"Физика (базовый уровень)", Касьянов В.А.
Закон Ома описывает, как связаны сила тока, напряжение и сопротивление на однородном участке цепи. Он помогает предсказать, какой ток потечёт через проводник при заданном напряжении, и рассчитывать неизвестные величины в электрических цепях. При неизменных свойствах проводника ток растёт вместе с напряжением, но уменьшается при увеличении сопротивления. Основная формула — I = U/R.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электрический ток I — упорядоченное движение заряженных частиц. Его сила показывает, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени, а измеряют её в амперах (А). Это обозначение помогает описывать интенсивность переноса заряда в цепи.
Напряжение U на участке цепи — отношение работы электрического поля при переносе заряда к величине этого заряда. Единица напряжения — вольт (В). Напряжение показывает, какую работу поле совершает при перемещении каждого кулона заряда между концами участка.
Сопротивление R — физическая величина, характеризующая противодействие проводника электрическому току. Его измеряют в омах (Ом). Сопротивление нужно учитывать, чтобы понять, насколько свободно заряженные частицы могут двигаться по проводнику.
Закон Ома для однородного участка цепи устанавливает зависимость силы тока от напряжения и сопротивления: I = U/R. Здесь I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление того же участка. Формула позволяет вычислить любую из этих величин, если известны две остальные.
При неизменных свойствах проводника увеличение напряжения усиливает электрическое поле внутри него. Поле действует на заряженные частицы и направляет их движение, поэтому за то же время через сечение проходит больший заряд. Так возникает прямая пропорциональность: если напряжение увеличить в несколько раз, сила тока возрастёт во столько же раз, пока сопротивление остаётся постоянным.
Сопротивление показывает, насколько проводник ограничивает ток. При одном и том же напряжении большему сопротивлению соответствует меньший ток: движение зарядов становится менее интенсивным. Это обратная зависимость выражена делением U на R в формуле закона Ома, а не умножением на сопротивление.
Формула I = U/R связывает три величины, относящиеся к одному и тому же однородному участку. Если неизвестен ток, используют запись I = U/R; если напряжение — преобразуют её к U = IR; если сопротивление — к R = U/I. Перед подстановкой полезно определить, какая величина известна и какую требуется найти, чтобы выбрать подходящую форму записи.
Единицы измерения подтверждают согласованность формулы: сопротивление равно отношению напряжения к силе тока. Поэтому 1 Ом = 1 В/А: проводник имеет сопротивление один ом, если при напряжении один вольт через него течёт ток один ампер. Проверка единиц помогает заметить, например, что выражение R/U не может дать силу тока.
Закон Ома в таком виде применяют, когда температура и другие физические условия проводника остаются неизменными. При нагревании свойства материала могут измениться, а вместе с ними — сопротивление. Тогда нельзя считать R постоянным и безоговорочно использовать прежнюю зависимость тока от напряжения.
График показывает, как меняется сила тока при изменении напряжения, если сопротивление постоянно. Для прямой линии через начало координат рост U сопровождается пропорциональным ростом I. На приведённом графике сопротивление равно 2 Ом, поэтому при напряжениях 2, 4 и 6 В ток составляет соответственно 1, 2 и 3 А.
| Величина | Обозначение | Единица СИ | Связь с остальными величинами |
|---|---|---|---|
| Сила тока | I | ампер (А) | I = U/R |
| Напряжение | U | вольт (В) | U = IR |
| Сопротивление | R | ом (Ом) | R = U/I |
Найдите в таблице обозначение и единицу той величины, которую требуется вычислить. Затем выберите связь, где эта величина выражена через две другие. Перед расчётом проверьте, что данные записаны в единицах СИ.
Задача 1. Напряжение на резисторе 6 В, сопротивление 3 Ом. Найдите силу тока. Сопротивление дано в омах, напряжение — в вольтах, поэтому можно сразу использовать единицы СИ. Искомая величина — I, значит, удобно применить запись I = U/R.
Ответ: сила тока равна 2 А. Проверка: при сопротивлении 3 Ом ток 2 А создаёт напряжение 6 В, поскольку U = IR.
Задача 2. По проводнику течёт ток 0,4 А при напряжении 12 В. Определите сопротивление проводника. Здесь известны U и I, а найти нужно R. Выражаем сопротивление из закона Ома: R = U/I.
Ответ: сопротивление проводника равно 30 Ом. Результат разумен: при токе меньше одного ампера для такого проводника требуется напряжение 12 В.
Задача 3. На участке цепи сопротивлением 8 Ом сила тока равна 0,25 А. Какое напряжение нужно приложить, чтобы ток стал 0,5 А, если условия не меняются? Условия неизменны, поэтому сопротивление участка остаётся равным 8 Ом. Для нового тока вычислим новое напряжение по формуле U = IR.
Ответ: нужно приложить напряжение 4 В. Ток увеличился в два раза по сравнению с 0,25 А, поэтому при прежнем сопротивлении во столько же раз должно возрасти и напряжение.
Ошибка: записать I = R/U вместо I = U/R. Обычно так путают положение напряжения и сопротивления в формуле. Проверьте единицы: В/Ом даёт амперы, а Ом/В — нет.
Ошибка: подставить величины в разных единицах, например оставить ток в миллиамперах. Это приводит к неверному численному результату, потому что приставка «милли» означает одну тысячную. Сначала переведите значения в амперы, вольты и омы, а затем выполните расчёт.
Ошибка: решить, что при увеличении сопротивления ток тоже увеличивается. Такое заключение может появиться из-за невнимательного чтения формулы или смешения прямой и обратной зависимостей. Если напряжение постоянно, проверьте выражение I = U/R: увеличение R уменьшает частное и, следовательно, ток.
Ошибка: применять закон, считая сопротивление прежним, хотя температура проводника изменилась. Нагревание способно изменить его физические свойства и сопротивление. Проверьте условие задачи: если температура меняется, нельзя использовать постоянное R без дополнительного обоснования.
Для изучения закона Ома нужны понятия силы тока, напряжения и электрической цепи, а также их единицы измерения. Понятие сопротивления объясняет, почему одинаковое напряжение может создавать разные токи в разных проводниках. Закон Ома помогает рассчитывать простые цепи и применяется при изучении последовательного и параллельного соединения проводников. Он также нужен при рассмотрении электрической мощности, связанной с работой тока.
Что называют однородным участком электрической цепи?
Это участок цепи, в котором нет источника тока. Для него рассматривают напряжение между концами участка, силу тока и сопротивление проводника.
Почему при увеличении напряжения сила тока возрастает?
При неизменных свойствах проводника большее напряжение создаёт более сильное электрическое поле внутри него. Поле сильнее воздействует на заряженные частицы, поэтому упорядоченное движение частиц становится интенсивнее и ток увеличивается.
Как изменится сила тока, если сопротивление увеличить в два раза?
При постоянном напряжении сила тока уменьшится в два раза. Это следует из формулы I = U/R: ток обратно пропорционален сопротивлению.
В каких единицах нужно подставлять величины в закон Ома?
В расчётах используют единицы СИ: напряжение — в вольтах, сопротивление — в омах, силу тока — в амперах. Если значение дано, например, в миллиамперах, перед вычислением его нужно перевести в амперы.
Можно ли применять закон Ома, если температура проводника меняется?
Применять простую формулу I = U/R как зависимость при постоянном сопротивлении в таком случае нельзя. Температура влияет на сопротивление, поэтому при её изменении нужно учитывать, что R тоже может измениться.
§ 4. Закон Ома для однородного проводника (участка цепи)
