§ 29. Закон ома для однорідної ділянки електричного кола

-Явища, що відбуваються в електричних колах, характеризуються фізич-ними величинами: силою струму, напругою та опором, які певним чином

пов’язані між собою. Ви вже знаєте, що сила струму в провіднику прямо пропорційна напрузі на його кінцях.

Уперше явища в електричних колах докладно вивчив Георг Ом. У 1826 р. йому вдалося експериментально встановити залежність між силою струму, напругою та опором в електричних колах. Ця залежність виявилася дуже важливою й отримала назву закону Ома. Щоб зрозуміти його фізичний зміст, виконаємо досліди.

Дослід 1. Використовуючи джерело струму, амперметр, спіраль з нікелінового дроту (резистор), вольтметр, ключ і з’єднувальні провідники, складемо електричне коло (мал. 174, а). На малюнку 174, б наведено схему цього кола. Амперметр, увімкнутий в коло послідовно, показуватиме силу струму, що проходитиме у спіралі. Вольтметр, приєднаний до спіралі паралельно, показуватиме напругу на її кінцях. Опір спіралі не змінюватиметься.

Замкнемо ключ та знімемо покази вольтметра й амперметра. Вони становитимуть: U = 4 В; / = 1 А. Якщо збільшимо напругу вдвічі, тобто U = 8 В, то амперметр покаже силу струму вдвічі більшу, тобто 1 - 2 А. У ході досліду доходимо такого висновку:

при сталому опорі провідника сила струму, що проходить у ньому, прямо пропорційна напрузі на його кінцях.

Дослід 2. Складемо таке саме електричне коло, як у попередньому досліді, тільки замість однієї ніхромової дротини вмикатимемо по черзі дротини, що мають відповідно опір 1 Ом, 2 Ом, 4 Ом (мал. 175, а).

Напруга на кінцях кожного провідника під час досліду буде сталою, контролюватимемо її значення весь час за показами вольтметра. Силу струму в колі вимірюватимемо амперметром.

Результати проведених дослідів виявляться такими: напруга на кінцях провідників становила 2 В; коли вмикали провідник опором 1 Ом, сила струму в колі становила 2 А, 2 Ом - 1 А, 4 Ом - 0,5 А. Відклавши ці значення на осях координат, побудуємо графік (мал. 175, б). Бачимо, що це гіпербола, тобто: що більший опір провідника, то менший струм у ньому проходить.

Отже, доходимо висновку, що

при сталій напрузі сила струму в провіднику обернено пропорційна його опору.

Поєднавши результати обох дослідів, запишемо формулу залежності сили струму в провіднику і від напруги на кінцях провідника U і його опору R:

U

R

Ця формула й виражає закон Ома.

Сила струму в однорідній ділянці електричного кола прямо пропорційна напрузі на цій ділянці й обернено пропорційна опору цієї ділянки.

На законі Ома ґрунтується експериментальний спосіб визначення опору провідника. Із закону Ома випливає, що

Отже, для визначення опору провідника потрібно виміряти на ньому напругу, потім — силу струму в ньому, після чого значення напруги поділити на значення сили струму.

Із цієї формули також видно, що одиниця електричного опору дорівнює відношенню одиниці напруги до одиниці струму, тобто

1 Ом = I В/1 А = I В/А.

Якщо відомі опір і сила струму на ділянці кола, то закон Ома дає змогу розрахувати напругу на його кінцях:

U = IR.

Щоб визначити напругу на кінцях ділянки кола, потрібно силу струму в цій ділянці помножити на її опір.

ЦЕ ЦІКАВО ЗНАТИ

Георг Ом після виходу книжки «Теоретичні дослідження електричних кіл», у якій він виклав свій закон, написав, що «рекомендує її добрим людям з теплим почуттям батька, не осліпленого мавпячою любов’ю до дітей, але який вдоволь-няється вказівкою на відкритий погляд, з яким його дитина дивиться на злий світ». Світ насправді виявився для нього злим, і вже через рік після виходу його праці в одному з журналів була опублікована стаття, у якій роботи Ома було піддано нищівній критиці. «Той, хто побожними очима дивиться на всесвіт, -говорилося в статті, - повинен відвернутися від цієї книжки, що є плодом непоправних оман, які переслідують єдину мету - применшити велич природи».

Злісні й безпідставні нападки на Ома не пройшли безслідно. Теорію Ома не прийняли. І замість продовження наукових досліджень він повинен був затрачати час і енергію на полеміку зі своїми опонентами. В одному зі своїх листів Ом написав: «Народження “Електричних кіл” принесло мені невимовні страждання, і я готовий проклясти час їхнього зародження».

Але це були тимчасові труднощі. Поступово теорія Ома здобула повного визнання у світі науки. Закон Ома вніс таку ясність у правила розрахунку струмів і напруг в електричних колах, що американський учений Дж. Генрі, довідавшись про відкриття Ома, не стримався від вигуку: «Коли я перший раз прочитав теорію Ома, то вона мені здалася блискавкою, що раптом освітила кімнату, занурену в морок».

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1.    Як зміниться сила струму на ділянці кола, якщо при незмінному опорі збільшити напругу на її кінцях?

2.    Як зміниться сила струму, якщо при незмінній напрузі збільшити опір ділянки кола?

3.    Сформулюйте закон Ома.

4.    Як за допомогою вольтметра і амперметра можна виміряти опір провідника?

5.    За якою формулою визначається напруга, якщо відомі сила струму й опір даної ділянки?

6.    Поясніть, чому формула для розрахунку опору провідника, отримана із закону Ома, не має фізичного змісту.

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ Розв’язуємо разом

1. Сила струму в колі електричної лампи дорівнює 0,3 А. Скільки електронів пройде крізь поперечний переріз спіралі за δ хв?

Підставивши значення, отримаємо:

R= 150 В : 0,01 А = 15 000 Ом = 15 кОм.

Відповідь: опір вольтметра дорівнює 15 кОм.

3. Що змінилося на ділянці кола, якщо ввімкнений послідовно з нею амперметр показує збільшення сили струму?

Відповідь: підвищилася напруга або зменшився опір.

Рівень А

202.    Сила струму в колі електричної плитки дорівнює 1,4 А. Який електричний заряд проходить крізь спіраль за 10 хв?

203.    Обчисліть силу струму в провіднику, крізь поперечний переріз якого за кожну хвилину проходить заряд 36 Кл.

204.    У ввімкненому в електричне коло приладі сила струму дорівнює 6 мкА. Який заряд проходить крізь цей прилад за 10 хв?

205.    За який час крізь поперечний переріз провідника пройде заряд 10 Кл при силі струму 2 А?

206.    Амперметр, увімкнений в електричне коло, показує силу струму 4 А. За який час крізь цей амперметр пройде заряд 20 Кл?

207.    Виразіть в амперах силу струму, яка дорівнює: 2000 мА; 100 мА; 55 мА; 3 кА.

208.    На малюнку 176 зображено шкали двох амперметрів. Визначте для кожного амперметра межі вимірювання і ціну поділки шкали. Яку силу струму показує кожний амперметр?

209.    Під час вимірювання сили струму в електричному колі один учень увімкнув амперметр у коло послідовно, а другий - паралельно. Який з учнів неправильно приєднав амперметр? Чому?

210.    На малюнку 177 зображено електричні кола. Які прилади ввімкнуті в електричні кола? Накресліть електричні схеми цих кіл. Яку силу струму зафіксував кожний з амперметрів?

211.    Унаслідок переміщення заряду 12 Кл по спіралі електричної лампи виконана робота 240 Дж. Яка напруга на затискачах лампи?

212.    Визначте напругу на ділянці електричного кола, на якій струм виконав роботу 10 кДж при перенесенні заряду 10 Кл.

213.    Визначте напругу на автомобільній лампі, якщо для переміщення в ній заряду 100 Кл треба виконати роботу 1200 Дж.

214.    На малюнку 178 зображено шкали трьох вольтметрів. Для кожного вольтметра визначте межі вимірювання і ціну поділки шкали. Визначте, яку напругу показує кожний вольтметр.

215. Один учень увімкнув вольтметр в електричне коло послідовно, а другий - паралельно. Який вольтметр увімкнено правильно?

216.    Треба виміряти напругу на електролампі, увімкненій в освітлювальну мережу. Який з двох вольтметрів: на 300 чи на 150 В має вибрати учень? Напруга в мережі становить 220 В.

217.    Виміряйте напругу на виводах гальванічного елемента та батареї гальванічних елементів. Які покази ви зафіксували?

218.    На малюнку 179, а показано, як потрібно з’єднати елементи, щоб вимірювати силу струму в електричному колі, а на малюнку 179, б — напругу. У чому полягає відмінність між вимірюванням сили струму і напруги в електричному колі?

219.    Потрібно виміряти силу струму в електродвигуні й напругу, під якою він працює. Накресліть схему вмикання приладів.

220.    В електричній лампі, розрахованій на напругу 220 В, сила струму дорівнює 0,5 А. Визначте опір нитки лампи в робочому стані.

221.    Електрична плитка розрахована на напругу 220 В. Опір її спіралі дорівнює 75 Ом. Визначте силу струму в ній.

222.    Визначте силу струму в електричній лампі кишенькового ліхтаря, якщо опір нитки розжарювання дорівнює 15 Ом і приєднана вона до батареї гальванічних елементів, напруга якої 4,5 В.

223.    Вольтметр показує напругу 120 В. Який опір вольтметра, якщо крізь нього проходить струм 10 мА?

224.    Визначте опір електричної лампи, сила струму в якій дорівнює 0,5 А при напрузі 120 В.

225.    При напрузі 1,2 кВ сила струму в колі одного із блоків телевізора дорівнює 50 мА. Визначте опір кола цього блока.

226.    Яку напругу треба прикласти до провідника, опір якого 1000 Ом, щоб отримати в ньому силу струму 8 мА?

227.    У паспорті амперметра написано, що його опір дорівнює 0,1 Ом. Визначте напругу на затискачах амперметра, якщо він показує силу струму 10 А.

228.    Визначте напругу на кінцях провідника, опір якого дорівнює 20 Ом, якщо сила струму в провіднику 0,4 А.

Рівень Б

229.    Крізь одну електричну лампу проходить заряд 450 Кл за кожні 5 хв, а через другу - 15 Кл за 10 с. У якій із ламп сила електричного струму більша?

230.    Скільки електронів проходить за секунду крізь поперечний переріз провідника, якщо сила струму в ньому дорівнює 5 А?

231.    Крізь поперечний переріз провідника в електричному колі щосекунди проходить 3,1 · 10^ІЯ електронів. Визначте силу струму в колі. Скільки електронів проходить крізь поперечний переріз спіралі електричної лампи в цьому колі?

232.    На малюнку 180 зображено шкали вимірювальних приладів. Як називаються ці прилади? Для вимірювання якої фізичної величини їх використовують? На яке максимальне значення вимірюваної величини розрахований кожний із приладів? Яка ціна поділки шкал приладів? Яке значення вимірюваної величини показує кожний із приладів?

233.    Як за допомогою вольтметра визначити полюси джерела постійного струму?

234.    Чому опір є однією з найважливіших характеристик провідників?

235.    Чому всі провідники певною мірою спричиняють опір напрямленому руху зарядів усередині провідника?

236.    Чи можна від батареї акумуляторів напругою 12 В отримати у провіднику силу струму 140 мА, якщо опір провідника дорівнює 100 Ом?

237.    У електромережу напругою 220 В увімкнули електричний чайник і настільну лампу. Опір нагрівального елемента чайника дорівнює 22 Ом, опір нитки розжарення лампи - 240 Ом.

Визначте силу струму в кожному із приладів.

238. Під час опосередкованих вимірювань опору резистора сфотографували амперметр і вольтметр (мал. 181). Визначте опір резистора.

Це матеріал з підручника фізика 8 клас Сиротюк