj snadno odvodí:
Jednotky pro měření proudu jsou ampéry, napětí jsou volty a odpor se měří v ohmech.
Tento zákon platí pro lineární úsek obvodu, kde je pevný odpor.
Ohmův zákon pro úplný (uzavřený) obvod
Elektrický obvod, kterým prochází elektrický proud, se nazývá uzavřený nebo úplný.
Popis vzorce tohoto zákona pro úplný řetězec vypadá takto:
kde ϵ je elektromotorická síla nebo napětí zdroje energie, které nezávisí na vnějším obvodu;
R – odpor vnějšího obvodu;
r je vnitřní odpor zdroje.
Použití Ohmova zákona v paralelním a sériovém zapojení
V sériovém zapojení jsou prvky obvodu zapojeny jeden po druhém do série. Protože takový elektrický obvod je nerozvětvený, bude síla proudu v každé sekci stejná. Příkladem sériového zapojení jsou žárovky v novoroční girlandě.
Při zapojování prvků do série se hlavní parametry elektrického obvodu vypočítají takto:
- Síla proudu podle vzorce:
Kde I je celková intenzita proudu v elektrickém obvodu, I1 je proudová síla první sekce, I2 je proudová síla druhé sekce, I3 je proudová síla třetí sekce.
- Napětí podle vzorce:
Kde U je celkové napětí, U1 je napětí první sekce, U2 je napětí druhé sekce, U3 je napětí třetí sekce.
- Odolnost podle vzorce:
Kde R je celkový odpor v obvodu, R1 je odpor první sekce, R2 je odpor druhé sekce, R3 je odpor třetí sekce.
Paralelním zapojením prvků do obvodu se získá rozvětvený elektrický obvod. Příkladem takového zapojení je standardní elektrický rozvod v bytě, kdy lze v místnosti zapnout více domácích spotřebičů a stropního osvětlení současně.
Při paralelním připojení prvků se hlavní parametry elektrického obvodu vypočítají takto:
Kde I je celkový proud v elektrickém obvodu, I1, I2, I3 je proud v první, druhé a třetí sekci.
Kde U je celkové napětí, U1, U2, U3 jsou napětí prvního, druhého a třetího úseku.
Kde R je celkový odpor v obvodu, R1, R2, R3 jsou odpory prvního, druhého a třetího úseku.
Ohmův zákon pro střídavý a stejnosměrný proud
Pro stejnosměrný obvod budou vztahy mezi hlavními parametry elektrického obvodu, které jsme již uvedli, správné:
Při připojení zdroje střídavého proudu k elektrickému obvodu bude síla elektrického proudu v obvodu určena vzorcem:
kde Z je celkový odpor nebo impedance, která se skládá z aktivní (R) a reaktivní složky (XC – kapacitní odpor a XL – indukční odpor).
Reaktance obvodu závisí na:
- na hodnotách reaktivních prvků,
- na frekvenci elektrického proudu;
- na tvaru proudu v obvodu.
Ohmův zákon pro homogenní a nehomogenní úseky řetězce
Ohmův zákon pro homogenní úsek elektrického obvodu je klasickým vyjádřením závislosti síly na napětí a odporu:
V tomto případě je hlavní charakteristikou vodiče odpor. Vzhled vodiče určuje, jak vypadá jeho krystalová mřížka a kolik atomů nečistot obsahuje. Chování elektronů, které mohou zrychlovat nebo zpomalovat, závisí na vodiči.
Proto R závisí na typu vodiče, přesněji na jeho průřezu, délce a materiálu a je určen vzorcem:
kde p je měrný odpor, l je délka vodiče a S je plocha jeho průřezu.
Nestejnoměrným úsekem stejnosměrného obvodu rozumíme takovou mezeru v obvodu, na kterou kromě elektrických nábojů působí další síly.
Jak vidíte, zákon objevený Georgem Ohmem je jednoduchý jen na první pohled. Ne každý dokáže přijít na všechny zapeklitosti sám.
Kde a kdy lze použít Ohmův zákon?
Ohmův zákon ve zmíněné podobě platí pro kovy v dosti širokých mezích. Provádí se, dokud se kov nezačne tavit. Méně široké uplatnění je v roztocích (taveninách) elektrolytů a ve vysoce ionizovaných plynech (plazma).
Při práci s elektrickými obvody je někdy třeba určit pokles napětí na určitém prvku. Pokud se jedná o rezistor se známou hodnotou odporu (je vyznačen na pouzdře) a je znám i proud, který jím prochází, můžete napětí zjistit pomocí Ohmova vzorce bez připojení voltmetru.
Význam Ohmova zákona v jednoduchých slovech
Ohmův zákon určuje sílu proudu v elektrickém obvodu při daném napětí a známém odporu.
Umožňuje vypočítat tepelné, chemické a magnetické účinky proudu, protože závisí na síle proudu.
Ohmův zákon je mimořádně užitečný ve strojírenství (elektronickém/elektrickém), protože se zabývá třemi základními elektrickými veličinami: proudem, napětím a odporem. Ukazuje, jak jsou tyto tři veličiny vzájemně závislé na makroskopické úrovni.
Pokud by bylo možné charakterizovat Ohmův zákon jednoduchými slovy, pak by jasně vypadal takto:
Z Ohmova zákona vyplývá, že je nebezpečné uzavírat klasickou osvětlovací síť vodičem s nízkým odporem. Proud bude tak silný, že může mít vážné následky.
Jak rozumět Ohmovu zákonu?
Abychom intuitivně pochopili Ohmův zákon, přejděme k analogii reprezentace proudu ve formě kapaliny. Přesně to si myslel Georg Ohm, když prováděl experimenty, které vedly k objevu po něm pojmenovaného zákona.
Představme si, že proud není pohyb částic nosiče náboje ve vodiči, ale pohyb vodního toku v potrubí. Nejprve je voda zvedána čerpadlem do čerpací stanice a odtud pod vlivem potenciální energie směřuje dolů a protéká potrubím. Navíc, čím výše čerpadlo čerpá vodu, tím rychleji bude proudit v potrubí.
Z toho vyplývá, že rychlost proudění vody (síla proudu v drátu) bude tím větší, čím větší bude potenciální energie vody (potenciální rozdíl)
Síla proudu je přímo úměrná napětí.
Nyní přejděme k odporu. Hydraulický odpor je odpor trubky v důsledku jejího průměru a drsnosti stěny. Je logické předpokládat, že čím větší průměr, tím menší odpor potrubí a tím větší množství vody (vyšší proud) bude protékat jeho průřezem.
Síla proudu je nepřímo úměrná odporu.
Tuto analogii lze provést pouze pro základní pochopení Ohmova zákona, protože jeho původní podoba je ve skutečnosti spíše hrubou aproximací, která však nachází vynikající uplatnění v praxi.
Ve skutečnosti je odpor látky způsoben vibracemi atomů krystalové mřížky a proud je způsoben pohybem volných nosičů náboje. V kovech jsou volnými nosiči elektrony uniklé z atomových drah.