欧姆定律是电工电子技术中的一个最基本的定律,它反映了电路中电阻、电流和电压之间的关系。欧姆定律分为部分电路欧姆定律和全电路欧姆定律。
部分电路欧姆定律内容:在电路中,流过导体的电流 I 的大小与导体两端的电压 U 成正比,与导体的电阻 R 成反比 ,即
也可以表示为 U=IR 或 。
为了让大家更好地理解欧姆定律,下面以图1-12为例来说明。
图1-12 欧姆定律的几种形式
如图1-12(a)所示,已知电阻 R =10Ω,电阻两端电压 U AB =5V,那么流过电阻的电流 。
又如图1-12(b)所示,已知电阻 R =5Ω,流过电阻的电流 I =2A,那么电阻两端的电压 U AB = I·R =(2×5)V=10V。
在图1-12(c)所示电路中,流过电阻的电流 I =2A,电阻两端的电压 U AB =12V,那么电阻的大小 。
下面再来说明欧姆定律在实际电路中的应用,如图1-13所示。
图1-13 部分电路欧姆定
在图1-13所示电路中,电源的电动势 E =12V,A、D之间的电压 U AD 与电动势 E 相等,三个电阻器R 1 、R 2 、R 3 串接起来,可以相当于一个电阻器R, R=R 1 + R 2 + R 3 =(2+7+3)Ω=12Ω。知道了电阻的大小和电阻器两端的电压,就可以求出流过电阻器的电流 I
求出了流过R 1 、R 2 、R 3 的电流 I ,并且它们的电阻大小已知,就可以求R 1 、R 2 、R 3 两端的电压 U R 1 ( U R 1 实际就是A、B两点之间的电压 U AB )、 U R 2 (实际就是 U BC )和 U R 3 (实际就是 U CD ),即
U R 1 = U AB = I·R 1 =(1×2)V=2V
U R 2 = U BC = I·R 2 =(1×7)V=7V
U R 3 = U CD = I·R 3 =(1×3)V=3V
从上面可以看出 U R 1 + U R 2 + U R 3 = U AB + U BC + U CD = U AD =12V
在图1-13所示电路中如何求B点电压呢?首先要明白,求某点电压指的就是求该点与地之间的电压,所以B点电压 U B 实际就是电压 U BD 。求 U B 有以下两种方法。
方法一: U B = U BD = U BC + U CD = U R 2 + U R 3 =(7+3)V=10V
方法二: U B = U BD = U AD - U AB = U AD - U R 1 =(12-2)V=10V
全电路是指含有电源和负载的闭合回路。 全电路欧姆定律又称闭合电路欧姆定律,其内容:闭合电路中的电流与电源的电动势成正比,与电路的内、外电阻之和成反比 ,即
全电路欧姆定律应用如图1-14所示。
图1-14 全电路欧姆定律
图1-14中点画线框内为电源, R 0 表示电源的内阻, E 表示电源的电动势。当开关S闭合后,电路中有电流 I 流过,根据全电路欧姆定律可求得 。电源输出电压(也即电阻 R 两端的电压) U=IR =1×10V=10V,内阻 R 0 两端的电压 U 0 = IR 0 =1×2V=2V。如果将开关S断开,电路中的电流 I =0A,那么内阻 R 0 上消耗的电压 U 0 =0V,电源输出电压 U 与电源电动势相等,即 U=E =12V。
根据全电路欧姆定律不难看出以下几点。
1. 在电源未接负载时,不管电源内阻多大,内阻消耗的电压始终为0V,电源两端电压与电动势相等。
2. 当电源与负载构成闭合电路后,由于有电流流过内阻,内阻会消耗电压,从而使电源输出电压降低。内阻越大,内阻消耗的电压越大,电源输出电压越低。
3. 在电源内阻不变的情况下,如果外阻越小,电路中的电流越大,内阻消耗的电压也越大,电源输出电压也会降低。
由于正常电源的内阻很小,内阻消耗的电压很低,故一般情况下可认为电源的输出电压与电源电动势相等。
利用全电路欧姆定律可以解释很多现象。比如用仪表测得旧电池两端电压与正常电压相同,但将旧电池与电路连接后除了输出电流很小外,电池的输出电压也会急剧下降。这是因为旧电池内阻变大的缘故。又比如将电源正、负极直接短路,电源会发热甚至烧坏,这是因为短路时流过电源内阻的电流很大,内阻消耗的电压与电源电动势相等,大量的电能在电源内阻上消耗并转换成热能,故电源会发热。