Зависимость силы тока от напряжения. Закон Ома для участка цепи (Ерюткин Е.С.)

Введение

В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с электричеством — будь то включение лампы, работа телевизора или зарядка телефона. Однако за всеми этими привычными действиями стоят строгие физические законы, которые описывают, как именно электрический ток движется в проводниках и от чего зависит его сила. Один из самых фундаментальных законов электричества — закон Ома для участка цепи. Он связывает между собой три важнейшие физические величины: силу тока, напряжение и сопротивление.

Чтобы понять суть этого закона, нужно вспомнить, как вообще возникает электрический ток. В проводнике (например, в медном проводе) есть огромное количество свободных электронов, которые хаотично движутся. Если к концам проводника подключить источник тока (например, батарейку), возникает электрическое поле, которое заставляет электроны двигаться упорядоченно — от отрицательного полюса к положительному. Так возникает электрический ток.

Но сила тока в проводнике зависит не только от напряжения, создаваемого источником, но и от свойств самого проводника — от того, насколько легко электроны могут двигаться внутри него. Некоторые вещества (например, медь и серебро) проводят ток хорошо, другие (например, резина, стекло) почти не проводят его. Именно поэтому для передачи электричества используются проводники — материалы с низким сопротивлением.

История открытия закона Ома

Открытие закона, который сегодня известен каждому школьнику, было нелёгким. Его автор — Георг Симон Ом (1789–1854), немецкий физик. В начале XIX века он проводил эксперименты с электрическими цепями, пытаясь выяснить, от чего зависит сила электрического тока. Ом использовал в своих опытах простейшие источники тока, проволоки разной длины и толщины, а также гальванометры для измерения силы тока.

Он заметил, что при увеличении напряжения на концах проводника сила тока возрастает пропорционально, если материал и температура проводника остаются неизменными. В то же время, чем больше длина проводника или чем меньше его поперечное сечение, тем меньше сила тока — ведь сопротивление растёт.

В 1827 году Ом сформулировал свой знаменитый закон, который установил количественную связь между тремя основными величинами — напряжением (U), силой тока (I) и сопротивлением (R). Этот закон стал краеугольным камнем всей электротехники и лёг в основу современного понимания работы электрических цепей.

Закон Ома для участка цепи

Закон Ома выражается формулой:

​

где:

• I — сила тока, измеряется в амперах (А);

• U — напряжение, измеряется в вольтах (В);

• R — сопротивление, измеряется в омах (Ω).

Из этой формулы видно, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Это значит:

• если увеличить напряжение на проводнике, то ток возрастает;

• если увеличить сопротивление проводника, ток уменьшается.

Пример: если через лампочку пропускать ток при разном напряжении, можно заметить, что чем больше напряжение, тем ярче горит лампа — это следствие действия закона Ома.

Практическое применение закона Ома

Закон Ома — один из самых часто используемых законов в электротехнике. С его помощью можно:

• вычислить силу тока в цепи, если известны напряжение и сопротивление;

• рассчитать нужное сопротивление резистора для защиты цепи от перегрузки;

• определить мощность электрического прибора;

• подобрать параметры источников тока и проводов.

В инженерии, электронике, энергетике и даже в быту закон Ома используется постоянно. Например, при проектировании электрических сетей и бытовых приборов инженеры всегда учитывают, какие токи будут протекать по проводам, чтобы избежать перегрева и коротких замыканий.

Пример решения задачи

Задача.
На концах проводника сопротивлением 10 Ом поддерживается напряжение 20 В. Определите силу тока в проводнике.

Решение:
По закону Ома:

Ответ: сила тока равна 2 ампера.

Заключение

Закон Ома — фундаментальный закон, лежащий в основе всех расчётов электрических цепей. Он показывает, что электрический ток подчиняется строгим количественным зависимостям, а не является чем-то случайным. Изучив этот закон, школьники получают базу для понимания более сложных явлений: деления тока в параллельных цепях, соединения сопротивлений, работы источников питания и электрических приборов.

Вопросы для самопроверки

1. Кто открыл закон, связывающий силу тока, напряжение и сопротивление?

2. Как формулируется закон Ома для участка цепи?

3. В каких единицах измеряются сила тока, напряжение и сопротивление?

4. Как изменится сила тока, если увеличить напряжение в два раза при постоянном сопротивлении?

5. Что произойдёт с силой тока, если сопротивление увеличить, а напряжение оставить прежним?

6. Почему медные провода проводят ток лучше, чем железные?

7. В чём заключается физический смысл сопротивления проводника?

8. Как использовать закон Ома для расчёта электрической цепи?

9. Почему закон Ома имеет важное значение для электротехники и электроники?

10. Приведите примеры применения закона Ома в быту.