Меню

Зависимость силы тока от сопротивления при постоянном напряжении закон ома для участка цепи



Закон Ома для участка цепи простым языком

Вся прикладная электротехника базируется на одном догмате — это закон Ома для участка цепи. Без понимания принципа этого закона невозможно приступать к практике, поскольку это приводит к многочисленным ошибкам. Имеет смысл освежить эти знания, в статье мы напомним трактовку закона, составленного Омом, для однородного и неоднородного участка и полной цепи.

Диаграмма, упрощающая запоминание

Диаграмма, упрощающая запоминание

Классическая формулировка

Этот простой вариант трактовки, известный нам со школы.

Однородный открытый участок электроцепи

Однородный открытый участок электроцепи

Формула в интегральной форме будет иметь следующий вид:

Формула в интегральной форме

Формула в интегральной форме

То есть, поднимая напряжение, мы тем самым увеличиваем ток. В то время, как увеличение такого параметра, как «R», ведет к снижению «I». Естественно, что на рисунке сопротивление цепи показано одним элементом, хотя это может быть последовательное, параллельное (вплоть до произвольного)соединение нескольких проводников.

В дифференциальной форме закон мы приводить не будем, поскольку в таком виде он применяется, как правило, только в физике.

Принятые единицы измерения

Необходимо учитывать, что все расчеты должны проводиться в следующих единицах измерения:

  • напряжение – в вольтах;
  • ток в амперах
  • сопротивление в омах.

Если вам встречаются другие величины, то их необходимо будет перевести к общепринятым.

Формулировка для полной цепи

Трактовка для полной цепи будет несколько иной, чем для участка, поскольку в законе, составленном Омом, еще учитывает параметр «r», это сопротивление источника ЭДС. На рисунке ниже проиллюстрирована подобная схема.

Схема с подключенным с источником

Схема с подключенным с источником

Учитывая «r» ЭДС, формула предстанет в следующем виде:

Учитывая «r» ЭДС

Заметим, если «R» сделать равным 0, то появляется возможность рассчитать «I», возникающий во время короткого замыкания.

Напряжение будет меньше ЭДС, определить его можно по формуле:

Напряжение будет меньше ЭДС

Собственно, падение напряжения характеризуется параметром «I*r». Это свойство характерно многим гальваническим источникам питания.

Неоднородный участок цепи постоянного тока

Под таким типом подразумевается участок, где помимо электрического заряда производится воздействие других сил. Изображение такого участка показано на рисунке ниже.

Схема неоднородного участка

Схема неоднородного участка

Формула для такого участка (обобщенный закон) будет иметь следующий вид:

Формула для неоднородного участка цепи

Формула для неоднородного участка цепи

Переменный ток

Если в схема, подключенная к переменному току снабжена емкостью и/или индуктивностью (катушкой), расчет производится с учетом величин их реактивных сопротивлений. Упрощенный вид закона будет выглядеть следующим образом:

Упрощенный вид закона

Где «Z» представляет собой импеданс, это комплексная величина, состоящая из активного (R) и пассивного (Х) сопротивлений.

Практическое использование

Видео: Закон Ома для участка цепи — практика расчета цепей.

Собственно, к любому участку цепи можно применить этот закон. Пример приведен на рисунке.

Применяем закон к любому участку цепи

Применяем закон к любому участку цепи

Используя такой план, можно вычислить все необходимые характеристики для неразветвленного участка. Рассмотрим более детальные примеры.
Находим силу тока
Рассмотрим теперь более определенный пример, допустим, возникла необходимость узнать ток, протекающий через лампу накаливания. Условия:

  • Напряжение – 220 В;
  • R нити накала – 500 Ом.

Решение задачи будет выглядеть следующим образом: 220В/500Ом=0,44 А.

Рассмотрим еще одну задачу со следующими условиями:

  • R=0,2 МОм;
  • U=400 В.

В этом случае, в первую очередь, потребуется выполнить преобразование: 0,2 МОм = 200000 Ом,после чего можно приступать к решению: 400 В/200000 Ом=0,002 А (2 мА).
Вычисление напряжения
Для решения мы также воспользуемся законом, составленным Омом. Итак задача:

  • R=20 кОм;
  • I=10 мА.

Преобразуем исходные данные:

  • 20 кОм = 20000 Ом;
  • 10 мА=0,01 А.

Решение: 20000 Ом х 0,01 А = 200 В.

Незабываем преобразовывать значения, поскольку довольно часто ток может быть указан в миллиамперах.

Сопротивление.

Несмотря на то, что общий вид способа для расчета параметра «R» напоминает нахождение значения «I», между этими вариантами существуют принципиальные различия. Если ток может меняться в зависимости от двух других параметров, то R (на практике) имеет постоянное значение. То есть по своей сути оно представляется в виде неизменной константы.

Если через два разных участка проходит одинаковый ток (I), в то время как приложенное напряжение (U) различается, то, опираясь на рассматриваемый нами закон, можно с уверенностью сказать, что там где низкое напряжение «R» будет наименьшим.

Рассмотрим случай когда разные токи и одинаковое напряжение на несвязанных между собой участках. Согласно закону, составленному Омом, большая сила тока будет характерна небольшому параметру «R».

Рассмотрим несколько примеров.

Допустим, имеется цепь, к которой подведено напряжение U=50 В, а потребляемый ток I=100 мА. Чтобы найти недостающий параметр, следует 50 В / 0,1 А (100 мА), в итоге решением будет – 500 Ом.

Вольтамперная характеристика позволяет наглядно продемонстрировать пропорциональную (линейную) зависимость закона. На рисунке ниже составлен график для участка с сопротивлением равным одному Ому (почти как математическое представление закона Ома).

Изображение вольт-амперной характеристики, где R=1 Ом

Изображение вольтамперной характеристики

Изображение вольт-амперной характеристики

Вертикальная ось графика отображает ток I (A), горизонтальная – напряжение U(В). Сам график представлен в виде прямой линии, которая наглядно отображает зависимость от сопротивления, которое остается неизменным. Например, при 12 В и 12 А «R» будет равно одному Ому (12 В/12 А).

Обратите внимание, что на приведенной вольтамперной характеристике отображены только положительные значения. Это указывает, что цепь рассчитана на протекание тока в одном направлении. Там где допускается обратное направление, график будет продолжен на отрицательные значения.

Заметим, что оборудование, вольт-амперная характеристика которого отображена в виде прямой линии, именуется — линейным. Этот же термин используется для обозначения и других параметров.

Читайте также:  С каким током работал тесла

Помимо линейного оборудования, есть различные приборы, параметр «R» которых может меняться в зависимости от силы тока или приложенного напряжения. В этом случая для расчета зависимости нельзя использовать закон Ома. Оборудование такого типа называется нелинейным, соответственно, его вольт-амперные характеристики не будут отображены в виде прямых линий.

Вывод

Как уже упоминалось в начале статьи, вся прикладная электротехника базируется на законе, составленном Омом. Незнание этого базового догмата может привести к неправильному расчету, который, в свою очередь, станет причиной аварии.

Подготовка электриков как специалистов начинается с изучения теоретических основ электротехники. И первое, что они должны запомнить – это закон составленный Омом, поскольку на его основе производятся практически все расчеты параметров электрических цепей различного назначения.

Понимание основного закона электротехники поможет лучше разбираться в работе электрооборудования и его основных компонентов. Это положительно отразится на техническом обслуживании в процессе эксплуатации.

Самостоятельная проверка, разработка, а также опытное изучение узлов оборудования – все это существенно упрощается, если использовать закон Ома для участка цепи. При этом не требуется проводить всех измерений, достаточно снять некоторые параметры и, проведя несложные расчеты, получить необходимые значения.

Источник

Зависимость силы тока от сопротивления при постоянном напряжении закон ома для участка цепи

«Физика — 10 класс»

Что заставляет заряды двигаться вдоль проводника?
Как электрическое поле действует на заряды?

Вольт-амперная характеристика.

В предыдущем параграфе говорилось, что для существования тока в проводнике необходимо создать разность потенциалов на его концах. Сила тока в проводнике определяется этой разностью потенциалов. Чем больше разность потенциалов, тем больше напряжённость электрического поля в проводнике и, следовательно, тем большую скорость направленного движения приобретают заряженные частицы. Это означает увеличение силы тока.

Для каждого проводника — твёрдого, жидкого и газообразного — существует определённая зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника.

Зависимость силы тока в проводнике от напряжения, подаваемого на него, называют вольт-амперной характеристикой проводника.

Её находят, измеряя силу тока в проводнике при различных значениях напряжения. Знание вольт-амперной характеристики играет большую роль при изучении электрического тока.

Закон Ома.

Наиболее простой вид имеет вольт- амперная характеристика металлических проводников и растворов электролитов. Впервые (для металлов) её установил немецкий учёный Георг Ом, поэтому зависимость силы тока от напряжения носит название закона Ома.

На участке цепи, изображённой на рисунке 15.3, ток направлен от точки 1 к точке 2. Разность потенциалов (напряжение) на концах проводника равна U = φ1 — φ2. Так как ток направлен слева направо, то напряжённость электрического поля направлена в ту же сторону и φ1 > φ2.

Измеряя силу тока амперметром, а напряжение вольтметром, можно убедиться в том, что сила тока прямо пропорциональна напряжению.

Закон Ома для участка цепи:

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенному к нему напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка R.

Применение обычных приборов для измерения напряжения — вольтметров — основано на законе Ома. Принцип устройства вольтметра такой же, как и у амперметра. Угол поворота стрелки прибора пропорционален силе тока.

Сила тока, проходящего по вольтметру, определяется напряжением между точками цепи, к которой он подключён. Поэтому, зная сопротивление вольтметра, можно по силе тока определить напряжение. На практике прибор градуируют так, чтобы он сразу показывал напряжение в вольтах.

Сопротивление.

Основная электрическая характеристика проводника — сопротивление. От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении.

Свойство проводника ограничивать силу тока в цепи, т. е. противодействовать электрическому току, называют электрическим сопротивлением проводника.

С помощью закона Ома (15.3) можно определить сопротивление проводника:

Для этого нужно измерить напряжение на концах проводника и силу тока в нём.

На рисунке 15.4 приведены графики вольт-амперных характеристик двух проводников. Очевидно, что сопротивление проводника, которому соответствует график 2, больше, чем сопротивление проводника, которому соответствует график 1.

Сопротивление проводника не зависит от напряжения и силы тока.

Сопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров.

Сопротивление проводника длиной l с постоянной площадью поперечного сечения S равно:

где ρ — величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от температуры в первую очередь).

Величину ρ называют удельным сопротивлением проводника.

Удельное сопротивление материала численно равно сопротивлению проводника из этого материала длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 .

Единицу сопротивления проводника устанавливают на основе закона Ома и называют её омом.

Проводник имеет сопротивление 1 Ом, если при разности потенциалов 1 В сила тока в нём 1 А.

Единицей удельного сопротивления является 1 Ом • м. Удельное сопротивление металлов мало. А вот диэлектрики обладают очень большим удельным сопротивлением. Например, удельное сопротивление серебра 1,59 • 10 -8 Ом • м, а стекла порядка 10 10 Ом • м. В справочных таблицах приводятся значения удельного сопротивления некоторых веществ.

Значение закона Ома.

Из закона Ома следует, что при заданном напряжении сила тока на участке цепи тем больше, чем меньше сопротивление этого участка. Если по какой-то причине (нарушение изоляции близко расположенных проводов, неосторожные действия при работе с электропроводкой и пр.) сопротивление между двумя точками, находящимися под напряжением, оказывается очень малым, то сила тока резко возрастает (возникает короткое замыкание), что может привести к выходу из строя электроприборов и даже возникновению пожара.

Читайте также:  Понятие магнитного поля взаимодействия с током

Именно из-за закона Ома нельзя говорить, что чем выше напряжение, тем оно опаснее для человека. Сопротивление человеческого тела может сильно изменяться в зависимости от условий (влажности, температуры окружающей среды, внутреннего состояния человека), поэтому даже напряжение 10—20 В может оказаться опасным для здоровья и жизни человека. Следовательно, всегда необходимо учитывать не только напряжение, но и силу электрического тока. При работе в физической лаборатории нужно строго соблюдать правила техники безопасности!

Закон Ома — основа расчётов электрических цепей в электротехнике.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Законы постоянного тока — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Источник

Урок физики в 8-м классе по теме «Зависимость силы тока от напряжения. Закон Ома для участка цепи»

Разделы: Физика

Тема урока: Зависимость силы тока от напряжения. Закон Ома для участка цепи.

Цель урока: Установить зависимость между силой тока, напряжением на однородном участке электрической цепи и сопротивлением этого участка.

Задачи урока:

  • Выяснить, что сила тока в участке цепи обратно пропорциональна его сопротивлению, если при этом напряжение остается постоянным
  • выяснить, что сила тока прямо пропорциональна напряжению на концах проводника, если при этом сопротивление не меняется.
  • научиться применять закон Ома для участка цепи при решении задач.
  • научиться определять силу тока, напряжение по графику зависимости между этими величинами, а также сопротивление.

Оборудование: Экран, демонстрационные амперметр и вольтметр, источник тока, ключ, соединительные провода, демонстрационный магазин сопротивлений, ТСО, портреты ученых.

План урока

  1. Организационный момент.
  2. целью подготовки к восприятию нового материала.
  3. Изучение нового материала.
  4. Закрепление знаний, умений и навыков.
  5. Домашнее задание.
  6. Подведение итогов урока.

1. Организационный момент

Учитель: По словам русского поэта ХIХ века Якова Петровича Полонского,

Царство науки не знает предела –
Всюду следы ее вечных побед,
Разума слово и дело,
Сила и свет.

Эти слова по праву можно отнести к теме, которую мы сейчас изучаем — электрические явления. Они подарили нам много открытий, осветивших нашу жизнь в прямом и переносном смысле. А сколько еще неопознанного вокруг! Какое поле деятельности для пытливого ума, умелых рук и любознательной натуры. Так что запускайте свой «вечный двигатель», и вперед!
Вспомним, что изучая тему «Электрические явления», вы узнали основные величины, характеризующие электрические цепи.

2. Актуализация знаний учащихся

Учитель: В начале, пожалуйста, перечислим основные величины, характеризующие электрические цепи.

Ученики: Сила тока, напряжение и сопротивление.

Учитель: А теперь, дайте небольшую характеристику каждой из этих величин, по следующему плану:

  1. Название величины.
  2. Что характеризует данная величина?
  3. По какой формуле находится?
  4. В каких единицах измеряется?
  5. Каким прибором измеряется или изменяется?

Ученики:
Сила тока – характеризует электрический ток в проводнике.
– формула для нахождения силы тока, где q-заряд, проходящий через поперечное сечение проводника, t-время прохождения заряда. Единица измерения – ампер. Измеряется сила тока – амперметром.
Напряжение-величина, которая характеризует электрическое поле.
– формула для нахождения напряжения, где А- работа по переносу заряда через поперечное сечение проводника, q-заряд. Единица измерения – вольт. Напряжение измеряется вольтметром.
Сопротивление характеризует сам проводник, обозначается – R, единица измерения 1Ом.

Учитель: на доске заполняем таблицу 1:

Источник

Закон Ома для участка цепи. Сопротивление

Урок 52. Физика 10 класс ФГОС

Доступ к видеоуроку ограничен

Конспект урока «Закон Ома для участка цепи. Сопротивление»

На прошлом уроке мы с вами говорили об электрическом токе и его действиях. Очевидно, что различные действия тока зависят от силы протекающего тока. Напомним, что силой тока мы с вами назвали физическую величину, численно равную заряду, прошедшему через поперечное сечение проводника за единицу времени.

Таким образом, регулировать действия тока можно изменяя силу тока. Но для того чтобы получить возможность управлять током в цепи, нужно знать, от чего и как он зависит. Для установления этой зависимости возьмём резистор, который подключим в цепь с источником тока, выходное напряжение между клеммами которого можно регулировать. С помощью последовательно включённого амперметра и параллельно резистору вольтметра будем измерять силу тока и напряжение на спирали резистора.

Меняя выходное напряжение в целое число раз, мы заметим, что изменяется и ток в цепи, и напряжение на концах проводника. При этом во сколько раз увеличивается напряжение на концах данного проводника, во столько же раз увеличивается и ток в нём.

Если взять другой проводник и повторить с ним те же самые опыты, то мы увидим, что ток и в этом проводнике строго пропорционален напряжению на концах проводника.

Обозначая напряжение на концах проводника через U, а ток — через I, можно записать, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению:

I = GU.

В этой формуле величина G зависит от свойств проводника: чем больше G тем больше и ток в проводнике при одном и том же напряжении. Но для данного проводника при всех значениях тока и напряжения величина этого коэффициента остаётся постоянной и равной отношению силы тока к напряжению (при условии, что температура проводника не меняется):

Следовательно, данная величина характеризует свойство данного проводника. Её назвали электропроводностью или просто проводимостью проводника. Единица электропроводности в Си названа сименсом (См), в честь немецкого учёного и предпринимателя Вернера фон Сименса.

Читайте также:  Таблица схемы генератора постоянного тока

Величина, обратная проводимости, называется сопротивлением проводника.

Давайте вспомним, что электрическое сопротивление — это скалярная физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока в нём.

Выражая в предыдущей формуле проводимость через сопротивление, получаем, что сила тока в данном участке цепи, прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Этот закон впервые был открыт в тысяча восемьсот двадцать шестом (1826) году немецким учёным Генри Омом и называется законом Ома для участка цепи.

Как и всякую закономерность, закон Ома можно представить графически в виде так называемой вольт-амперной характеристики проводника, то есть зависимости силы тока в проводнике от напряжения на его концах.

Как видим, график подтверждает прямую пропорциональную зависимость силы тока в проводнике от приложенного к нему напряжения.

Зная величину напряжения на концах проводника и ток в нём, по закону Ома можно вычислить сопротивление проводника, как отношение напряжения на концах проводника к силе тока в проводнике:

Из этой формулы можно вывести единицу сопротивления. Итак, за единицу сопротивления принимают сопротивление такого проводника, по которому проходит ток 1 А при напряжении на концах проводника 1 В. Эта единица сопротивления называется омом.

Для измерения сопротивления проводников необходимо было прежде всего выбрать образец, или, как принято называть, эталон сопротивления. В 1860 году Вернер Сименс предложил в качестве эталона ома принять сопротивление столбика ртути длиной 106,3 см, имеющего по всей длине постоянное сечение, равное 1 мм 2 , при температуре таяния льда.

В 1908 году Международный съезд электриков в Лондоне одобрил этот эталон и назвал его международным омом.

Стандарт ртутного столба применялся вплоть до 1948 года. В этом году на Генеральной конференции по мерам и весам ом был переопределён в абсолютном выражении, а не как стандарт эталона.

Следует отметить, что один ом — это достаточно маленькое сопротивление. Даже у спиралей обычных электроламп оно составляет сотни ом. Поэтому часто сопротивление выражают в килоомах (1 кОм = 10 3 Ом) и мегаомах (1 МОм = 10 6 Ом).

Набор образцовых сопротивлений, с которыми можно сравнивать измеряемые сопротивления, называется магазином сопротивлений. На рисунке вы видите устройство такого прибора.

В его верхней части имеется группа металлических пластин, которые можно соединять друг с другом вставляемыми между ними штырями. К пластинам подключены металлические спирали с определёнными сопротивлениями. Если прибор включён в цепь крайними клеммами и штыри между пластинами вынуты, то ток идёт последовательно через все спиральки. Вынимая тот или иной штырь или группу штырей, мы можем при помощи магазина получить различные сопротивления в зависимости от величины сопротивления спиралей, имеющихся в магазине.

Исходя из определения сопротивления кажется, что оно зависит от силы тока и напряжения. Однако это не так. Чтобы понять от чего зависит сопротивление проведём несколько простых опытов с панелью сопротивлений.

Итак, включим в цепь источника тока половинку верхнего провода и измерим амперметром ток в цепи. Теперь подключим весь провод. Мы замечаем, что ток в цепи становится слабее. Причём слабее почти в два раза. Если взять более толстую проволоку (в нашем случае — это два верхних провода, сложенных вместе), то, как видим, ток в цепи становится в два раза сильнее. Наконец подключим самую нижнюю проволоку, изготовленную из железа, размеры которой такие же, что и у самой верхней проволоки. Легко заметить, что при одном и том же напряжении по железной проволоке идёт значительно меньший ток. Следовательно, проводники одинаковых размеров, но изготовленные из различных материалов, обладают неодинаковым сопротивлением.

Обобщив результаты наших опытов, мы можем утверждать, что: сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, обратно пропорционально площади поперечного сечения и зависит от вещества, из которого этот проводник изготовлен.

Сопротивление проводника зависит также от его температуры (но об этом в следующий раз).

Величина, обозначенная греческой буквой ρ, характеризует электрические свойства проводника. Она называется удельным сопротивлением проводника. Её численное значение зависит от единиц, в которых измерена длина и сечение проводника. В системе СИ единицей удельного сопротивления служит ом-метр, (Ом ∙ м).

Таким образом, удельное сопротивление проводника — скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению однородного цилиндрического проводника, изготовленного из данного вещества и имеющего длину 1 м и площадь поперечного сечения 1 м 2 (или сопротивлению куба с ребром 1 м).

В приводимой таблице указаны удельные сопротив­ления проводников для некоторых веществ при температуре 20 °С.

Наименьшим удельным сопротивлением, как видно из таб­лицы, обладают химически чистые серебро и медь. Металлические сплавы имеют значительно большее удельное сопротивление, чем чистые металлы, из которых состоят эти сплавы. А удельные сопротивления диэлектриков просто огромны.

В настоящее время большое применение в технике находят твёрдые вещества, механизм электрической проводимости у которых иной, чем у металлов, электролитов и газов. Такие вещества называются полупроводниками (но о них мы с вами будем говорить в ближайшее время). А сейчас, для закрепления материала, решим с вами такую задачу. Предположим, что у нас есть два цилиндрических проводника из одного и того же металла, которые имеют одинаковую массу, но диаметр второго проводника в 3 раза больше, чем первого. Во сколько раз будут отличаться силы тока в проводниках, если их подключить к одинаковым источникам тока?

Источник