Электрическое сопротивление. Закон Ома для участка цепи (Гребенюк Ю.В.)

Введение

Электрический ток играет огромную роль в нашей жизни. Он питает приборы, освещает города, приводит в движение моторы. Но почему в одних случаях ток проходит легко, а в других — с трудом? От чего зависит сила тока, и можно ли ею управлять?
Ответы на эти вопросы дали опыты, проведённые немецким физиком Георгом Симоном Омом. Он изучал, как связаны между собой напряжение, сила тока и свойства проводников, и сформулировал закон Ома, который стал одним из важнейших законов электричества.

Зависимость тока в проводнике от напряжения на его концах

Если соединить проводник с источником тока и изменить напряжение на его концах, можно заметить, что сила тока изменяется прямо пропорционально напряжению.
То есть чем больше напряжение, тем сильнее ток.
Это наблюдение и стало отправной точкой для вывода закона Ома.

Однако сила тока зависит не только от величины приложенного напряжения, но и от самого проводника.
Один и тот же источник может вызывать разные токи в меди, железе или графите. Это означает, что у каждого вещества есть собственная способность проводить электричество — свойство, называемое электрическим сопротивлением.

Электрическое сопротивление проводника

Электрическое сопротивление — это физическая величина, характеризующая свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока.

Когда электроны движутся по проводнику, они сталкиваются с атомами вещества, теряя часть своей энергии. Эти столкновения мешают свободному движению зарядов и вызывают выделение тепла.
Именно поэтому проводники нагреваются при прохождении тока — примером может служить спираль утюга или лампа накаливания.

Сопротивление зависит от нескольких факторов:

Длины проводника — чем длиннее провод, тем больше сопротивление.
Площади поперечного сечения — чем толще провод, тем меньше сопротивление.
Материала проводника — разные вещества проводят ток по-разному (у меди сопротивление меньше, чем у железа).
Температуры — при нагревании металлы обычно хуже проводят ток.

Формула для расчёта сопротивления:

$display style R equals rho l over S$

где:

$R$ — сопротивление (Ом),
$rho$ — удельное сопротивление вещества (Ом·м),
$l$ — длина проводника (м),
$S$ — площадь поперечного сечения (м²).

Закон Ома для участка цепи

На основе своих опытов Георг Ом установил, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению проводника:

$display style I equals U over R$

где:

$I$ — сила тока (А),
$U$ — напряжение (В),
$R$ — сопротивление (Ом).

Эта формула называется законом Ома для участка цепи.

Если известны две величины, то третью можно вычислить:

$U equals I times R$ — чтобы найти напряжение;
$R equals U over I$ — чтобы найти сопротивление.

Закон Ома — это основной закон, описывающий движение электрических зарядов в проводниках. Он лежит в основе расчётов всех электрических цепей, от простейших фонариков до сложных промышленных установок.

Почему вещества сопротивляются току?

Каждый материал состоит из атомов, в которых электроны удерживаются силами притяжения к ядру. Когда ток проходит через вещество, свободные электроны сталкиваются с атомами кристаллической решётки, передавая им часть своей энергии.
Эти столкновения тормозят движение электронов — так возникает электрическое сопротивление.

В металлах, где есть много свободных электронов, сопротивление невелико. В диэлектриках (например, стекле или резине) свободных электронов почти нет — ток практически не проходит.
В полупроводниках сопротивление зависит от температуры и примесей: при нагревании оно уменьшается, а при охлаждении увеличивается.

Сверхпроводимость

Учёные обнаружили удивительное явление — сверхпроводимость.
Если некоторые вещества сильно охладить (до температур, близких к абсолютному нулю), их электрическое сопротивление становится равным нулю.

Это значит, что ток может течь по ним бесконечно долго без потерь энергии!
Сверхпроводимость используется в современной технике — например, в мощных магнитах, ускорителях частиц, электромоторах и даже в поездах на магнитной подушке.

Это открытие стало одним из величайших достижений физики XX века и позволило сделать огромный шаг в развитии энергетики и транспорта.

Решение задач

Задача 1.
На концах медного проводника длиной 4 м и площадью поперечного сечения 1 мм² поддерживается напряжение 2 В. Найдите силу тока, если удельное сопротивление меди ρ = 0,017 Ом·мм²/м.

Решение:

Найдём сопротивление:

$display style R equals rho l over S equals 0 , 017 times 4 over 1 equals 0 , 068 text end text text Ом end text$

По закону Ома:

$display style I equals U over R equals fraction numerator 2 over denominator 0 , 068 end fraction almost equal to 29 , 4 text end text text А end text$

Ответ: сила тока — около 29,4 А.

Задача 2.
Какое напряжение нужно подать на проводник сопротивлением 15 Ом, чтобы по нему проходил ток силой 0,4 А?

Решение:

$display style U equals I times R equals 0 , 4 times 15 equals 6 text end text text В end text$

Ответ: необходимо напряжение 6 В.

Значение закона Ома

Закон Ома применяется повсеместно — при проектировании электросетей, бытовых приборов, транспортных систем и электронных устройств.
Без знания этого закона невозможно рассчитать электрические схемы, выбрать подходящие резисторы, лампы и источники питания.

Он является основой всей электротехники и электроники, а также важной частью школьного курса физики.

Вопросы для самопроверки

От чего зависит сила тока в проводнике?
Что называют электрическим сопротивлением?
Какие факторы влияют на сопротивление проводника?
Как формулируется закон Ома для участка цепи?
Как найти сопротивление, если известны напряжение и сила тока?
Почему различные материалы по-разному проводят электрический ток?
Что такое сверхпроводимость и при каких условиях она возникает?
Где применяется явление сверхпроводимости?
Как изменится сила тока при увеличении напряжения в два раза?
Какое практическое значение имеет закон Ома в повседневной жизни?

Последнее изменение: Четверг, 6 Ноябрь 2025, 13:27