З Закон Ома для участка цепи

Определения и обозначения

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

Напряжение U — работа электрического поля по перемещению единичного заряда. Единица измерения напряжения — вольт (В). Напряжение показывает, какую энергию получает или теряет каждый кулон заряда.

Электрическое сопротивление R характеризует противодействие проводника электрическому току. Сопротивление измеряют в омах (Ом). Оно помогает оценить, насколько трудно зарядам проходить через данный участок цепи.

Закон Ома для участка цепи: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению участка. Это значит, что ток растёт при увеличении напряжения и уменьшается при увеличении сопротивления. Закон позволяет рассчитывать неизвестную величину по двум известным.

Как это устроено

Электрическое поле действует на свободные заряды внутри проводника и сообщает им направленное движение. Без поля заряды движались бы беспорядочно, поэтому заметного тока не возникало бы. Сопротивление связано со столкновениями движущихся зарядов с частицами вещества: часть энергии передаётся проводнику, а движение зарядов затрудняется.

Если сопротивление участка остаётся постоянным, увеличение напряжения усиливает действие электрического поля. Поэтому за один и тот же промежуток времени через сечение проходит больше заряда, и сила тока возрастает. При увеличении напряжения в два раза ток также увеличивается в два раза, если температура и другие условия не изменились.

Из закона Ома записывают основную формулу I = U/R. Умножив обе части на R, получают U = IR, а разделив равенство U = IR на I, получают R = U/I. В системе СИ эти формулы согласованы так: 1 А = 1 В/1 Ом, поэтому вольты, амперы и омы нельзя бездумно заменять кратными единицами.

Закон Ома применяют к конкретному участку цепи, а не автоматически ко всей схеме. При этом физические условия должны оставаться постоянными, особенно температура проводника. Если проводник нагревается или элемент является нелинейным, его сопротивление меняется, и зависимость между током и напряжением уже не обязана подчиняться простой формуле.

Для графика зависимости напряжения от силы тока откладывают I по горизонтальной оси, а U — по вертикальной. Формула U = IR имеет вид прямой, проходящей через начало координат. Наклон этой прямой определяется сопротивлением: чем оно больше, тем круче линия.

Величины и формулы закона Ома

Чтобы пользоваться таблицей, сначала определите, какая величина неизвестна. Затем выберите формулу с этой величиной и проверьте, что все данные выражены в единицах СИ.

Формула I = U/R применяется, когда известны напряжение и сопротивление. Две остальные записи удобны для нахождения напряжения или сопротивления.

Разбор задач

Задача 1

На участке цепи U = 12 В, R = 6 Ом. Требуется найти силу тока.

1. Неизвестна сила тока, поэтому выбираем I = U/R.
2. Подставляем значения: I = 12 В/6 Ом = 2 А.
3. Единицы уже согласованы, поэтому дополнительный перевод не нужен.

Ответ: I = 2 А.

Задача 2

Сила тока в резисторе равна 250 мА, напряжение — 5 В. Найдём сопротивление.

1. Переводим ток: 250 мА = 0,25 А.
2. Используем формулу R = U/I.
3. Получаем R = 5 В/0,25 А = 20 Ом.

Ответ: сопротивление резистора равно 20 Ом.

Задача 3

Последовательно соединены резисторы 3 Ом и 6 Ом, источник имеет напряжение 18 В. Нужно найти общий ток и напряжение на каждом резисторе.

1. При последовательном соединении сопротивления складываются: R = 3 Ом + 6 Ом = 9 Ом.
2. Ток во всей последовательной цепи одинаков: I = 18 В/9 Ом = 2 А.
3. На первом резисторе U₁ = IR₁ = 2 А · 3 Ом = 6 В, на втором U₂ = IR₂ = 2 А · 6 Ом = 12 В.

Ответ: сила тока равна 2 А; напряжения на резисторах — 6 В и 12 В.

Типичные ошибки

Перепутать I = U/R и I = UR. Ошибка возникает, когда сопротивление принимают за величину, усиливающую ток. Проверьте себя: при постоянном напряжении увеличение сопротивления должно уменьшать ток.

Не перевести единицы. Миллиамперы, килоомы и милливольты нельзя сразу подставлять в формулу вместе с обычными единицами. Перед расчётом замените их на амперы, омы и вольты, а затем оцените порядок ответа.

Взять не тот участок или напряжение. В сложной цепи можно ошибочно применить к резистору напряжение источника. Уточните, для какого участка требуется расчёт, и используйте именно ток и напряжение этого участка.

Считать сопротивление всегда постоянным. У проводника оно может измениться при нагревании, а нелинейные элементы не подчиняются простой пропорциональности. Проверьте, сохраняются ли физические условия и является ли элемент омическим.

Связь с другими темами

Для закона Ома нужны понятия силы тока, напряжения и сопротивления, а также правила последовательного и параллельного соединения проводников. Он позволяет рассчитывать цепи, выбирать резисторы и использовать показания амперметра и вольтметра.

Дальше закон Ома понадобится при изучении электрической мощности, работы тока и закона Джоуля—Ленца. Сравнение с нелинейными элементами покажет, почему их сопротивление нельзя считать постоянным.

Что запомнить

• Закон Ома для участка цепи: I = U/R.
• При постоянном сопротивлении сила тока прямо пропорциональна напряжению.
• При постоянном напряжении сила тока обратно пропорциональна сопротивлению.
• Напряжение измеряют в вольтах, силу тока — в амперах, сопротивление — в омах.
• Сопротивление вычисляют по формуле R = U/I.
• Закон Ома применим при неизменных физических условиях рассматриваемого участка.