Ohmov zakon za celotno vezje in za del vezja: različice zapisa formule, opis in razlaga

Profesionalni električar, specialist elektronik, v svojem delu ne more mimo Ohmovega zakona pri reševanju kakršnih koli nalog, povezanih z nastavljanjem, konfiguriranjem in popravilom elektronskih in električnih shem.

Pravzaprav je razumevanje tega zakona potrebno vsakomur. Ker ima vsak v vsakdanjem življenju opravka z elektriko.

In čeprav je zakon nemškega fizika Ohma predviden v učnem načrtu srednje šole, se v praksi ne preučuje vedno pravočasno. Zato v našem gradivu obravnavamo tako pomembno temo za življenje in se seznanimo z različicami zapisa formule.

Posamezen odsek in celoten električni tokokrog

Če obravnavamo električni tokokrog z vidika uporabe Ohmovega zakona v shemi, je treba omeniti dve možni različici izračuna: za posamezni odsek in za celotno shemo.

Izračun toka odseka električne sheme

Odsek električnega tokokroga se praviloma obravnava kot del sheme, ki izključuje vir elektromotorne sile, saj ima dodatno notranjo upornost.

Zato je izračunska formula v tem primeru preprosta:

I = U/ R,

Kjer so:

• I – jakost toka;
• U – priključena napetost;
• R – upornost.

Razlaga formule je preprosta – tok, ki teče skozi določen odsek tokokroga, je sorazmeren z napetostjo, ki je nanj priključena, in obratno sorazmeren z upornostjo.

Tako imenovana grafična 'marjetica', s katero je predstavljen celoten nabor različic formulacij, ki temeljijo na Ohmovem zakonu. Priročno orodje za žepno shranjevanje: sektor “P” – formule moči; sektor “U” – formule napetosti; sektor “I” – formule toka; sektor “R” – formule upornosti

Tako formula jasno opisuje odvisnost toka skozi posamezen odsek električnega tokokroga glede na določene vrednosti napetosti in upornosti.

Formulo je priročno uporabiti, na primer pri izračunu parametrov upora, ki ga je treba vključiti v vezje, če sta podana napetost in tok.

Ohmov zakon in dve posledici, ki ju mora obvladati vsak profesionalni elektromehanik, elektroinženir, elektronik in vsi, ki so povezani z delovanjem električnih vezij. Od leve proti desni: 1 – definicija toka; 2 – definicija upora; 3 – definicija napetosti, kjer je I – jakost toka, U – napetost, R – upor.

Zgornja slika bo pomagala določiti na primer tok, ki teče skozi upor 10 ohmov, na katerega je priključena napetost 12 voltov. Z vstavljanjem vrednosti dobimo – I = 12 / 10 = 1,2 ampera.

Podobno se rešujejo naloge iskanja upora (ko sta znana tok in napetost) ali napetosti (ko sta znana napetost in tok).

Tako lahko vedno izberemo zahtevano delovno napetost, potrebno jakost toka in optimalni uporovni element.

Formula, ki jo je predlagano uporabiti, ne zahteva upoštevanja parametrov vira napetosti. Vendar pa bo vezje, ki vsebuje na primer akumulator, izračunano po drugi formuli. Na shemi: A – priključitev ampermetra; V – priključitev voltmetra.

Mimogrede, povezovalne žice katerega koli vezja so upori. Vrednost obremenitve, ki jo bodo prenašale, je določena z napetostjo.

V skladu s tem je z uporabo Ohmovega zakona mogoč natančen izbor potrebnega preseka vodnika, odvisno od materiala jedra.

Na naši spletni strani je podrobno navodilo za izračun preseka kabla glede na moč in tok.

Različica izračuna za celoten tokokrog

Polno vezje sestavljajo že del (deli) ter vir EMS. To pomeni, da se dejansko obstoječemu uporovnemu elementu dela vezja doda notranja upornost vira EMS.

Zato je logična neka sprememba zgoraj obravnavane formule:

I = U / (R + r)

Seveda lahko vrednost notranje upornosti EMS v Ohmovem zakonu za polno električno vezje štejemo za zanemarljivo majhno, vendar pa je ta vrednost upornosti v veliki meri odvisna od strukture vira EMS.

Kljub temu je pri izračunih zapletenih elektronskih shem, električnih vezij z mnogimi vodniki, prisotnost dodatne upornosti pomemben dejavnik.

Pri izračunih v pogojih popolnega električnega tokokroga se vedno upošteva uporovna vrednost vira EMS. Ta vrednost se sešteje z uporovnim uporom samega električnega tokokroga. Na shemi: I – tok; R – zunanji uporovni element; r – uporovni faktor EMS (vira energije).

Tako za del tokokroga kot za celotno shemo je treba upoštevati naravni dejavnik – uporabo enosmernega ali izmeničnega toka.

Če so bili zgoraj omenjeni vidiki, značilni za Ohmov zakon, obravnavani z vidika uporabe enosmernega toka, je pri izmeničnem toku vse videti nekoliko drugače.

Obravnava vpliva zakona na spremenljivo količino

Pojem 'upor' v pogojih prehajanja izmeničnega toka je treba obravnavati bolj kot pojem 'impedanca'. Tu je mišljena kombinacija aktivne uporovne obremenitve (Ra) in obremenitve, ki jo tvori reaktivni upor (Rr).

Takšni pojavi so pogojeni s parametri induktivnih elementov in zakoni komutacije glede na spremenljivo vrednost napetosti – sinusno vrednost toka.

Takšna je videti nadomestna shema električnega tokokroga izmeničnega toka za izračun z uporabo formulacij, ki izhajajo iz načel Ohmovega zakona: R – uporovna komponenta; C – kapacitivna komponenta; L – induktivna komponenta; EMS – vir energije; I – tok.

Z drugimi besedami, pride do pojava prehitevanja (zaostajanja) vrednosti toka glede na vrednosti napetosti, kar spremlja pojav aktivne in reaktivne moči.

Izračun takšnih pojavov se izvaja s pomočjo formule:

Z = U / I ali Z = R + J * (X_L – X_C)

kjer: Z – impedanca; R – aktivna obremenitev; X_L , X_C – induktivna in kapacitivna obremenitev; J – koeficient.

Zaporedna in vzporedna vezava elementov

Za elemente električnega tokokroga (dela tokokroga) je značilen vidik zaporedna ali vzporedna povezava.

V skladu s tem vsaka vrsta povezave spremlja različno naravo toka in napajanje z napetostjo. V zvezi s tem se Ohmov zakon uporablja tudi različno, odvisno od variante vezave elementov.

Tokokrog zaporedno vezanih uporovnih elementov

Glede na zaporedno vezavo (del tokokroga z dvema komponentama) se uporablja naslednja formulacija:

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

Takšna formulacija jasno prikazuje, da ne glede na število zaporedno vezanih uporovnih komponent tok, ki teče v delu tokokroga, ne spreminja vrednosti.

Vezava uporovnih elementov na delu vezja zaporedno drug za drugim. Za to možnost velja svoj zakon izračuna. Na shemi: I, I1, I2 – potek toka; R1, R2 – uporovna elementa; U, U1, U2 – priključena napetost

Velikost napetosti, priključene na delujoče uporovne komponente vezja, je vsota in skupaj predstavlja vrednost vira EMS.

Pri tem je napetost na vsaki posamezni komponenti enaka: Ux = I * Rx.

Skupni upor je treba obravnavati kot vsoto nazivnih vrednosti vseh uporovnih komponent vezja.

Tokokrog vzporedno vezanih uporovnih elementov

V primeru, ko imamo vzporedno vezavo uporovnih komponent, velja glede na zakon nemškega fizika Ohma naslednja formulacija:

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

Niso izključene možnosti sestavljanja shematskih odsekov »mešanega« tipa, kjer se uporabljata vzporedna in zaporedna vezava.

Vezava uporovnih elementov na delu vezja vzporedno drug z drugim. Za to možnost se uporablja svoj zakon izračuna. Na shemi: I, I1, I2 – potek toka; R1, R2 – uporovna elementa; U – dovedena napetost; A, B – vhodni/izhodni točki

Za takšne možnosti se izračun običajno začne z začetnim izračunom uporovne nazivne vrednosti vzporedne vezave. Nato se dobljenemu rezultatu doda nazivna vrednost zaporedno vezanega upora.

Integralna in diferencialna oblika zakona

Vsi zgoraj navedeni izračuni veljajo za pogoje, ko so v električnih shemah uporabljeni vodniki tako rekoč »homogene« strukture.

Vendar pa se v praksi pogosto srečujemo z izdelavo shem, kjer se na različnih odsekih struktura vodnikov spreminja. Na primer, uporabljajo se žice večjega preseka ali, nasprotno, manjšega, izdelane iz različnih materialov.

Za upoštevanje teh razlik obstaja različica tako imenovanega »diferencialno-integralnega Ohmovega zakona«. Za neskončno majhen vodnik se izračuna stopnja gostote toka v odvisnosti od poljske jakosti in specifične prevodnosti.

Za diferencialni izračun se uporabi formula: J = ό * E

Za integralni izračun pa je formulacija: I * R = φ1 – φ2 + έ   

Vendar so ti primeri že bližje višji matematiki in se v resnični praksi navadnega električarja dejansko ne uporabljajo.

Zaključki in koristen video na to temo

Podrobna analiza Ohmovega zakona v videoposnetku, predstavljenem spodaj, bo pomagala dokončno utrditi znanje na tem področju.

Nekakšna video lekcija kakovostno podpira teoretično pisno razlago:

Delo električarja ali dejavnost elektronika sta neločljivo povezani s trenutki, ko je treba dejansko opazovati Georga Ohmov zakon v akciji. To so nekakšne splošne resnice, ki bi jih moral poznati vsak strokovnjak.

Obsežno znanje o tem vprašanju ni potrebno – dovolj je, da se naučite tri glavne različice formulacije, da jih uspešno uporabljate v praksi.

Želite dopolniti zgoraj navedeno gradivo z dragocenimi pripombami ali izraziti svoje mnenje? Pišite, prosim, komentarje v bloku pod člankom. Če imate še kakšna vprašanja, jih ne oklevajte postaviti našim strokovnjakom.