"Физика (базовый уровень)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.
Закон Ома связывает три главные величины участка электрической цепи: силу тока, напряжение и сопротивление. Он помогает предсказать, какой ток пойдёт через проводник при заданном напряжении, и находить неизвестные величины в расчётах. При постоянной температуре ток растёт вместе с напряжением и уменьшается при увеличении сопротивления. Главное соотношение — I = U/R; пользоваться им нужно, учитывая условия, при которых сопротивление проводника остаётся неизменным.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сила тока I показывает, какой электрический заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Чем больше заряда проходит за одну секунду, тем сильнее ток; единица силы тока — ампер (А). Эта величина нужна, чтобы описывать движение зарядов в цепи и сравнивать токи в разных проводниках.
Напряжение U на участке цепи — это работа электрического поля по перемещению заряда, отнесённая к величине этого заряда. Иначе говоря, оно показывает, сколько энергии поле передаёт каждому кулону заряда на данном участке. Напряжение измеряют в вольтах (В); оно помогает оценить, насколько сильно поле воздействует на заряды.
Электрическое сопротивление R — характеристика участка цепи, которая показывает, насколько участок препятствует прохождению тока. При одинаковом напряжении через участок с большим сопротивлением проходит меньший ток. Единица сопротивления — ом (Ом), а знание R позволяет рассчитывать ток и сравнивать свойства участков цепи.
Закон Ома для участка цепи формулируется так: сила тока равна напряжению, делённому на сопротивление, то есть I = U/R. Здесь I измеряется в амперах, U — в вольтах, R — в омах. Это соотношение связывает три величины и позволяет, если известны две из них, найти третью.
Поставим опыт: подключим проводник к источнику напряжения, измерим напряжение вольтметром и силу тока амперметром. Затем будем менять напряжение и каждый раз записывать показания, не допуская заметного нагревания проводника. Если температура и другие условия остаются постоянными, увеличение напряжения в два раза приводит к увеличению тока примерно в два раза: поле сильнее перемещает заряды, а проводник сохраняет прежнее сопротивление.
Чтобы определить сопротивление конкретного проводника, измеряют напряжение на нём и проходящий через него ток. Затем напряжение делят на силу тока: R = U/I. Например, если при 6 В ток равен 2 А, сопротивление составляет 3 Ом. Такое вычисление даёт характеристику проводника при данных физических условиях, а не универсальное число для любых температур и состояний.
Закон Ома объясняет, как меняется ток при изменении одной из величин. Если сопротивление постоянно, рост напряжения усиливает действие электрического поля на заряды, поэтому ток увеличивается. Если же напряжение неизменно, большее сопротивление сильнее препятствует движению зарядов, и ток уменьшается; это обратная зависимость, выраженная делением U на R.
График зависимости силы тока от напряжения называют вольт-амперной характеристикой. При постоянном сопротивлении закон Ома задаёт прямую I = U/R, проходящую через начало координат: при U = 0 ток тоже равен нулю. Наклон прямой равен 1/R, поэтому чем больше сопротивление, тем меньше ток при том же напряжении и тем менее крутой график. Для R = 2 Ом график описывается формулой I = U/2.
Любую величину можно выразить из закона Ома: I = U/R, U = IR, R = U/I. Выбирай запись, в которой искомая величина стоит отдельно, а затем подставляй известные значения. Проверка единиц помогает заметить ошибку: В/Ом = А, А·Ом = В, В/А = Ом, поэтому размерность результата должна совпасть с единицей искомой величины.
| Величина или соотношение | Обозначение | Формула или единица | Физический смысл |
|---|---|---|---|
| Сила тока | I | А | Заряд, проходящий через сечение за единицу времени |
| Напряжение | U | В | Работа поля на единицу заряда |
| Сопротивление | R | Ом | Мера препятствия току на участке |
| Закон Ома для участка цепи | I | I = U/R | Связывает ток с напряжением и сопротивлением |
| Выражение сопротивления через напряжение и силу тока | R | R = U/I | Позволяет найти сопротивление по измерениям |
Сначала определи, какая величина дана, а какая требуется: обозначения помогут выбрать нужную строку. Если известны напряжение и сопротивление, используй закон Ома; если нужно сопротивление, раздели напряжение на ток. При подстановке следи, чтобы единицы ответа соответствовали искомой величине.
На участке цепи напряжение равно 6 В, сопротивление — 3 Ом. Нужно найти силу тока. Известны U и R, поэтому используем закон Ома для тока, а не формулу сопротивления.
Ответ: сила тока равна 2 А.
Сила тока в проводнике равна 0,4 А при напряжении 8 В. Требуется определить сопротивление. Поскольку известны U и I, выразим R из закона Ома и проверим единицу полученного значения.
Ответ: сопротивление проводника — 20 Ом.
При напряжении 12 В через резистор идёт ток 0,5 А. Напряжение уменьшают до 6 В, сопротивление оставляют прежним. Сначала найдём сопротивление резистора: без этого нельзя подставить новое напряжение в закон Ома и вычислить новый ток.
Ответ: сила тока уменьшится до 0,25 А, то есть в два раза.
Формулу R = U/I иногда принимают за закон Ома для силы тока, потому что в ней тоже есть все три величины. Ошибка возникает, если не заметить, что именно требуется найти: эта запись вычисляет сопротивление, а не ток. Перед подстановкой выдели искомую величину и выбери формулу, где она выражена отдельно.
Деление сопротивления на напряжение вместо U/R меняет и результат, и его единицы. Так поступают, когда механически переставляют буквы, не проверяя смысл соотношения. Для силы тока раздели вольты на омы и проверь, что В/Ом даёт амперы; Ом/В амперами не является.
Можно ошибочно решить, что при увеличении сопротивления ток увеличится. Обычно это происходит из-за смешения прямой зависимости тока от напряжения с обратной зависимостью от сопротивления. Зафиксируй, что именно не меняется: при постоянном U рост R уменьшает I, что видно и из формулы I = U/R.
Нельзя без оговорок применять закон для проводника, если его условия изменились. Например, при нагревании сопротивление может измениться, поэтому ток уже нельзя предсказывать, считая R прежним. Уточни, сохраняется ли температура, и при необходимости используй сопротивление, соответствующее новым условиям.
Чтобы применять закон Ома, нужно знать, что называют силой тока и напряжением, и уметь пользоваться единицами ампер и вольт. Затем к этим понятиям добавляется сопротивление, которое связывает напряжение с током на конкретном участке цепи. Закон Ома понадобится при расчёте электрических цепей, в том числе при изучении последовательного и параллельного соединений проводников. В таких задачах его используют вместе с правилами нахождения общего сопротивления и распределения тока и напряжения.
Почему при увеличении напряжения сила тока возрастает?
Напряжение характеризует работу электрического поля по перемещению заряда. При неизменном сопротивлении большее напряжение создаёт больший ток: согласно закону Ома I = U/R, сила тока прямо пропорциональна напряжению.
Как из закона Ома найти сопротивление?
Запиши закон Ома I = U/R и вырази из него сопротивление: R = U/I. Напряжение нужно разделить на силу тока; результат измеряется в омах.
Что произойдёт с током, если увеличить сопротивление участка?
Если напряжение не меняется, сила тока уменьшится. По формуле I = U/R ток обратно пропорционален сопротивлению.
В каких единицах измеряются сила тока, напряжение и сопротивление?
Силу тока измеряют в амперах (А), напряжение — в вольтах (В), сопротивление — в омах (Ом). Эти единицы согласованы в законе Ома: 1 В/Ом = 1 А.
Всегда ли закон Ома можно применять к проводнику?
Для проводника закон Ома применяют при неизменных физических условиях, в частности при постоянной температуре. Если условия меняются, может измениться сопротивление, и прежнее соотношение между током и напряжением уже не будет описывать проводник с тем же R.
§ 30. Закон Ома для участка цепи
