§ 47. Зависимость силы тока от напряжения. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводника

Определения и обозначения

Сила тока — физическая величина, равная заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за единицу времени. Её обозначают буквой I и измеряют в амперах (А). Эта величина показывает, насколько интенсивно движутся электрические заряды по цепи.

Напряжение — физическая величина, характеризующая работу электрического поля по перемещению единичного заряда между двумя точками. Напряжение обозначают буквой U и измеряют в вольтах (В). Оно показывает, какая причина заставляет заряды двигаться по проводнику.

Сопротивление проводника — физическая величина, характеризующая противодействие проводника движению зарядов. Его обозначают буквой R и измеряют в омах (Ом). Чем больше сопротивление при том же напряжении, тем меньше сила тока в проводнике.

Закон Ома для участка цепи выражается формулой I = U/R. Из неё можно получить формулы U = IR и R = U/I, если требуется найти напряжение или сопротивление. Закон позволяет связать измеряемые величины и рассчитать неизвестную характеристику участка цепи.

Как это устроено

В металлическом проводнике есть свободные электроны, которые могут перемещаться между атомами. При подключении источника напряжения внутри проводника возникает электрическое поле, и беспорядочное движение электронов получает направленную составляющую. Чем сильнее поле, тем заметнее направленное движение зарядов, поэтому при постоянном сопротивлении ток возрастает вместе с напряжением.

Прямая пропорциональность означает, что отношение U/I остаётся постоянным для данного проводника при неизменных условиях. Если напряжение увеличить в два раза, через проводник за то же время пройдёт в два раза больший заряд, поэтому сила тока тоже удвоится. На графике зависимости I от U такая связь изображается прямой линией, проходящей через начало координат.

Проводник не пропускает заряды совершенно свободно: электроны сталкиваются с частицами вещества и теряют часть направленного движения. Это проявляется как сопротивление. Если сопротивление увеличить, при том же напряжении ток уменьшится, потому что движению зарядов будет противодействовать более сильнее препятствие.

Сопротивление зависит от материала, длины и площади поперечного сечения проводника. Длинный проводник обычно имеет большее сопротивление, поскольку зарядам приходится проходить больший путь с большим числом столкновений. Толстый проводник сопротивляется слабее, так как в его поперечном сечении одновременно могут двигаться заряды по большему числу путей.

Закон Ома применяют к участку цепи, когда известны напряжение именно на этом участке и его сопротивление. Амперметр включают последовательно, чтобы ток всего участка проходил через прибор. Вольтметр подключают параллельно, чтобы сравнить электрические потенциалы двух концов нужного участка.

Величины в законе Ома

Сначала определите, какую величину нужно найти, а затем выберите формулу из соответствующей строки. После этого проверьте, что известные значения выражены в согласованных единицах. Таблица особенно полезна при решении задач, где требуется быстро преобразовать закон Ома.

Разбор задач

Задача 1

К резистору сопротивлением 20 Ом приложено напряжение 12 В. Нужно определить силу тока в резисторе. Сопротивление уже задано в омах, а напряжение — в вольтах, поэтому дополнительные переводы единиц не нужны.

1. Записываем данные: R = 20 Ом, U = 12 В.
2. Выбираем закон Ома для нахождения силы тока: I = U/R.
3. Подставляем значения: I = 12 В / 20 Ом.
4. Выполняем деление: I = 0,6 А.
5. Проверяем результат: при напряжении 12 В и сопротивлении 20 Ом ток меньше 1 А, что согласуется с формулой.

Ответ: сила тока в резисторе равна 0,6 А.

Задача 2

Сила тока на участке цепи равна 0,25 А, а напряжение — 6 В. Требуется найти сопротивление участка. Здесь неизвестно R, поэтому удобнее использовать преобразованную формулу R = U/I.

1. Записываем данные: I = 0,25 А, U = 6 В.
2. Подставляем их в формулу сопротивления: R = 6 В / 0,25 А.
3. Получаем R = 24 Ом.
4. Проверяем вычисление обратной подстановкой: 24 Ом · 0,25 А = 6 В.

Ответ: сопротивление участка равно 24 Ом. Обратная проверка помогает обнаружить ошибку в делении или неправильный выбор формулы.

Типичные ошибки

Ошибка: перепутать формулы и разделить величины не в том порядке. Её допускают, когда запоминают только набор букв, но не понимают связь между ними. Проверьте себя: если сопротивление увеличить, ток при том же напряжении должен уменьшиться, поэтому в формуле I сопротивление стоит в знаменателе.

Ошибка: смешать единицы измерения. Например, подставить напряжение в милливольтах, а ожидать ответ в амперах без перевода единиц. Перед вычислением приведите данные к вольтам, амперам и омам, а затем оцените, разумен ли порядок результата.

Ошибка: неправильно подключить измерительный прибор. Амперметр иногда соединяют параллельно, а вольтметр — последовательно, потому что ориентируются только на название прибора. Запомните правило: амперметр включают последовательно, вольтметр — параллельно участку.

Связь с другими темами

Закон Ома связан с электрическими цепями и их схемами: по схеме можно определить, к какому участку относится указанное напряжение и сопротивление. Он также используется при изучении последовательного и параллельного соединения проводников, где рассчитывают общее сопротивление и токи в ветвях.

Сопротивление связано со строением вещества и нагреванием проводников. При прохождении тока электрическая энергия может превращаться во внутреннюю энергию, поэтому закон Ома помогает объяснять работу нагревателей, ламп и других электрических приборов.

Что запомнить

• Сила тока I измеряется в амперах, напряжение U — в вольтах, сопротивление R — в омах.
• Закон Ома для участка цепи: I = U/R.
• Из закона Ома следуют формулы U = IR и R = U/I.
• При постоянном сопротивлении сила тока прямо пропорциональна напряжению.
• При постоянном напряжении сила тока обратно пропорциональна сопротивлению.
• Амперметр подключают последовательно, а вольтметр — параллельно.