Математическая запись закона ома для участка цепи. Электрическое сопротивление участка цепи

Соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока (который позволяет плавно менять напряжение), амперметра, спирали из никелиновой проволоки (проводника), ключа и параллельно присоединённого к спирали вольтметра (схема этой цепи показана рядом, прямоугольником условно обозначен проводник).

Замкнём цепь и отметим показания приборов. Затем при помощи источника тока плавно изменим напряжение (лучше всего увеличить его вдвое). Напряжение на спирали при этом тоже увеличится вдвое, и амперметр покажет вдвое большую силу тока. Увеличивая напряжение в \(3\) раза, напряжение на спирали увеличивается втрое, во столько же раз увеличивается сила тока.
Таким образом, опыт показывает, что во сколько раз увеличивается напряжение, приложенное к одному и тому же проводнику, во столько же раз увеличивается сила тока в нём. Другими словами:

Обрати внимание!

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника.

Эту зависимость можно изобразить графически. Её называют зависимостью силы тока в проводнике от напряжения между концами этого проводника.

Включая в электрическую цепь источника тока различные проводники и амперметр, можно заметить, что при разных проводниках показания амперметра различны, т.е. сила тока в данной цепи различна.

Графики тоже будут отличаться.

Вольтметр, поочерёдно подключаемый к концам этих проводников, показывает одинаковое напряжение. Значит, сила тока в цепи зависит не только от напряжения, но и от свойств проводников, включённых в цепь. Зависимость силы тока от свойств проводника объясняется тем, что разные проводники обладают различным электрическим сопротивлением.

Обрати внимание!

Электрическое сопротивление - физическая величина. Обозначается оно буквой R.

За единицу сопротивления принимают \(1\) ом - сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на концах \(1\)вольт сила тока равна \(1\) амперу .

Кратко это записывают так: 1 Ом = 1 В 1 А.

Применяют и другие единицы сопротивления: миллиом (мОм), килоом (кОм), мегаом (МОм).

\(1\) мОм = \(0,001\) Ом;

\(1\) кОм = \(1000\) Ом;

\(1\) МОм = \(1 000 000\) Ом.

Причина сопротивления заключается в следующем: электроны взаимодействуют с ионами кристаллической решётки металла. При этом замедляется упорядоченное движение электронов, и сквозь поперечное сечение проводника проходит за \(1\) с меньшее их число. Соответственно, уменьшается и переносимый электронами за \(1\) с заряд, т.е. уменьшается сила тока. Таким образом, каждый проводник как бы противодействует электрическому току, оказывает ему сопротивление. Итак:

Обрати внимание!

Причиной сопротивления является взаимодействие движущихся электронов с ионами кристаллической решётки.

Чтобы ответить на вопрос, как зависит сила тока в цепи от сопротивления, обратимся к опыту.

На рисунке изображена электрическая цепь, источником тока в которой является аккумулятор. В эту цепь по очереди включают проводники, обладающие различным сопротивлением. Напряжение на концах проводника во время опыта поддерживается постоянным. За этим следят по показаниям вольтметра. Силу тока в цепи измеряют амперметром. Ниже приведены результаты опытов с тремя различными проводниками.

Обобщая результаты опытов, приходим к выводу, что:

Обрати внимание!

Сила тока в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Зависимость силы тока от напряжения на концах участка цепи и сопротивления этого участка называется законом Ома - по имени немецкого учёного Георга Ома, открывшего этот закон в \(1827\) году.
Закон Ома читается так:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

И записывается так:

где \(I\) - сила тока в участке цепи, \(U\) - напряжение на этом участке, \(R\) - сопротивление участка.

Зависимость силы тока от сопротивления проводника при одном и том же напряжении на его концах может быть показана графически:

Найти сопротивление экспериментально можно несколькими способами:

При помощи амперметра и вольтметра

При помощи омметра

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.

Классическая формулировка

Этот простой вариант трактовки, известный нам со школы.

Формула в интегральной форме будет иметь следующий вид:

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.

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

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:

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.

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

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:

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.

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 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.

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.

Измерение сопротивления проводника: R =U/I→ 1 Ом = 1 В/1 А.

Электрическое сопротивление (R) - свойство электрической цепи (проводника) противодействовать протекающему по ней электрическому току, измеряемое при постоянном напряжении на его концах отношением этого напряжения к силе тока.

Природа электрического сопротивления на основе электронных представлений о строении вещества: "потеря" упорядоченного движения свободными заряженными частицами в проводнике при их взаимодействии с ионами кристаллической решетки.

Зависимость электрического сопротивления проводника от его длины (реостаты), поперечного сечения и материала. Удельное сопротивление материала проводника: .

Вопрос : Почему сопротивление проводника зависит от его длины, площади поперечного сечения и материала?

Для провода = , где - удельная электрическая проводимость.

- (закон Ома в дифференциальной форме) - устанавливает связь между величинами для каждой точки проводника.

Демонстрация зависимости сопротивления проводника от его температуры (малый накал). Температурный коэффициент сопротивления.

Границы применимости закона Ома.

IV. Задачи:

Определите электрический заряд, прошедший через поперечное сечение проводника сопротивлением 3 Ом при равномерном нарастании напряжения на концах проводника от 2 В до 4 В в течение 20 с.

2. Определить площадь поперечного сечения и длину проводник из алюминия, если его сопротивление 0,1 Ом, а масса 54 г.

Вопросы:

1. Объясните, позему сопротивление проволоки зависит от его материала, длины и площади поперечного сечения.

2. Как отрезать кусок провода сопротивлением 5 Ом?

3. Длину медной проволоки вытягиванием увеличили вдвое. Как изменилось ее сопротивление?

4. Почему сопротивление кожи человека зависит от ее состояния, площади контакта, приложенного напряжения, длительности протекания тока?

5. Изменится ли сопротивление вольфрамового волоска электрической лампы, рассчитанной на 120 В, если присоединить ее к источнику тока с напряжением 4 В?

6. Высота плотины – электрическое напряжение, расход воды из отверстия у основании плотины – сила тока. Удачна ли эта аналогия?

V . § 54 Упр. 10 № 3

1. Предложите конструкцию и рассчитайте параметры реостата (материал провода, длина, площадь поперечного сечения), сопротивление которого можно плавно изменять от 0 до 100 Ом при максимальной силе электрического тока до 2 А.

2. Как изменяется сопротивление проволоки при ее растяжении? Попробуйте установить эту зависимость в пределах упругих деформаций. Предложите конструкцию и рассчитайте параметры прибора (тензодатчика), предназначенного для измерения механического напряжения.

Дополнительная информация: Тензорезистивный эффект – изменение сопротивления материала при деформации (недавно созданные материалы из алюминия и кремния изменяют свое сопротивление при ударе почти в 900 раз).

3. Предложите конструкцию и опишите электрическую схему прибора для установления зависимости удельного сопротивления проводника от температуры (можно с реостатом).

4. Измерьте удельное сопротивление воды при комнатной температуре и при температуре кипения.

"Непосредственный опыт всегда очевиден, и из него в кратчайшее время можно извлечь пользу".

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 "ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МАТЕРИАЛА ПРОВОДНИКА"

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Научить учеников с заданной точностью измерять удельное сопротивление материала проводника.

ТИП УРОКА: лабораторная работа.

ОБОРУДОВАНИЕ: Источник тока, амперметр и вольтметр лабораторные, ключ, реостат, линейка ученическая, проводник на колодке, соединительные провода, штангенциркуль (микрометр).

ПЛАН УРОКА: 1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Вводный инструктаж 5 мин

3. Выполнение работы 30 мин

4. Задание на дом 2-3 мин

II . Схема лабораторной установки на доске. Как измерить сопротивление проводника; площадь поперечного сечения проволоки; длину проводника?

Относительная и абсолютная погрешность при измерении удельного сопротивления:

III . Выполнение работы.

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению, и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению данного участка цепи.

Закон Ома записывается формулой:

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

Следует иметь в виду, что закон Ома является фундаментальным (основным) и может быть применён к любой физической системе, в которой действуют потоки частиц или полей, преодолевающие сопротивление. Его можно применять для расчёта гидравлических, пневматических, магнитных, электрических, световых, тепловых потоков.

Закон Ома определяет связь трех фундаментальных величин: силы тока, напряжения и сопротивления. Он утверждает, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Ток течет из точки с избытком электронов в точку с дефицитом электронов. Путь, по которому следует ток, называется электрической цепью. Все электрические цепи состоят из источника тока , нагрузки и проводников . Источник тока обеспечивает разность потенциалов , которая позволяет течь току. Источником тока может быть батарея, генератор или другое устройство. Нагрузка оказывает сопротивление протеканию тока . Это сопротивление может быть высоким или низким, в зависимости от назначения цепи. Ток в цепи течет через проводники от источника к нагрузке . Проводник должен легко отдавать электроны. В большинстве проводников используется медь.

Путь электрического тока к нагрузке может проходить через три типа цепей: последовательную цепь, параллельную или последовательно-параллельную цепи.Ток электронов в электрической цепи течет от отрицательного вывода источника тока, через нагрузку к положительному выводу источника тока.

Пока этот путь не нарушен, цепь замкнута и ток течет.

Однако если прервать путь, цепь станет разомкнутой и ток не сможет по ней идти.

Силу тока в электрической цепи можно изменять, изменяя либо приложенное напряжение, либо сопротивление цепи. Ток изменяется в таких же пропорциях, что и напряжение или сопротивление. Если напряжение увеличивается, то ток также увеличивается. Если напряжение уменьшается, то ток тоже уменьшается. С другой стороны, если сопротивление увеличивается, то ток уменьшается. Если сопротивление уменьшается, то ток увеличивается. Это соотношение между напряжением, силои тока и сопротивлением называется законом Ома.

Закон Ома утверждает, что ток в цепи (последовательной, параллельной или последовательно-параллельной) прямо пропорционален напряжению и обратно пропорционален сопротивлению

При определении неизвестных величин в цепи, следуйте следующим правилам:

Нарисуйте схему цепи и обозначьте все известные величины.
Проведите расчеты для эквивалентных цепей и перерисуйте цепь.
Рассчитайте неизвестные величины.

Помните: закон Ома справедлив для любого участка цепи и может применяться в любой момент. По последовательной цепи течет один и тот же ток, а к любой ветви параллельной цепи приложено одинаковое напряжение.

История закона Ома

Георг Ом, проводя эксперименты с проводником, установил, что сила тока в проводнике пропорциональна напряжению, приложенному к его концам. Коэффициент пропорциональности назвали электропроводностью, а величину принято именовать электрическим сопротивлением проводника. Закон Ома был открыт в 1826 году.

Ниже приведены анимации схем иллюстрирующих закон Ома. Обратите внимание, что (на первой картинке) Амперметр (А) является идеальным и имеет нулевое сопротивление.

Данная анимация показывает как меняется ток в цепи при изменении приложенного напряжения.

Следующая анимация показывает как меняется сила тока в цепи при изменении сопротивления.

В 1827 году Георг Ом опубликовал свои исследования, которые составляют основу формулы, используемую и по сей день. Ом выполнил большую серию экспериментов, которые показали связь между приложенным напряжением и током, протекающим через проводник.

Этот закон является эмпирическим, то есть основанный на опыте. Обозначение «Ом» принято в качестве официальной единицы СИ для электрического сопротивления.

Закон Ома для участка цепи гласит, что электрический ток в проводнике прямо пропорционален разности потенциалов в нем и обратно пропорционален его сопротивлению. Принимая во внимание, что сопротивление проводника (не путать с ) величина постоянная, можно оформить это следующей формулой:

I — тока в амперах (А)
V — напряжение в вольтах (В)
R — сопротивления в омах (Ом)

Для наглядности: резистор имеющий сопротивление 1 Ом, через который протекает ток силой в 1 А на своих выводах имеет разность потенциалов (напряжение) в 1 В.

Немецкий физик Кирхгоф (известен своими правилами Кирхгофа) сделал обобщение, которое больше используется в физике:

σ – проводимость материала
J — плотность тока
Е — электрическое поле.

Закон Ома и резистор

Резисторы являются пассивными элементами, которые оказывают сопротивление потоку электрического тока в цепи. , который функционирует в соответствии с законом Ома, называется омическим сопротивлением. Когда ток проходит через такой резистор, то падение напряжения на его выводах пропорционально величине сопротивления.

Формула Ома остается справедливой и для цепей с переменным напряжением и током. Для конденсаторов и катушек индуктивности закон Ома не подходит, так как их ВАХ (вольт-амперная характеристика) по сути, не является линейной.

Формула Ома действует так же для схем с несколькими резисторами, которые могут быть соединены последовательно, параллельно или иметь смешанное соединение. Группы резисторов, соединенные последовательно или параллельно могут быть упрощены в виде эквивалентного сопротивления.

В статьях о и соединении более подробно описано как это сделать.

Немецкий физик Георг Симон Ом опубликовал в 1827 свою полную теорию электричества под названием «теория гальванической цепи». Он нашел, что падение напряжения на участке цепи является результатом работы тока, протекающего через сопротивление этого участка цепи. Это легло в основу закона, который мы используем сегодня. Закон является одним из основных уравнений для резисторов.

Закон Ома — формула

Формула закона Ома может быть использована, когда известно две из трех переменных. Соотношение между сопротивлением, током и напряжением может быть записано по-разному. Для усвоения и запоминания может быть полезен «треугольник Ома».

Ниже приведены два примера использования такого треугольного калькулятора.

Имеем резистор сопротивлением в 1 Ом в цепи с падением напряжения от 100В до 10В на своих выводах. Какой ток протекает через этот резистор? Треугольник напоминает нам, что:

Имеем резистор сопротивлением в 10 Ом через который протекает ток в 2 Ампера при напряжении 120В. Какое будет падение напряжения на этом резисторе? Использование треугольника показывает нам, что: Таким образом, напряжение на выводе будет 120-20 = 100 В.

Закон Ома — мощность

Когда через резистор протекает электрический ток, он рассеивает определенную часть мощности в виде тепла.

Мощность является функцией протекающего тока I (А) и приложенного напряжения V (В):

Р — мощность в ваттах (В)

В сочетании с законом Ома для участка цепи, формулу можно преобразовать в следующий вид:

Идеальный резистор рассеивает всю энергию и не сохраняет электрическую или магнитную энергию. Каждый резистор имеет предел мощности, которая может быть рассеяна, не оказывая повреждение резистору. Это мощность называется номинальной.

Окружающие условия могут снизить или повысить это значение. Например, если окружающий воздух горячий, то способность рассеять излишнее тепло у резистора снижается, и на оборот, при низкой температуре окружающего воздух рассеиваемая способность резистора возрастает.

На практике, резисторы редко имеют обозначение номинальной мощности. Тем не менее, большинство из резисторов рассчитаны на 1/4 или 1/8 Вт.

Ниже приведена круговая диаграмма, которая поможет вам быстро определить связь между мощностью, силой тока, напряжением и сопротивлением. Для каждого из четырех параметров показано, как вычислить свое значение.

Закон Ома — калькулятор

Данный онлайн калькулятор закона Ома позволяет определить взаимосвязь между силой тока, электрическим напряжением, сопротивлением проводника и мощностью. Для расчета введите любые два параметра и нажмите кнопку расчет.