Закон Ома для участка цепи

Рассмотрим электрические явления, в которых электрические заряды участвуют в упорядоченном движении. В проводнике, подключённом к источнику тока, заряженные частицы переносят электрический заряд из одной точки в другую. Источник тока создаёт электрическое поле в проводнике.

Таким образом, наряду с беспорядочным движением электроны стремятся двигаться в одном направлении. Электрическое поле служит причиной, вызывающей и поддерживающей упорядоченное движение заряженных частиц.

Электрическим токомназывают упорядоченное движение заряженных частиц. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Электрическое поле совершает работу при перемещении электрического заряда по проводнику.

Физическая величина, показывающая, какую работу совершает на данном участке ток при перемещении по этому участку заряда 1 Кл из одной точки в другую, называется электрическим напряжением (U ) или разностью потенциалов (φ1-φ2) .

Если разность потенциала остаётся постоянной, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.

В процессе движения свободные электроны переносят некоторый электрический заряд.

Физическая величина, показывающая,какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за 1с, называется силой тока(I).

где q0 – электрический заряд,

n-концентрация,

S-площадь поперечного сечения

ʋ – скорость движения электрического заряда по проводнику.

За единицу силы тока принимают Ампер (А).

Рассмотрим участок цепи с внешним сопротивлением R.

Для этого соберём электрическую цепь из источника тока, резистора, амперметра и ключа. В качестве источника тока используется устройство, которое позволяет регулировать напряжение на концах проводника. Сила тока в проводнике определяется разностью потенциалов на его концах.

Если φ1> φ2 и ток течёт в направлении от точки 1 к точке 2, то сила тока положительна. Будем менять напряжение и измерять силу тока, протекающего через резистор. Мы получим зависимость силы тока от напряжения.

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

Вольт–амперные характеристики различных элементов цепи выглядят по-разному. Самая простая вольт-амперная характеристика металлического проводника. Немецкий физик Г. Ом в 1826 г. обнаружил, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна разности потенциалов на этом участке I ~ U.

Коэффициент пропорциональности назвали сопротивлением проводника.

При перемещении по проводнику свободные электроны взаимодействуют с атомами и ионами кристаллической решётки проводника. Возникает сила сопротивления, действующая со стороны проводника на свободные заряды. Эта сила уравновешивает электрическую силу, с которой на свободные заряды действует стационарное поле, что приводит к уменьшению скорости движения электронов, а значит, и к уменьшению силы тока в проводнике.

Например: при силе тока в 1А в медном проводнике площадью поперечного сечения

10-6м2 и концентрации 8,5·1028м-3 скорость движения электронов равна7·10-5м/с

Свойства проводника ограничивать силу тока в цепи, т.е. противодействовать электрическому току, называют электрическим сопротивлением проводника (R).

Закон Ома для участка цепи.

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка.

Закон Ома оказался справедливым не только для металлов, но и для растворов электролитов. Сформулированный закон имеет место для так называемого однородного участка цепи – участка, не содержащего источников тока.

Математическая запись закона Ома проста, как и его формулировка, но экспериментально подтвердить эту зависимость очень трудно. Сила тока, протекающая по участку цепи, мала. Поэтому используют достаточно чувствительные приборы. Г. Ом изготовил чувствительный прибор для измерения силы тока, а в качестве источника тока использовал термопару. Действие амперметра и вольтметра основано на применение закона Ома для участка цепи. Угол поворота стрелки прибора пропорционален силе тока.

Из математической записи закона Ома:

можно выразить напряжение :

и сопротивление проводника:

Таким образом, закон Ома связывает три параметра, характеризующих постоянный электрический ток, проходящий по проводнику, и позволяет находить любой из них, если известны два других.

Закон Ома имеет границы применимости и выполняется только в том случае, когда при прохождении тока температура заметно не меняется. На вольт–амперной характеристике лампы накаливания видно, что график сильно искривляется при напряжении выше 10В, значит, закон Ома выше этого напряжения применять нельзя.

Также нельзя говорить, что сопротивление проводника зависит от напряжения и силы тока в цепи. Сопротивление участка цепи зависит от свойств проводника: длины, площади поперечного сечения и материала, из которого состоит проводник.

где l-длина проводника, s-его площадь поперечного сечения.

ρ –удельное сопротивление проводника –это физическая величина, характеризующая зависимость сопротивления проводника от материала, из которого он изготовлен.

Удельное сопротивление показывает, каким сопротивлением обладает сделанный из этого вещества проводник длиной 1м и площадью поперечного сечения 1м2 .

Из формулы видно, что единицей измерения в системе СИ является Ом·м. Но так как площадь поперечного сечения проводника достаточно мала, используют единицы измерения

при вычислении площадь поперечного сечения проводника следует выражать в мм2.

В заключении хочется заметить, что Ом начал свои опыты, когда был учителем физики в гимназии. В своих экспериментах Ом брал куски проволоки одинакового диаметра, но разного материала и изменял их длину таким образом, чтобы в цепи сила тока имела одинаковое значение. Находящаяся рядом магнитная стрелка отклонялась при прохождении тока в цепи. Установив связь между напряжением и силой тока, Г. Ом вывел один из основных законов постоянного тока.