Многим из нас кажется, что мы хорошо знаем физический закон, сформулированный Георгом Омом в 1826 году. Действительно, не будет преувеличением сказать, что он стал началом начал всей электротехники.
Зависимость между током и напряжением цепи пропорциональна, и коэффициентом пропорциональности является сопротивление, или величина, обратная ему – проводимость. Вот формула, известная всем, кто помнит школьный курс физики:
I=U/R;
Или, выражая через проводимость:
I=U×σ,
где σ - проводимость цепи, равная единице, поделенной на сопротивление.
Сегодня эта формула известна как «закон Ома для участка цепи». Однако, ученый сформулировал свой закон немного шире:
I=ε/(R+r);
Напряжение здесь меняется на ЭДС источника питания (ε), а к омичемкому сопротивлению добавляется еще один параметр – r – внутреннее сопротивление источника. Как ни странно, но с этой, классической формой записи закона Ома знакомо уже не такое количество людей.
Дело тут в сложности изыскания физической модели, а вовсе не в недалекости рода человеческого. По ходу профессиональной деятельности каждый электрик постоянно вынужден определять какой-то неизвестный параметр из этой знаменитой троицы: напряжение, сопротивление, ток.
В качестве примера можно привести случай, когда известна мощность, потребляемая каким-либо элементом цепи при номинальном напряжении и нормальном рабочем режиме. Есть подозрения, что прибор неисправен, но как это установить? Если известно, что он представляет собой преимущественно активную нагрузку, то особой сложности это не составит.
Предположим, прибор потребляет 500 ватт из сети 220 вольт. Воспользовавшись зависимостью между током, напряжением и мощностью, приведенной выше, находим, что нормальный ток при работе прибора составляет 500/220=2,27 ампера. Дальше можно замерить реальный ток в сети при подключении прибора, но амперметр или токовые клещи могут просто отсутствовать под рукой.
Тогда может оказаться достаточно мультиметра и калькулятора: на помощь придет закон Ома для участка цепи. Нормальное активное сопротивление прибора на его вводах в соответствии с законом Ома должно быть: 220/2,27=96,9 Ом. Проверяем реальное сопротивление и делаем выводы об исправности его цепи: при значительно меньшем сопротивлении где-то имеет место короткое замыкание, при значительно большем – обрыв.
Закон Ома для полной цепи здесь, как и в большинстве других практических случаев, не пригодился. Причина в том, что нам, как потребителям, совершенно не интересна вся сеть вместе с источниками питания и всеми их проблемами.
Иначе говоря, в данном случае неважно, что происходит до нашей розетки 220 вольт – мы определяем параметры какого-то одного участка. В данном случае – это неисправный прибор. Но это может быть и многокилометровый участок ЛЭП. Он тоже будет лишь участком цепи, хотя и имеет большую протяженность.
Однако, «нельзя объять необъятное». Вот и нам для того, чтобы разобраться с конкретной неисправностью, совсем не нужен закон Ома для полной сети. В реальной жизни этот закон мог бы быть применим для внутренней цепи какого-либо устройства на батарейках.
Например, для цепи пульта управления телевизором. Но и там малым внутренним сопротивлением источника (батареек), как правило, можно пренебречь.
Важно помнить и о том, что все приведенные зависимости для тока и напряжения действительны в цепях постоянного тока или для практически полностью активной нагрузки в цепи переменного тока. Если сеть переменная, и в ней присутствуют приемники с большим реактивным сопротивлением (например, мощные электродвигатели), то расчеты становятся немного сложнее. Тогда необходимо учитывать полное сопротивление цепи, равное:
Z=√(〖X^2+R〗^2 );
где X – реактивное сопротивление, определить его точно не представляется возможным, по крайней мере, на бытовом уровне. Поэтому за его малостью им обычно пренебрегают.
Итак, в цепях переменного тока законы Ома для участка цепи принимает вид:
I=U/Z;
Но все вышеперечисленное – это только интегральные формы записи закона Ома. Этот закон гораздо более сложен и многолик, чем это кажется на первый взгляд. Доказательством тому может служить его форма записи, напрочь оторванная от практики, но в обязательном порядке изучаемая во всех технических ВУЗах. Речь идет о дифференциальной форме записи этого известного закона.