Закон ома школьный учебник

Обновлено: 04.07.2024

§ 40. ЗАКОН ОМА. СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРОВОДНИКА. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ.

Закон Ома помогает определить силу тока через проводник, давая возможность оценить тепловое, химическое и магнитное действие электрического тока.

Для существования постоянного тока в проводнике необходимо поддерживать неизменной разность потенциалов между его концами. С ростом этой разности потенциалов напряжённость поля в проводнике увеличивается, и свободные заряды проводника приобретают б óльшую скорость, а значит, растёт сила тока через проводник. Немецкий физик Г. Ом установил, что сила тока I через металлический проводник прямо пропорциональна напряжению U между его концами:

где R – постоянная величина, называемая сопротивлением данного проводника (рис. 40а). Уравнение (40.1) называют законом Ома для участка цепи, который также оказался справедлив и для электролитов. Единицей сопротивления в СИ является Ом. Согласно (40.1) проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при напряжении 1 В между его концами через него течёт ток 1 А.

Работа вольтметра – прибора для измерения напряжения, основана на законе Ома. Вольтметр (см. V на рис. 40б), как и амперметр, измеряет ток, проходящий через него. Зная сопротивление вольтметра R и силу тока I , по закону Ома определяют напряжение U между точками, к которым подключён вольтметр. Вольтметр градуируют так, чтобы он показывал напряжение в вольтах, а не ток, который через него проходит.

Сопротивление зависит от материала, из которого сделан проводник, и его размеров. Для проводника с постоянной площадью поперечного сечения S (рис. 40в) справедливо следующее соотношение между его длиной l и сопротивлением R :

где r - постоянный коэффициент, называемый удельным сопротивлением проводника и зависящий от вещества, из которого сделан проводник. Единицей удельного сопротивления является Ом . м . Удельное сопротивление металлов гораздо меньше, чем у диэлектриков. Так, удельное сопротивление меди и алюминия составляет 1,7 . 10 -8 и 2,8 . 10 -8 Ом . м , а у фарфора и сухого дерева оно достигает 10 13 и 10 8 Ом . м , соответственно.

Ток течёт по проводникам, образующих электрическую цепь. Соединение проводников 1 и 2, показанное на рис. 40г, называют последовательным. Очевидно, что сила тока в обоих проводниках одинакова:

I ₁ = I ₂ = I . (40.3)

Работа по перемещению заряда из А и В на рис. 40г равна сумме работ по его перемещению из А в Б и из Б в В , а значит,

U = U ₁ + U ₂ , (40.4)

где U – напряжение между точками А и В. Если R ₁ и R ₂ –сопротивления проводников 1 и 2, то уравнение (40.4) можно переписать в следующем виде, учитывая (40.1) и (40.3):

Из сравнения (40.5) и (40.1) следует, что сопротивление R двух последовательно соединённых проводников равно:

R = R ₁ + R ₂ . (40.6)

Параллельное соединение проводников показано на рис. 40д. Очевидно, что сила тока I через участок цепи АБ равна:

I = I ₁ + I ₂ . (40.7)

Учитывая (40.1), можно переписать уравнение (40.7) как:

Из сравнения (40.8) и (40.1) следует, что для сопротивления R двух параллельно соединённых проводников справедливо:

Уравнения, аналогичные (40.6) и (40.9) можно применять для любого числа последовательно и параллельно соединённых проводников, соответственно.

Вопросы для повторения:

· Как формулируется закон Ома для участка цепи?

· Что такое сопротивление, и в каких единицах его измеряют?

· Как работает вольтметр?

· Чему равно сопротивление цилиндрического проводника?

Рис. 40. (а) – иллюстрация закона Ома для проводников с сопротивлением R ₁ и R ₂ ; (б) – к объяснению работы вольтметра; (в) – к объяснению формулы (40.2); (г, д ) - последовательное и параллельное соединение проводников, соответственно.

Есть такие формулы и законы, которые люди узнают еще в школе, а помнят всю жизнь. Обычно это несложные уравнения, состоящие из двух-трех физических величин и объясняющие какие-то фундаментальные вещи в науке, основу основ. Закон Ома как раз такая штука.

Закон Ома: кто придумал, определение

Закон Ома — это основной закон электродинамики, который выводит взаимосвязь между ключевыми понятиями электрической цепи: силой тока, напряжением и сопротивлением.

Данную взаимозависимость выявил немецкий физик Георг Симон Ом в 1826 году. Несмотря на то, что этот закон является истинным законом природы, точность которого была многократно проверена и доказана позже, публикация работы Ома в 1827 году прошла незамеченной для научной общественности. И лишь в 1830-х гг., когда французский физик Пулье пришел к тем же самым выводам, что и Ом, работа немецкого ученого была оценена по достоинству.

Установление закономерностей между основными параметрами электроцепи имеет огромное значение для науки. Ведь оно позволило количественно измерить свойства электрического тока.

Формулировки и основные формулы

Закон Георга Ома формулируется так: сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению в проводнике и обратно пропорциональна сопротивлению этого проводника.

Пояснения к закону:

Чем выше напряжение в проводнике, тем выше будет и сила тока в этом проводнике.
Чем выше сопротивление проводника, тем меньше будет сила тока в нем.

Обозначение основных параметров, характеризующих электроцепь, известны всем с уроков физики в школе:

I — сила электротока;
U — напряжение;
R — сопротивление.

Объяснение закона Ома в классической теории

Формула закона, известная всем со школьных лет, выглядит так:

Из нее легко выводятся формулы для определения \(U\) :

и для определения \(R\) :

Единицами измерения силы тока являются амперы, напряжения — вольты, сопротивление измеряется в омах.

Данный закон верен для линейного участка цепи, на котором зафиксировано стабильное сопротивление.

Закон Ома для полной (замкнутой) цепи

Замкнутой или полной называется такая электрическая цепь, по которой проходит электроток.

Описание формулы этого закона для полной цепи выглядит так:

где \(\epsilon\) — это электродвижущая сила или напряжение источника питания, которое не зависит от внешней цепи;

\(R\) — сопротивление внешней цепи;

\(r\) — внутреннее сопротивление источника.

Использование закона Ома при параллельном и последовательном соединении

При последовательном соединении элементы цепи подключаются друг за другом последовательно. Так как такая электрическая цепь является неразветвленной, сила тока на каждом ее участке будет одинаковая. Пример последовательного соединения — лампочки в новогодней гирлянде.

При последовательном соединении элементов основные параметры электроцепи рассчитываются следующим образом:

Где \(I\) — общая сила тока в электроцепи, \(I_1\) — сила тока первого участка, \(I_2\) — сила тока второго участка, \(I_3\) — сила тока третьего участка.

Где \(U\) — общее напряжение, \(U_1\) — напряжение первого участка, \(U_2\) — напряжение второго участка, \(U_3\) — напряжение третьего участка.

Где \(R\) — общее сопротивление в цепи, \(R_1\) — сопротивление первого участка, \(R_2\) — сопротивление второго участка, \(R_3\) — сопротивление третьего участка.

Подключая элементы в цепь параллельно, получают разветвленную электрическую цепь. Примером такого соединения является стандартная разводка электричества по квартире, когда в комнате одновременно можно включить несколько предметов бытовой техники и верхнее освещение.

При параллельном соединении элементов основные параметры электроцепи рассчитываются следующим образом:

Где \(I\) — общая сила тока в электроцепи, \(I_1, I_2, I_3\) — сила тока первого, второго и третьего участков соответственно.

Где \(U\) — общее напряжение, \(U_1, U_2, U_3\) — напряжение первого, второго и третьего участков соответственно.

Где \(R\) — общее сопротивление в цепи, \(R_1, R_2, R_3\) — сопротивление первого, второго и третьего участков соответственно.

Закон Ома для переменного и постоянного тока

Для цепи постоянного тока правильными будут уже озвученные нами взаимосвязи основных параметров электроцепи:

При подключении к электроцепи источника переменного тока, сила электротока в цепи будет определяться по формуле:

где \(Z\) — полное сопротивление или импеданс, который состоит из активной \((R)\) и реактивных составляющих ( \(X_C\) — сопротивление емкости и \(X_L\) — сопротивление индуктивности).

Реактивное сопротивление цепи зависит:

от значений реактивных элементов,
от частоты электротока;
от формы тока в цепи.

Закон Ома для однородного и неоднородного участка цепи

Закон Ома для однородного участка электроцепи представляет собой классическое выражение зависимости силы от напряжения и сопротивления:

В этом случае основной характеристикой проводника является сопротивление. От внешнего вида проводника зависит, как выглядит его кристаллическая решетка и какое количество атомов примесей содержит. От проводника зависит поведение электронов, которые могут ускоряться или замедляться.

Поэтому \(R\) зависит от вида проводника, точнее, от его сечения, длины и материала и определяется по формуле:

где \(p\) — удельное сопротивление, \( l\) — это длина проводника, а \(S\) — площадь его сечения.

Под неоднородным участком цепи постоянного тока подразумевается такой промежуток цепи, на который помимо электрических зарядов воздействуют другие силы.

Как можно было убедиться, закон, открытый Георгом Омом, прост только на первый взгляд. Разобраться во всех тонкостях самостоятельно под силу далеко не каждому. Если столкнулись с трудностями в учебе и сложными для понимания темами, обращайтесь за помощью к образовательному ресурсу Феникс.Хелп. Квалифицированные эксперты помогут сдать в срок самую сложную работу.

Учебник. Электрический ток. Закон Ома

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле E → , то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила F → = q E → . В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю (см. § 1.5).

Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени Δt, к этому интервалу времени: I = Δ q Δ t .

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.

Упорядоченное движение электронов в металлическом проводнике и ток I. S – площадь поперечного сечения проводника, E → – электрическое поле

В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током (см. § 1.16).

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю (см. § 1.4). Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС): ЭДС = ℰ = A ст q .

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными.

При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ₁₂ = φ₁ – φ₂ между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе ℰ₁₂, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна U₁₂ = φ₁ – φ₂ + ℰ₁₂.

Величину U₁₂ принято называть напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов: U₁₂ = φ₁ – φ₂.

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника: I = 1 R U или RI = U , где R = const.

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме: IR = U₁₂ = φ₁ – φ₂ + ℰ = Δφ₁₂ + ℰ.

Это соотношение принято называть обобщенным законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи.

На рис. 1.8.2 изображена замкнутая цепь постоянного тока. Участок цепи (cd) является однородным.

Цепь постоянного тока

По закону Ома IR = Δφ_cd.

Участок (ab) содержит источник тока с ЭДС, равной ℰ.

По закону Ома для неоднородного участка, Ir = Δφ_ab + ℰ.

Сложив оба равенства, получим: I (R + r) = Δφ_cd + Δφ_ab + ℰ.

Но Δφ_cd = Δφ_ba = – Δφ_ab. Поэтому I = ℰ R + r .

Эта формула выражет закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи равна электродвижущей силе источника, деленной на сумму сопротивлений однородного и неоднородного участков цепи.

Сопротивление r неоднородного участка на рис. 1.8.2 можно рассматривать как внутреннее сопротивление источника тока. В этом случае участок (ab) на рис. 1.8.2 является внутренним участком источника. Если точки a и b замкнуть проводником, сопротивление которого мало по сравнению с внутренним сопротивлением источника (R I кз = ℰ r .

Сила тока короткого замыкания – максимальная сила тока, которую можно получить от данного источника с электродвижущей силой ℰ и внутренним сопротивлением r. У источников с малым внутренним сопротивлением ток короткого замыкания может быть очень велик и вызывать разрушение электрической цепи или источника. Например, у свинцовых аккумуляторов, используемых в автомобилях, сила тока короткого замыкания может составлять несколько сотен ампер. Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций (тысячи ампер). Чтобы избежать разрушительного действия таких больших токов, в цепь включаются предохранители или специальные автоматы защиты сетей.

В ряде случаев для предотвращения опасных значений силы тока короткого замыкания к источнику последовательно подсоединяется некоторое внешнее сопротивление. Тогда сопротивление r равно сумме внутреннего сопротивления источника и внешнего сопротивления, и при коротком замыкании сила тока не окажется чрезмерно большой.

Если внешняя цепь разомкнута, то Δφ_ba = – Δφ_ab = ℰ, т. е. разность потенциалов на полюсах разомкнутой батареи равна ее ЭДС.

Если внешнее нагрузочное сопротивление R включено и через батарею протекает ток I, разность потенциалов на ее полюсах становится равной Δφ_ba = ℰ – Ir.

Схематическое изображение источника постоянного тока: 1 – батарея разомкнута; 2 – батарея замкнута на внешнее сопротивление R; 3 – режим короткого замыкания

Для измерения напряжений и токов в электрических цепях постоянного тока используются специальные приборы – вольтметры и амперметры.

Вольтметр предназначен для измерения разности потенциалов, приложенной к его клеммам. Он подключается параллельно участку цепи, на котором производится измерение разности потенциалов. Любой вольтметр обладает некоторым внутренним сопротивлением R_B. Для того, чтобы вольтметр не вносил заметного перераспределения токов при подключении к измеряемой цепи, его внутреннее сопротивление должно быть велико по сравнению с сопротивлением того участка цепи, к которому он подключен. Для цепи, изображенной на рис. 1.8.4, это условие записывается в виде: R_B >> R₁. Это условие означает, что ток I_B = Δφ_cd / R_B, протекающий через вольтметр, много меньше тока I = Δφ_cd / R₁, который протекает по тестируемому участку цепи.

Поскольку внутри вольтметра не действуют сторонние силы, разность потенциалов на его клеммах совпадает по определению с напряжением. Поэтому можно говорить, что вольтметр измеряет напряжение.

Амперметр предназначен для измерения силы тока в цепи. Амперметр включается последовательно в разрыв электрической цепи, чтобы через него проходил весь измеряемый ток. Амперметр также обладает некоторым внутренним сопротивлением R_A. В отличие от вольтметра, внутреннее сопротивление амперметра должно быть достаточно малым по сравнению с полным сопротивлением всей цепи. Для цепи на рис. 1.8.4 сопротивление амперметра должно удовлетворять условию R_A чтобы при включении амперметра ток в цепи не изменялся.

Измерительные приборы – вольтметры и амперметры – бывают двух видов: стрелочные (аналоговые) и цифровые. Цифровые электроизмерительные приборы представляют собой сложные электронные устройства. Обычно цифровые приборы обеспечивают более высокую точность измерений.

Физика — наука эмпирическая. Ее основные законы вытекают из практического опыта и частенько много лет не имеют теоретических обоснований. Именно так обстоит дело с главным законом электротехники, который открыл в 1826 году выдающийся немецкий ученый Георг Симон Ом.

Электрическая цепь состоит из двухполюсного источника напряжения, то есть батареи, аккумулятора или генератора. Если полюса источника соединить проводами, то по ним потечет электрический ток. Его величина определяется сопротивлением проводников. Наглядное представление этой зависимости — обыкновенный водопровод. Аналогом источника напряжения является насос или водонапорная башня, создающая давление в магистрали, количество воды, прошедшее по трубе, — подобие силы тока, а кран соответствует сопротивлению. Полностью открытый, он не ограничивает поток, по мере закручивания отверстие для воды уменьшается, пока не закроется совсем.

В предыдущих параграфах были рассмотрены три величины, с которыми мы имеем дело в любой электрической цепи, — это сила тока, напряжение и сопротивление. Эти величины связаны между собой. Зависимость силы тока от напряжения мы уже установили. В § 42 на основании опытов было показано, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника. Обратите внимание, что при проведении опыта сопротивление проводника не менялось.

При проведении физических опытов, в которых определяют зависимость одной величины от другой, все остальные величины должны быть постоянными. Если они будут изменяться, то установить зависимость будет сложнее.

Поэтому, определяя зависимость силы тока от сопротивления, напряжение на концах проводника надо поддерживать постоянным.

Чтобы ответить на вопрос, как зависит сила тока в цепи от сопротивления, обратимся к опыту.

Магазин сопротивлений

На рисунке 71 изображена электрическая цепь. В эту цепь по очереди включают проводники, обладающие различными сопротивлениями. Напряжение на концах проводника во время опыта поддерживается постоянным. За этим следят по показаниям вольтметра. Силу тока в цепи измеряют амперметром.

Рис. 71. Зависимость силы тока от сопротивления

В таблице 7 приведены результаты опытов с тремя различными проводниками.

В первом опыте сопротивление проводника 1 Ом и сила тока в цепи 2 А. Сопротивление второго проводника 2 Ом, т. е. в два раза больше, а сила тока в два раза меньше. И наконец, в третьем случае сопротивление цепи увеличилось в четыре раза и во столько же раз уменьшилась сила тока. Напомним, что напряжение на концах проводников во всех трёх опытах было одинаковое, равное 2 В.

Обобщая результаты опытов, приходим к выводу, что сила тока в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Ом Георг (1787—1854)
Немецкий физик. Он вывел теоретически и подтвердил на опыте закон, выражающий связь между силой тока в цепи, напряжением и сопротивлением.

Зависимость силы тока от напряжения на концах участка цепи и сопротивления этого участка называется законом Ома по имени немецкого учёного Георга Ома, открывшего этот закон в 1827 г. Закон Ома читается так: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

здесь I — сила тока в участке цепи, U — напряжение на этом участке, R — сопротивление участка.

Закон Ома — один из основных физических законов.

На рисунке 72 зависимость силы тока от сопротивления проводника при одном и том же напряжении на его концах показана графически. На этом графике по горизонтальной оси в условно выбранном масштабе отложены сопротивления проводников в омах, по вертикальной — сила тока в амперах.

Рис, 72. График зависимости силы тока в цепи от сопротивления

Из формулы I = U / R — следует, что

U = I • R и R = U / I

Следовательно, зная силу тока и сопротивление, можно по закону Ома вычислить напряжение на участке цепи, а зная напряжение и силу тока — сопротивление участка.

Сопротивление проводника можно определить по формуле R = U / I, однако надо понимать, что R — величина постоянная для данного проводника и не зависит ни от напряжения, ни от силы тока. Если напряжение на данном проводнике увеличится, например в три раза, то во столько же раз увеличится и сила тока в нём, а отношение напряжения к силе тока не изменится.

Читайте также: