§ 29. Электрическое сопротивление. Закон ома

Вспомните механический аналог электрической цепи (см. рис. 26.4). А теперь представьте, что именно вы будете «черпальщиком», то есть должны будете поддерживать вращение вертушки. Как затратить при этом меньше усилий? Скорее всего, вы сделаете так, чтобы вода из трубки выливалась медленнее, и поэтому выберете очень тонкую трубку, а перепад уровней воды в сосудах сделаете по возможности меньше. Вспомним, что разность уровней воды — аналог напряжения, а количество воды, прошедшей через трубку за 1 с, — аналог силы тока. Следовательно, можно предположить, что сила тока в проводнике уменьшается в случае уменьшения напряжения и зависит от проводящих свойств проводника. Проверим эти предположения.

Убеждаемся, что сила тока в проводнике зависит от напряжения на его концах

Соберем электрическую цепь, потребителем в которой будет металлический проводник (резистор), а источником тока — устройство, на выходе которого можно изменять напряжение. Для измерения силы тока в проводнике и напряжения на его концах используем амперметр и вольтметр (рис. 29.1, а).

Опыт покажет, что при увеличении напряжения на концах проводника в 2 раза сила тока в проводнике тоже возрастет в 2 раза (рис. 29.1, б); увеличение напряжения в 2,5 раза приведет к возрастанию силы тока тоже в 2,5 раза (рис. 29.1, в), и т. д. Таким образом, во сколько раз увеличивается напряжение на концах проводника, во столько же раз возрастает в проводнике сила тока. Другими словами, сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника. Эту зависимость впервые экспериментально установил немецкий ученый Г. Ом (рис. 29.2) в 1826 г.

Из курса математики вам известно, что такую зависимость можно передать формулой I = kU, где k — коэффициент пропорциональности, а также

в виде графика, представляющего собой прямую, проходящую через начало координат (рис. 29.3).

Зависимость силы тока в проводнике от напряжения на его концах называют вольтамперной характеристикой проводника.

Узнаём об электрическом сопротивлении

Проведя опыт, описанный в пункте 1, с другими проводниками, увидим, что в каждом проводнике сила тока прямо пропорциональна напряжению на его концах (I = kU), а вот коэффициент пропорциональности будет разным, о чем свидетельствуют разные углы наклона графиков (рис. 29.4). Таким образом, сила тока в проводнике зависит не только от напряжения на его концах, но и от свойств самого проводника.

Сила тока меньше в том проводнике, который имеет большее сопротивление. То есть чем больше сопротивление проводника, тем сильнее проводник противодействует прохождению тока — оказывает ему сопротивление. (При этом часть электрической энергии преобразуется во внутреннюю энергию проводника.)

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

Единица сопротивления в СИ — ом:

[R] = 1 Ом.

1 Ом — это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на концах 1 В сила тока равна 1 А:

1

* Величину в физике называют проводимостью. Единица проводимости в СИ —

R

сименс (См), названа так в честь немецкого физика и электротехника Эрнста Вернера фон Сименса (1816-1892), основателя известного концерна «Siemens». 1 См — электрическая проводимость проводника сопротивлением 1 Ом.

Большинство радиоэлектронных устройств невозможно представить себе без резисторов — деталей, обеспечивающих определенные сопротивления (рис. 29.5).

Формулируем закон Ома для участка цепи

Все, что вы узнали о зависимости силы тока в проводнике от напряжения на его концах, выполняется и для участка цепи с любым количеством проводников. Итак, закон Ома для участка цепи:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка.

Математически закон Ома записывают так:

где R — сопротивление участка цепи; оно зависит только от свойств проводников, составляющих участок.

Закон Ома — один из важнейших физических законов, и подавляющее большинство расчетов электрических цепей основано именно на нем. Используя закон Ома, получите формулу для расчета сопротивления проводника; расчета напряжения на концах проводника.

Учимся решать задачи Задача. На рисунке представлена вольт-амперная характеристика металлического проводника. Определите сопротивление данного проводника.

Анализ физической проблемы. График зависимости силы тока от напряжения — это прямая линия, поэтому для вычисления сопротивления воспользуемся координатами любой точки графика и законом Ома.

Подводим итоги

Сила тока I в участке цепи прямо пропорциональна напряжению U на концах этого участка. Эту закономерность называют законом Ома

Электрическое сопротивление — это физическая величина, характеризующая свойство проводника противодействовать (сопротивляться) прохождению электрического тока.

Единица сопротивления в СИ — ом; 1 Ом — это сопротивление такого проводника, в котором течет ток силой 1 А при напряжении на концах проводника 1 В (1 Ом = 1 В/А).

Контрольные вопросы    —

Ί. Опишите опыт, демонстрирующий, что сила тока в проводнике прямо

пропорциональна напряжению на его концах. 2. Опишите опыт, демонстрирующий, что сила тока в проводнике зависит от свойств проводника. 3. Дайте определение сопротивления проводника. 4. Что такое 1 Ом?

5. Сформулируйте закон Ома для участка цепи.

Упражнение № 29

1.    Пользуясь показаниями приборов (рис. 1), определите сопротивление электрической лампы.

2.    На рис. 29.4 представлены вольт-амперные характеристики нескольких проводников. Определите сопротивления этих проводников.

3.    Сила тока в спирали кипятильника равна 1,5 А. Определите напряжение на концах спирали, если ее сопротивление составляет 150 Ом.

4.    Сопротивление проводника равно 2 Ом. Представьте вольт-амперную характеристику этого проводника в виде графика.

5.    В проводнике, к концам которого приложено напряжение 12 В, за 5 мин прошел заряд 60 Кл. Определите сопротивление проводника.

6.    Если в электрической цепи (рис. 2) замкнуть ключ, то стрелка амперметра примет положение, показанное на рисунке. Определите цену деления шкалы амперметра.

7.    Зависит ли сопротивление проводника от силы тока в нем? от напряжения на его концах? Поясните свой ответ.

_г 8. Из медного провода с площадью поперечного сечения 10 мм² изготовлено кольцо диаметром 10 см. Определите массу кольца.