"Физика. Базовый и углубленный уровни (в 2 частях) ", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Закон Ома связывает три основные характеристики участка электрической цепи: силу тока, напряжение и сопротивление. Он показывает, какой ток возникает при заданном напряжении и насколько этому току препятствует участок цепи. Главная формула — I = U/R. По ней можно рассчитывать ток, напряжение или сопротивление, а для металлического проводника дополнительно объяснять сопротивление через материал и размеры.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток I — направленное движение заряженных частиц. Его измеряют в амперах (А). Эта величина показывает, насколько интенсивно через участок цепи переносится заряд.
Напряжение U на участке цепи — физическая величина, равная отношению работы электрического поля при перемещении заряда к этому заряду. Единица напряжения — вольт (В). Напряжение характеризует действие поля, вызывающее движение зарядов.
Электрическое сопротивление R — величина, характеризующая противодействие участка цепи току. Сопротивление измеряют в омах (Ом). Оно показывает, насколько трудно зарядам двигаться по данному участку.
Закон Ома для участка цепи выражает зависимость силы тока от напряжения и сопротивления: I = U/R. Формула позволяет найти ток, если известны напряжение и сопротивление. Из неё также получают U = IR и R = U/I.
При наличии напряжения электрическое поле действует на носители заряда внутри проводника. Свободные электроны при этом приобретают направленную составляющую движения, хотя одновременно продолжают хаотически двигаться и сталкиваться с частицами вещества. Именно упорядоченная часть движения создаёт электрический ток.
Если свойства участка не меняются, увеличение напряжения усиливает действие электрического поля на каждый заряд. За одинаковое время через поперечное сечение переносится больше заряда, поэтому сила тока возрастает. При постоянном сопротивлении это увеличение прямо пропорционально напряжению: во сколько раз выросло U, во столько же раз вырос I.
Сопротивление связано с взаимодействием носителей заряда с частицами вещества. Во время столкновений направленное движение зарядов затрудняется, поэтому при большем сопротивлении один и тот же источник напряжения создаёт меньший ток. Так возникает обратная зависимость силы тока от сопротивления.
Объединив прямую пропорциональность тока напряжению и обратную пропорциональность сопротивлению, получают формулу I = U/R. Её применяют к выбранному участку цепи, если его сопротивление в рассматриваемых условиях можно считать постоянным. Поэтому перед расчётом нужно понять, какой именно участок описывается и не изменились ли его свойства.
Для однородного металлического проводника при постоянной температуре сопротивление находят по формуле R = ρl/S. Здесь ρ зависит от материала, l — длина проводника, а S — площадь его поперечного сечения. Из формулы следует, что длинный провод имеет большее сопротивление, а провод с большей площадью сечения — меньшее; нагрев может изменить сопротивление, поэтому условие постоянной температуры существенно.
| Величина | Обозначение и связь | Единица СИ | Как влияет на силу тока |
|---|---|---|---|
| Сила тока | I | ампер (А) | Искомая величина |
| Напряжение | U | вольт (В) | При постоянном R увеличивает ток прямо пропорционально |
| Сопротивление | R | ом (Ом) | При постоянном U уменьшает ток обратно пропорционально |
| Закон Ома для участка цепи | I = U/R | — | Связывает I, U и R |
Сначала определите, какие величины известны и что требуется найти. Затем выберите прямую формулу или преобразуйте I = U/R, не забывая записывать единицы СИ.
Таблица помогает быстро проверить направление зависимости: увеличение напряжения повышает ток, а увеличение сопротивления при том же напряжении его уменьшает.
На резисторе сопротивлением 6 Ом поддерживают напряжение 12 В. Требуется найти силу тока. Известны U и R, поэтому подходит непосредственная форма закона Ома.
Ответ: сила тока равна 2 А.
Через участок цепи проходит ток 0,4 А при напряжении 8 В. Нужно определить сопротивление участка. Здесь неизвестно R, поэтому закон Ома следует преобразовать.
Ответ: сопротивление участка равно 20 Ом.
Медная проволока имеет длину 20 м и площадь сечения 0,5 мм², а её удельное сопротивление равно 0,017 Ом·мм²/м. К проволоке приложено напряжение 3,4 В; требуется найти ток. Сначала найдём сопротивление, затем применим закон Ома.
Ответ: сила тока в проволоке равна 5 А.
Первая ошибка — считать, что формула R = U/I сама по себе задаёт закон изменения сопротивления. На самом деле это преобразованная запись закона Ома для вычисления R по измеренным U и I. Проверьте себя: если нужно найти ток, используйте I = U/R.
Иногда напряжение и сопротивление переставляют местами и записывают I = R/U. Такая запись неверна и по смыслу, и по единицам: Ом/В не даёт ампер. Полезно вспомнить, что при большем сопротивлении тот же источник создаёт меньший ток.
Некоторые считают, что увеличение сопротивления увеличивает ток. Ошибка появляется из-за невнимательного чтения формулы, где R стоит в знаменателе. Уточните, что напряжение сохраняется постоянным, и тогда зависимость будет обратной.
Нельзя без оговорок применять закон Ома к участку, свойства которого меняются. Например, при нагревании металлического проводника его сопротивление может измениться. Перед решением проверьте, постоянны ли температура и другие условия опыта.
Для изучения закона Ома нужны представления об электрическом токе, заряде, напряжении, работе электрического поля и единицах СИ. Эти понятия объясняют физический смысл величин в формуле. Без них вычисление превращается в механическую подстановку.
Закон Ома используют при расчёте простых электрических цепей. Он понадобится при изучении последовательного и параллельного соединений проводников, где меняются общий ток, напряжение и сопротивление.
Формула R = ρl/S связывает закон Ома с удельным сопротивлением вещества и геометрией проводника. Она позволяет заранее оценить сопротивление провода по материалу, длине и площади сечения.
Почему при увеличении напряжения ток возрастает?
Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению заряда. При его увеличении поле сильнее действует на носители заряда, поэтому при неизменном сопротивлении сила тока возрастает прямо пропорционально.
Что означает сопротивление участка цепи?
Сопротивление показывает, насколько участок препятствует движению зарядов. Чем больше сопротивление, тем меньший ток создаёт одно и то же напряжение.
Как из закона Ома найти напряжение или сопротивление?
Из формулы I = U/R получают U = IR и R = U/I. Выбор формулы зависит от того, какую величину требуется найти.
Почему сопротивление длинного провода больше?
В длинном проводе носители заряда проходят больший путь и чаще взаимодействуют с частицами вещества. Поэтому при одинаковом материале и площади сечения сопротивление увеличивается пропорционально длине.
Всегда ли можно применять закон Ома?
Формулу I = U/R применяют к конкретному участку цепи при неизменных условиях, особенно при постоянной температуре. Если сопротивление меняется, например из-за нагревания проводника, это изменение нужно учитывать.
§ 57. Закон Ома для участка цепи
