Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.
Закон Ома записывается формулой:
Где: I — сила тока (А), U — напряжение (В), R — сопротивление (Ом).
Следует иметь в виду, что закон Ома является фундаментальным (основным) и может быть применён к любой физической системе, в которой действуют потоки частиц или полей, преодолевающие сопротивление. Его можно применять для расчёта гидравлических, пневматических, магнитных, электрических, световых, тепловых потоков.
Закон Ома определяет связь трех фундаментальных величин: силы тока, напряжения и сопротивления. Он утверждает, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.
Ток течет из точки с избытком электронов в точку с дефицитом электронов. Путь, по которому следует ток, называется электрической цепью. Все электрические цепи состоят из источника тока , нагрузки и проводников . Источник тока обеспечивает разность потенциалов , которая позволяет течь току. Источником тока может быть батарея, генератор или другое устройство. Нагрузка оказывает сопротивление протеканию тока . Это сопротивление может быть высоким или низким, в зависимости от назначения цепи. Ток в цепи течет через проводники от источника к нагрузке . Проводник должен легко отдавать электроны. В большинстве проводников используется медь.
Путь электрического тока к нагрузке может проходить через три типа цепей: последовательную цепь, параллельную или последовательно-параллельную цепи.Ток электронов в электрической цепи течет от отрицательного вывода источника тока, через нагрузку к положительному выводу источника тока.
Пока этот путь не нарушен, цепь замкнута и ток течет.
Однако если прервать путь, цепь станет разомкнутой и ток не сможет по ней идти.
Силу тока в электрической цепи можно изменять, изменяя либо приложенное напряжение, либо сопротивление цепи. Ток изменяется в таких же пропорциях, что и напряжение или сопротивление. Если напряжение увеличивается, то ток также увеличивается. Если напряжение уменьшается, то ток тоже уменьшается. С другой стороны, если сопротивление увеличивается, то ток уменьшается. Если сопротивление уменьшается, то ток увеличивается. Это соотношение между напряжением, силои тока и сопротивлением называется законом Ома.
Закон Ома утверждает, что ток в цепи (последовательной, параллельной или последовательно-параллельной) прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению
При определении неизвестных величин в цепи, следуйте следующим правилам:
Помните: закон Ома справедлив для любого участка цепи и может применяться в любой момент. По последовательной цепи течет один и тот же ток, а к любой ветви параллельной цепи приложено одинаковое напряжение.
Георг Ом, проводя эксперименты с проводником, установил, что сила тока в проводнике пропорциональна напряжению, приложенному к его концам. Коэффициент пропорциональности назвали электропроводностью, а величину принято именовать электрическим сопротивлением проводника. Закон Ома был открыт в 1826 году.
Ниже приведены анимации схем иллюстрирующих закон Ома. Обратите внимание, что (на первой картинке) Амперметр (А) является идеальным и имеет нулевое сопротивление.
Данная анимация показывает как меняется ток в цепи при изменении приложенного напряжения.
Следующая анимация показывает как меняется сила тока в цепи при изменении сопротивления.
Закон Ома часто называют основным законом электричества. Открывший его в 1826 г. известный немецкий физик Георг Симон Ом установил зависимость между основными физическими величинами электрической цепи – сопротивлением, напряжением и силой тока.
Чтобы лучше понять смысл закона Ома, нужно представлять, как устроена электрическая цепь.
Что же такое электрическая цепь? Это путь, который проходят электрически заряженные частицы (электроны) в электрической схеме.
Чтобы в электрической цепи существовал ток, необходимо наличие в ней устройства, которое создавало бы и поддерживало разность потенциалов на участках цепи за счёт сил неэлектрического происхождения. Такое устройство называется источником постоянного тока , а силы - сторонними силами .
Электрическую цепь, в которой находится источник тока, называют полной электрической цепью . Источник тока в такой цепи выполняет примерно такую же функцию, что и насос, перекачивающий жидкость в замкнутой гидравлической системе.
Простейшая замкнутая электрическая цепь состоит из одного источника и одного потребителя электрической энергии, соединённых между собой проводниками.
Свой знаменитый закон Ом вывел экспериментальным путём.
Проведём несложный опыт.
Соберём электрическую цепь, в которой источником тока будет аккумулятор, а прибором для измерения тока – последовательно включенный в цепь амперметр. Нагрузкой служит спираль из проволоки. Напряжение будем измерять с помощью вольтметра, включенного параллельно спирали. Замкнём с помощью ключа электрическую цепь и запишем показания приборов.
Подключим к первому аккумулятору второй с точно таким же параметрами. Снова замкнём цепь. Приборы покажут, что и сила тока, и напряжение увеличились в 2 раза.
Если к 2 аккумуляторам добавить ещё один такой же, сила тока увеличится втрое, напряжение тоже утроится.
Вывод очевиден: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению, приложенному к концам проводника .
В нашем опыте величина сопротивления оставалась постоянной. Мы меняли лишь величину тока и напряжения на участке проводника. Оставим лишь один аккумулятор. Но в качестве нагрузки будем использовать спирали из разных материалов. Их сопротивления отличаются. Поочерёдно подключая их, также запишем показания приборов. Мы увидим, что здесь всё наоборот. Чем больше величина сопротивления, тем меньше сила тока. Сила тока в цепи обратно пропорциональна сопротивлению .
Итак, наш опыт позволил нам установить зависимость силы тока от величины напряжения и сопротивления.
Конечно, опыт Ома был другим. В те времена не существовало амперметров, и, чтобы измерить силу тока, Ом использовал крутильные весы Кулона. Источником тока служил элемент Вольта из цинка и меди, которые находились в растворе соляной кислоты. Медные проволоки помещались в чашки со ртутью. Туда же подводились концы проводов от источника тока. Проволоки были одинакового сечения, но разной длины. За счёт этого менялась величина сопротивления. Поочерёдно включая в цепь различные проволоки, наблюдали за углом поворота магнитной стрелки в крутильных весах. Собственно, измерялась не сама сила тока, а изменение магнитного действия тока за счёт включения в цепь проволок различного сопротивления. Ом называл это «потерей силы».
Но так или иначе эксперименты учёного позволили ему вывести свой знаменитый закон.
Георг Симон Ом
Между тем, формула, выведенная самим Омом, выглядела так:
Это не что иное, как формула закона Ома для полной электрической цепи: « Сила тока в цепи пропорциональна действующей в цепи ЭДС и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешней цепи и внутреннего сопротивления источника ».
В опытах Ома величина Х показывала изменение величины тока. В современной формуле ей соответствует сила тока I , протекающего в цепи. Величина а характеризовала свойства источника напряжения, что соответствует современному обозначению электродвижущей силы (ЭДС) ε . Значение величины l зависело от длины проводников, соединявших элементы электрической цепи. Эта величина являлась аналогией сопротивления внешней электрической цепи R . Параметр b характеризовал свойства всей установки, на которой проводился опыт. В современной обозначении это r – внутреннее сопротивление источника тока.
Как выводится современная формула закона Ома для полной цепи?
ЭДС источника равна сумме падений напряжений на внешней цепи (U ) и на самом источнике (U 1 ).
ε = U + U 1 .
Из закона Ома I = U / R следует, что U = I · R , а U 1 = I · r .
Подставив эти выражения в предыдущее, получим:
ε = I · R + I · r = I · (R + r) , откуда
По закону Ома напряжение во внешней цепи равно произведению силы тока на сопротивление. U = I · R . Оно всегда меньше, чем ЭДС источника. Разница равна величине U 1 = I · r .
Что происходит при работе батарейки или аккумулятора? По мере того, как разряжается батарейка, растёт её внутренне сопротивление. Следовательно, увеличивается U 1 и уменьшается U .
Полный закон Ома превращается в закон Ома для участка цепи, если убрать из него параметры источника.
А что произойдёт, если сопротивление внешней цепи вдруг станет равно нулю? В повседневной жизни мы можем наблюдать это, если, например, повреждается электрическая изоляция проводов, и они замыкаются между собой. Возникает явление, которое называется коротким замыканием . Ток, называемый током короткого замыкания , будет чрезвычайно большим. При этом выделится большое количество теплоты, которое может привести к пожару. Чтобы этого не случилось, в цепи ставят устройства, называемые предохранителями. Они устроены так, что способны разорвать электрическую цепь в момент короткого замыкания.
В цепи переменного напряжения кроме обычного активного сопротивления встречается реактивное сопротивление (ёмкости, индуктивности).
Для таких цепей U = I · Z , где Z - полное сопротивление, включающее в себя активную и реактивную составляющие.
Но большим реактивным сопротивлением обладают мощные электрические машины и силовые установки. В бытовых приборах, окружающих нас, реактивная составляющая настолько мала, что её можно не учитывать, а для расчётов использовать простую форму записи закона Ома:
I = U / R
Ом не только установил зависимость между напряжением, током и сопротивлением электрической цепи, но и вывел уравнение для определения мощности:
P = U · I = I 2 · R
Как видим, чем больше ток или напряжение, тем больше мощность . Так как проводник или резистор не является полезной нагрузкой, то мощность, которая приходится на него, считается мощностью потерь. Она идёт на нагревание проводника. И чем больше сопротивление такого проводника, тем больше теряется на нём мощности. Чтобы уменьшить потери от нагревания, в цепи используют проводники с меньшим сопротивлением. Так делают, например, в мощных звуковых установках.
Небольшая подсказка для тех, кто путается и не может запомнить формулу закона Ома.
Разделим треугольник на 3 части. Причём, каким образом мы это сделаем, совершенно неважно. Впишем в каждую из них величины, входящие в закон Ома - так, как показано на рисунке.
Закроем величину, которую нужно найти. Если оставшиеся величины находятся на одном уровне, то их нужно перемножить. Если же они располагаются на разных уровнях, то величину, расположенную выше, необходимо разделить на нижнюю.
Закон Ома широко применяется на практике при проектировании электрических сетей в производстве и в быту.
«Физика - 10 класс»
Что заставляет заряды двигаться вдоль проводника?
Как электрическое поле действует на заряды?
Вольт-амперная характеристика.
В предыдущем параграфе говорилось, что для существования тока в проводнике необходимо создать разность потенциалов на его концах. Сила тока в проводнике определяется этой разностью потенциалов. Чем больше разность потенциалов, тем больше напряжённость электрического поля в проводнике и, следовательно, тем большую скорость направленного движения приобретают заряженные частицы. Это означает увеличение силы тока.
Для каждого проводника - твёрдого, жидкого и газообразного - существует определённая зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника.
Зависимость силы тока в проводнике от напряжения, подаваемого на него, называют вольт-амперной характеристикой проводника.
Её находят, измеряя силу тока в проводнике при различных значениях напряжения. Знание вольт-амперной характеристики играет большую роль при изучении электрического тока.
Закон Ома.
Наиболее простой вид имеет вольт- амперная характеристика металлических проводников и растворов электролитов. Впервые (для металлов) её установил немецкий учёный Георг Ом, поэтому зависимость силы тока от напряжения носит название закона Ома .
На участке цепи, изображённой на рисунке 15.3, ток направлен от точки 1 к точке 2. Разность потенциалов (напряжение) на концах проводника равна U = φ 1 - φ 2 . Так как ток направлен слева направо, то напряжённость электрического поля направлена в ту же сторону и φ 1 > φ 2 .
Измеряя силу тока амперметром а напряжение вольтметром, можно убедиться в том, что сила тока прямо пропорциональна напряжению.
Закон Ома для участка цепи
Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенному к нему напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка R.
Применение обычных приборов для измерения напряжения - вольтметров - основано на законе Ома. Принцип устройства вольтметра такой же, как и у амперметра. Угол поворота стрелки прибора пропорционален силе тока.
Сила тока, проходящего по вольтметру, определяется напряжением между точками цепи, к которой он подключён. Поэтому, зная сопротивление вольтметра, можно по силе тока определить напряжение. На практике прибор градуируют так, чтобы он сразу показывал напряжение в вольтах.
Сопротивление.
Основная электрическая характеристика проводника - сопротивление . От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении.
Свойство проводника ограничивать силу тока в цепи, т. е. противодействовать электрическому току, называют электрическим сопротивлением проводника .
С помощью закона Ома (15.3) можно определить сопротивление проводника:
Для этого нужно измерить напряжение на концах проводника и силу тока в нём.
На рисунке 15.4 приведены графики вольт-амперных характеристик двух проводников. Очевидно, что сопротивление проводника, которому соответствует график 2, больше, чем сопротивление проводника, которому соответствует график 1.
Сопротивление проводника не зависит от напряжения и силы тока.
Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров.
Сопротивление проводника длиной l с постоянной площадью поперечного сечения S равно:
где ρ - величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от температуры в первую очередь).
Величину ρ называют удельным сопротивлением проводника .
Удельное сопротивление материала численно равно сопротивлению проводника из этого материала длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 .
Единицу сопротивления проводника устанавливают на основе закона Ома и называют её омом.
Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1 В сила тока в нём 1 А.
Единицей удельного сопротивления является 1 Ом м. Удельное сопротивление металлов мало. А вот диэлектрики обладают очень большим удельным сопротивлением. Например, удельное сопротивление серебра 1,59 10 -8 Ом м, а стекла порядка 10 10 Ом м. В справочных таблицах приводятся значения удельного сопротивления некоторых веществ.
Значение закона Ома.
Из закона Ома следует, что при заданном напряжении сила тока на участке цепи тем больше, чем меньше сопротивление этого участка. Если по какой-то причине (нарушение изоляции близко расположенных проводов, неосторожные действия при работе с электропроводкой и пр.) сопротивление между двумя точками, находящимися под напряжением, оказывается очень малым, то сила тока резко возрастает (возникает короткое замыкание), что может привести к выходу из строя электроприборов и даже возникновению пожара.
Именно из-за закона Ома нельзя говорить, что чем выше напряжение, тем оно опаснее для человека. Сопротивление человеческого тела может сильно изменяться в зависимости от условий (влажности, температуры окружающей среды, внутреннего состояния человека) поэтому даже напряжение 10-20 В может оказаться опасным для здоровья и жизни человека. Следовательно, всегда необходимо учитывать не только напряжение, но и силу электрического тока. При работе в физической лаборатории нужно строго соблюдать правила техники безопасности!
Закон Ома - основа расчётов электрических цепей в электротехнике.
Измерение сопротивления проводника: R =U/I→ 1 Ом = 1 В/1 А.
Электрическое сопротивление (R) - свойство электрической цепи (проводника) противодействовать протекающему по ней электрическому току, измеряемое при постоянном напряжении на его концах отношением этого напряжения к силе тока.
Природа электрического сопротивления на основе электронных представлений о строении вещества: "потеря" упорядоченного движения свободными заряженными частицами в проводнике при их взаимодействии с ионами кристаллической решетки.
Зависимость электрического сопротивления проводника от его длины (реостаты), поперечного сечения и материала. Удельное сопротивление материала проводника: .
Вопрос : Почему сопротивление проводника зависит от его длины, площади поперечного сечения и материала?
Для провода = 
, где - удельная электрическая проводимость.
- (закон Ома в дифференциальной форме) - устанавливает связь между величинами для каждой точки проводника.
Демонстрация зависимости сопротивления проводника от его температуры (малый накал). Температурный коэффициент сопротивления.
Границы применимости закона Ома.
IV. Задачи:
2. Определить площадь поперечного сечения и длину проводник из алюминия, если его сопротивление 0,1 Ом, а масса 54 г.
Вопросы:
1. Объясните, позему сопротивление проволоки зависит от его материала, длины и площади поперечного сечения.
2. Как отрезать кусок провода сопротивлением 5 Ом?
3. Длину медной проволоки вытягиванием увеличили вдвое. Как изменилось ее сопротивление?
4. Почему сопротивление кожи человека зависит от ее состояния, площади контакта, приложенного напряжения, длительности протекания тока?
5. Изменится ли сопротивление вольфрамового волоска электрической лампы, рассчитанной на 120 В, если присоединить ее к источнику тока с напряжением 4 В?
6. Высота плотины – электрическое напряжение, расход воды из отверстия у основании плотины – сила тока. Удачна ли эта аналогия?
V . § 54 Упр. 10 № 3
1. Предложите конструкцию и рассчитайте параметры реостата (материал провода, длина, площадь поперечного сечения), сопротивление которого можно плавно изменять от 0 до 100 Ом при максимальной силе электрического тока до 2 А.
2. Как изменяется сопротивление проволоки при ее растяжении? Попробуйте установить эту зависимость в пределах упругих деформаций. Предложите конструкцию и рассчитайте параметры прибора (тензодатчика), предназначенного для измерения механического напряжения.
Дополнительная информация: Тензорезистивный эффект – изменение сопротивления материала при деформации (недавно созданные материалы из алюминия и кремния изменяют свое сопротивление при ударе почти в 900 раз).
3. Предложите конструкцию и опишите электрическую схему прибора для установления зависимости удельного сопротивления проводника от температуры (можно с реостатом).
4. Измерьте удельное сопротивление воды при комнатной температуре и при температуре кипения.
"Непосредственный опыт всегда очевиден, и из него в кратчайшее время можно извлечь пользу".
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 "ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПРОВОДНИКА"
ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Научить учеников с заданной точностью измерять удельное сопротивление материала проводника.
ТИП УРОКА: лабораторная работа.
ОБОРУДОВАНИЕ: Источник тока, амперметр и вольтметр лабораторные, ключ, реостат, линейка ученическая, проводник на колодке, соединительные провода, штангенциркуль (микрометр).
ПЛАН УРОКА: 1. Вступительная часть 1-2 мин
2. Вводный инструктаж 5 мин
3. Выполнение работы 30 мин
4. Задание на дом 2-3 мин
II . Схема лабораторной установки на доске. Как измерить сопротивление проводника; площадь поперечного сечения проволоки; длину проводника?
Относительная и абсолютная погрешность при измерении удельного сопротивления:
III . Выполнение работы.
Закон Ома.
I = U/ R
Где U – напряжение концов участка,I– сила тока, R– сопротивление проводника.
R = U / I
Эти формулы справедливы лишь когда сеть испытывает на себе одно сопротивление.
Условием движения электрических зарядов в проводнике является наличие в нем электрического поля, которое создается и поддерживается особыми устройствами, получившими название источников тока .
Основной величиной, характеризующей источник тока, является его электродвижущая сила.
Электродвижущей силой источника (сокращенно ЭДС) называется скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних сил, способных создавать на зажимах источника (полюсах) разность потенциалов.
Она равна работе сторонних сил по перемещению заряженной частицы с положительным единичным зарядом от одного полюса источника к другому, т.е.
В СИ ЭДС измеряется в вольтах (В), т.е. в тех же единицах, что и напряжение.
Сторонние силы источника – это силы, которые осуществляют разделение зарядов в источнике и тем самым создают на его полюсах разность потенциалов. Эти силы могут иметь различную природу, но только не электрическую (отсюда и название) - Механические силы, химическая среда в аккумуляторе; световой поток в фотоэлементах.
Направление ЭДС - это направление принудительного движения положительных зарядов внутри генератора от минуса к плюсу под действием иной, чем электрическая, природы.
Внутреннее сопротивление генератора это сопротивление конструктивных элементов внутри него.
Если электрическую цепь разделить на два участка – внешний, с сопротивлением R , и внутренний, с сопротивлением r , то ЭДС источника тока окажется равной сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи:
По закону Ома напряжение на любом участке цепи определяется величиной протекающего тока и его сопротивлением:
Так как , следовательно
, (3)
т.е. напряжение на полюсах источника при замкнутой цепи зависит от соотношения сопротивлений внутреннего и внешнего участков цепи. Если приблизительно равно U .
Электрическое сопротивление.
Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.
Из закона Ома: R = U / I
За единицу электрического сопротивления принят 1Ом .
Сопротивлением 1 Ом обладает проводник, в котором при напряжении 1 В проходит ток 1 А.
Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью :
Единицей проводимости является сименс :
Величина, обратная удельной проводимости, называется удельным сопротивлением р, т. е.
Увеличение температуры сопровождается усилением хаотического теплового движения частиц вещества, что приводит к увеличению числа столкновений электронов с ними и затрудняет упорядоченное движение электронов.
Сопротивление – резистор.
Метод узловых потенциалов.
Пример 2.7.4.
Определить значения и направления токов в ветвях методом узловых потенциалов для цепи рис. 2.7.4, если:
Е1=108 В; Е2=90 В; Ri1=2 Ом; Ri2=1 Ом; R1=28 Ом; R2=39 Ом; R3=60 Ом.
Решение.
Определяем токи в ветвях.
Метод двух узлов.
Одним из распространенных методов расчета электрических цепей является метод двух узлов .Этот метод применяется в случае, когда в цепи всего два узла
Метод контурных токов.
Алгоритм действий таков:
По второму закону Кирхгофа, относительно контурных токов, составляем уравнения для всех независимых контуров. При записи равенства считать, что направление обхода контура, для которого составляется уравнение, совпадает с направлением контурного тока данного контура. Следует учитывать и тот факт, что в смежных ветвях, принадлежащих двум контурам, протекают два контурных тока. Падение напряжения на потребителях в таких ветвях надо брать от каждого тока в отдельности.
Произвольно задаемся направлением реальных токов всех ветвей и обозначаем их. Маркировать реальные токи надо таким образом, чтобы не путать с контурными. Для нумерации реальных токов можно использовать одиночные арабские цифры (I1, I2, I3 и т. д.).
При алгебраическом суммировании без изменения знака берется контурный ток, направление которого совпадает с принятым направлением реального тока ветви. В противном случае контурный ток умножается на минус единицу.
Пример расчёта сложной цепи методом контурных токов.
Рис. 1. Схема электрической цепи для примера расчета по методу контурных токов
Решение. Для расчета сложной цепи этим методом достаточно составить два уравнения, по числу независимых контуров. Контурные токи направляем по часовой стрелке и обозначаем I11 и I22 (см. рисунок 1).
По второму закону Кирхгофа относительно контурных токов составляем уравнения:
Решаем систему и получаем контурные токи I11 = I22 = 3 А.
Следует отметить, как положительный факт, что в методе контурных токов по сравнению с решением по законам Кирхгофа приходится решать систему уравнений меньшего порядка. Однако этот метод не позволяет сразу определять реальные токи ветвей.
Закон Ома.
Согласно закону Ома для некоторого участка цепи, сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна сопротивлению.
