Закон Ома: формулировка, формулы и применение
Георг Ом в 1826 году установил простое соотношение: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению. Математически I = U ÷ R. Из этой записи выводятся ещё две: U = I × R и R = U ÷ I. Смысл каждой величины физичен: напряжение — это «давление», заставляющее заряды двигаться, ток — количество зарядов, проходящих через сечение проводника за секунду, сопротивление — сопротивляемость материала этому движению.
Четвёртой величиной закон Ома дополняет формула мощности P = U × I, предложенная Джоулем. Подставляя в неё выражения из закона Ома, получают P = I² × R и P = U² ÷ R. Всего из четырёх величин, взятых попарно, складывается двенадцать формул — их традиционно изображают в виде «колеса закона Ома»: круг делится на четыре сектора по искомым величинам, а в каждом секторе записаны три способа расчёта в зависимости от того, какая пара известна.
Различают закон Ома для участка цепи и для полной цепи. Первый — тот, что описан выше, и он работает для любого резистора, лампы, ТЭНа. Второй учитывает внутреннее сопротивление источника: I = ε ÷ (R + r), где ε — ЭДС, а r — внутреннее сопротивление батареи или генератора. Именно из-за r напряжение на клеммах аккумулятора проседает при подключении мощной нагрузки, а старая батарейка с выросшим внутренним сопротивлением показывает нормальные 1,5 В без нагрузки, но не может зажечь лампочку.
В цепях переменного тока закон Ома сохраняется, но сопротивление заменяется полным сопротивлением Z, включающим активную часть R и реактивную часть X от индуктивностей и ёмкостей: I = U ÷ Z. Мощность при этом делится на активную (греет и совершает работу), реактивную (перекачивается туда-сюда) и полную, а их связь задаёт коэффициент мощности cos φ. Для бытовой активной нагрузки — ламп накаливания, ТЭНов, обогревателей — cos φ = 1, реактивной составляющей нет, и формулы работают ровно так же, как для постоянного тока. Для двигателей, трансформаторов и импульсных блоков питания активную мощность считают как P = U × I × cos φ.