§ 26. Закон Ома для ділянки кола
Напруга
Для того, щоб струм ішов через резистор «R» від точки а до точки b (мал. 26.1), потрібно, щоб потенціал у точці а (ср^) був більшим за потенціал у точці b (φ/() на величину напруги Uна цій ділянці:
Закон Ома для ділянки кола.
Німецький фізик Георг Ом знайшов просту залежність між силою струму, напругою та опором на ділянці електричного кола. Сила струму «/» на ділянці кола а-Ь прямо пропорційна напрузі на кінцях ділянки (між точками а та Ь) і обернено пропорційна опору «Л» цієї ділянки:
Формулу (26.2) називають законом Ома для ділянки кола. Це просте співвідношення є основою електротехніки і електроніки.
Прямо пропорційна залежність сили струму від напруги означає, що при сталому опорі графік I(U)пряма, що проходить через початок координат (мал. 26.2). Обернено пропорційна залежність сили струму від опору означає, що при сталій напрузі графік I(R) -
гіпербола (мал. 26.Д).Користуючись формулою (26.2) можна визначити опір ділянки кола:
З формули (26.3) слідує, що 1 Ом - це опір, через який піде струм 1 А, якщо напруга на ньому становитиме I В (Ом = В/A). Резистор, опір якого не залежить від напруги і сили струму називають «омічним» - тільки в цьому випадку виконується закон Ома.
ПРИКЛАД 26.1
Вольтметр показує напругу Uab= 3,89 В між точками а-Ь (мал. 26.1), амперметр - силу струму через цю ж ділянку: /ь = 0,25 А. Потрібно визначити опір ділянки а-Ь.Згідно з формулою (26.2):
Визначимо похибки вимірювання. Абсолютна похибка цифрових приладів дорівнює одиниці найменшого розряду: AU = 0,01 В, А/=0,01 А. Відносні похибки:
Відносна похибка обчисленого опору дорівнює:
e(R) = e(U) + е(Г) = 0,04054 ~ 0,04 (або 4%), звідки AU = E(R) R = 0,62 Ом.
Результат експерименту: R = (15,56 ± 0,62) Ом при відносній похибці вимірювання 4%.
Зауваження: похибка вимірювання вольтметром виявилася значно меншою за похибку амперметра і в даній роботі несуттєва.
ПРИКЛАД 26.2
Нехай через певну ділянку ah електричного кола з опором R= 40 Ом іде струм I= 2 А. Треба знайти напругу на ділянці ab і потенціали в точках а та Ь (мал. 26.4). Згідно з формулою (26.3), Uah = IahRah = 2 А-40 Ом = 80 В.
Знайдемо потенціали у вузлових точках «а» та «Ь>. Оскільки струм іде зліва напра-во, то потенціал у точці а вищий за потенціал в точці b на 80 В. Як правило, в точці з найменшим потенціалом його вибирають рівним нулю. В нашому випадку це точка Ь. Отже, якщо φ; = 0, то = 80 В, оскільки згідно з (26.Ί) Фв-Фь= Ua = 80 В·
ІСТОРИЧНА Д0ЫДКЛ
Георг Сімон Ом, німецький фізик, який у 1817 році відкрив закон, що тепер носить його ім'я. У 18 років він став професором фізики та хімії в єзуїтському коледжі міста Кельн. Спершу він вивів закон теоретично, а потім підтвердив його на дослідах, які довго не давали надійних результатів через недосконалість джерела струму. Його сучасники спочатку скептично поставилися до його дослідження і тільки у 1833 році прийшло визнання. У 1841 році Ома нагороджено медаллю імені Коплі англійського Королівського товариства. Одиниця опору «Ом» названа на його честь.
Надпровідність і закон Ома
Закон Ома у вигляді (26.3) може здатися непридатним для надпровідника, оскільки його опір дорівнює нулю, а на нуль ділити не можна. Але якщо формулу переписати у вигляді U = IR, то можна зрозуміти одну цікаву деталь: струм у надпровідному кабелі повинен іти без напруги, тобто при U = 0. І це цілком зрозуміло, адже опір характеризує теплову роботу струму на даній ділянці кола, а якщо немає опору, то робота не виконується.
На фотографії (мал. 26.5) показана ділянка електричного кола з надпровідним кабелем. Сам надпровідник знаходиться в теплоізо-льованій трубі, по якій циркулює рідкий гелій, який підтримує необхідну температуру 1,8 К.
Закон Ома для замкнутого електричного кола
Повне електричне коло містить не тільки споживачі електроенергії, а й джерело струму (мал. 26.6).EPC - це енергія, яку сторон-
ні сили (наприклад, хімічні) виробляють всередині джерела струму в розрахунку на один кулон заряду, що проходить по всьому замкнутому колу.
Ця енергія витрачається як у зовнішній частині кола (вона дорівнює напрузі U = LR на споживачах струму), так і всередині самого джерела. Енергія, яка витрачається всередині джерела, дорівнює Lr, де г - внутрішній опір джерела струму. Можна записати математичний вираз, який задає баланс енергії:
ПРИКЛАД 26.3
EPC батареї кишенькового ліхтарика дорівнює 4,5 В. Від неї живиться лампа, яка розрахована на напругу 3,5 В і струм 0,25 А. а) Який внутрішній опір батареї? б)Яка енергія (на 1 Кл) витрачається всередині джерела?
Розв'язання, а) 3 формули (26.7) слідує, що
г = 4 Ом. б) Всередині джерела витрачається Lr = 1 В, тобто 1 Дж енергії на 1 Кл заряду, який проходить через джерело.
КОРОТКІ ПІДСУМКИ
Потенціал φ чисельно дорівнює потенціальній енергії заряду 1 Кл в даній точці електричного кола. Різниця потенціалів на кінцях ділянки кола а-б дорівнює напрузі на цій ділянці: (ри - φβ = Uab.
Сила струму на ділянці кола прямо пропорційна напрузі на цій ділянці і обернено пропорційна опору цієї ж ділянки:
для ділянки кола.
Резистор, опір якого не залежить від напруги і сили струму, називають «омічним» - тільки в цьому випадку виконується закон Ома.
Струм у надпровідному кабелі іде без напруги. Між двома точками кола з рівними потенціалами струм може йти тільки тоді, коли опір між цими точками дорівнює нулю.
EPC джерела E чисельно дорівнює енергії, яку виробляє джерело, в розрахунку на 1 Кл заряду, що проходить по всьому замкнутому колу, і вимірюється у вольтах (I В = 1 Дж/Кл): E=U + I r.
ВПРАВА №26
1. Чим відрізняється напруга на ділянці кола від роботи струму на цій ділянці?
2. У скільки разів значення роботи струму на даній ділянці кола більше від значення напруги на цій ділянці?
3. Напруга на лампочці кишенькового ліхтарика дорівнює 3,5 В. Поясніть фізичний зміст цього числа.
4. Що спільного і чим відрізняються потенціал і напруга?
5. а) Як залежить сила струму від напруги на даній ділянці електричного кола при незмінному опорі? б) Накресліть графік залежності I(U).
6. а) Як залежить сила струму на ділянці кола від опору цієї ділянки при незмінній напрузі? б) Накресліть графік залежності I(R).
7. Напруга на резисторі, опір якого 20 Ом, становить 5 В. Знайдіть силу струму в цій ділянці кола.
8. Знайдіть напругу на резисторі з опором 80 Ом, в якому йде струм 0,5 А.
9. Який опір резистора, через який іде струм 0,5 А при напрузі 12 В?
10. Обчисліть значенні опору R { R2 (мал. 26.2).
11. а) Обчисліть напругу для випадків 2, 4 та 8 Ом (мал. 26.3). б) Поясніть отримані значення напруги.
12. Яку напругу треба прикласти до кінців мідного провідника довжиною 100 м і перерізом 0,34 мм2, щоб отримати струм силою 0,5 А?
13. Лампа працює при напрузі 40 В. Яку роботу виконує струм у лампі при проходженні: а) 1 Кл електрики; б) 5 Кл електрики?
14. Електроплитка споживає струм силою 2,5 А при напрузі 220 В. Яку роботу (в кДж) виконує струм, нагріваючи електричну плитку протягом 2 хв.?
15. Як називають фізичну величину, яка виражає енергію, яку виробляє джерело струму в розрахунку на один кулон заряду, що проходить по всьому замкнутому колу?
16. Чому до батареї з EPC 4,5 В приєднують лампу, яка розрахована на меншу напругу, а саме 3,5 В?
17. Де саме втрачається енергія батареї в замкнутому електричному колі?
18. Яку найбільшу силу струму і за яких умов можна отримати від даного джерела?
19. Чому значення EPC джерела більше від значення напруги в електричному колі, яке живиться цим джерелом? Поясніть, застосовуючи поняття енергії та роботи.
20. Елемент з EPC 1,5 В створює струм силою 0,1 А. Напруга в зовнішньому
колі дорівнює 1,3 В. Знайдіть: а) опір зовнішньої ділянки кола; б) внутрішній опір елемента.
21. Визначте внутрішній опір елемента з EPC 1,5 В, якщо через приєднаний до нього резистор іде струм силою 0,3 А при напрузі на ньому 1,2 В.
22. Коли до батареї приєднали резистор 16 Ом, сила струму становила 1 А. Потім цей резистор замінили іншим, опір якого 8 Ом, і сила струму зросла до 1,8 А. Знайдіть a) EPC та б) внутрішній опір батареї.
Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка
Автор: evg от 11-08-2016, 14:23, Переглядів: 4934