bilim.techО проекте

Закон Ома

Почему тонкий провод греется, а предохранитель сгорает при коротком замыкании? Меняй напряжение и сопротивление, смотри на амперметр, вольтметр и нагрев резистора.

01 Что это такое

Напряжение толкает заряды по цепи, сопротивление им мешает. Ток показывает, сколько заряда в итоге проходит за секунду.

Проще всего представить воду. Бак поднят на высоту и давит на воду в трубе: это напряжение. Узкий участок трубы тормозит поток: это сопротивление. Сколько литров вытекает за секунду: это ток. Поднимешь бак выше, потечет больше. Сделаешь трубу уже, потечет меньше. Закон Ома говорит то же самое числами.

высота = напряжение Uузкий участок = сопротивление Rпоток = ток Iшире труба: меньше R, больше I
Аналогия, а не точная модель: в проводе течет не вода, а электрический заряд. Но связь между величинами та же.
U
Напряжение, вольты (В). Насколько сильно источник толкает заряды. Пальчиковая батарейка дает 1,5 В, аккумулятор легковой машины 12 В, грузовика и карьерной техники 24 В.
I
Сила тока, амперы (А). Сколько заряда проходит через провод за одну секунду. Светодиод берет сотые доли ампера, стартер двигателя сотни ампер.
R
Сопротивление, омы (Ом). Насколько сильно проводник мешает току. Медный провод: доли ома, спираль нагревателя: десятки ом, тело человека: около тысячи ом.
02 Опыт
Меняй напряжение. Меняй сопротивление. Смотри на приборы. ЦЕПЬ ПОД НАПРЯЖЕНИЕМ
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

Какой ток потечет через резистор?

Рис. 2.2
ГОТОВЫЕ СЛУЧАИ

Ток растет прямо пропорционально напряжению (прямая), но падает обратно пропорционально сопротивлению (гипербола). Мощность растет как квадрат напряжения.

Ток, амперметр
Мощность на резисторе
Предохранитель 10 А

ⓘ Источник и провода идеальные: их собственное сопротивление равно нулю. Сопротивление резистора не зависит от нагрева. В цепи стоит предохранитель на 10 А.

03 Формулы по буквам

Закон Ома и мощность тока

Первые две формулы это один и тот же закон, записанный для разных вопросов. Третья отвечает, сколько энергии превращается в тепло. Под каждой формулой стоят числа из опыта: двигай ползунки выше, и подстановка пересчитается.

Какой ток потечет по цепи?

I = U / R

Ток равен напряжению, деленному на сопротивление. Больше напряжение, больше ток. Больше сопротивление, меньше ток.

I
сила тока, А
U
напряжение на участке цепи, В
R
сопротивление этого участка, Ом. 1 Ом это такое сопротивление, через которое при 1 В течет 1 А

Как узнать сопротивление по приборам?

R = U / I

Та же формула, решенная относительно R. Вольтметр показывает напряжение на детали, амперметр ток через нее. Делим одно на другое и получаем сопротивление. Именно так работает омметр в любом мультиметре.

U
показание вольтметра. Он подключается параллельно детали
I
показание амперметра. Он включается в разрыв цепи, последовательно
R
найденное сопротивление, Ом

Сколько тепла выделяется и почему сгорает предохранитель?

P = U · I = I² · R

Мощность показывает, сколько джоулей энергии ток отдает детали каждую секунду. В резисторе вся она уходит в тепло. Ток стоит в квадрате: в два раза больший ток греет провод в четыре раза сильнее.

P
мощность, ватты (Вт). 1 Вт = 1 Дж за секунду
U · I
напряжение, умноженное на ток
I² · R
то же самое, если подставить U = I · R. Удобно, когда известен ток

Откуда берется закон

Закон Ома вывели не на бумаге, а из опыта. В 1826 году Георг Ом пропускал ток через проволоки разной длины и измерял его при разном напряжении. Оказалось, что для каждой проволоки отношение U / I остается одним и тем же числом. Это число и назвали сопротивлением.

Если отложить результаты на графике, точки для одной проволоки ложатся на прямую, выходящую из нуля. Чем круче прямая, тем меньше сопротивление: при том же напряжении течет больший ток. На рисунке два резистора, 2 Ом и 4 Ом. При 12 В через первый течет 6 А, через второй вдвое меньше, 3 А.

Прямая получается не всегда. Нить лампы при нагреве увеличивает сопротивление в 10 раз и больше, у диода ток почти не течет, пока напряжение не превысит порог. Поэтому закон Ома точно работает для металлов при постоянной температуре, а для остальных деталей его применяют осторожно.

2464812R = 2 ОмR = 4 Омнапряжение U, Вток I, А
Измерения для двух резисторов. Наклон прямой равен 1 / R: при 12 В через 2 Ом течет 6 А, через 4 Ом 3 А.
04 Где и зачем это применяют

От мультиметра до электробезопасности

Допущения модели+

Источник считается идеальным: его напряжение не проседает под нагрузкой. У настоящего аккумулятора есть внутреннее сопротивление, поэтому при большом токе напряжение на клеммах падает, а ток короткого замыкания ограничен (об этом тема 2.6). Сопротивление резистора не меняется при нагреве, хотя у реальных деталей оно растет. Предохранитель в опыте срабатывает мгновенно, а настоящий перегорает тем быстрее, чем сильнее перегрузка. Для понимания закона и оценок модель работает хорошо.

Еще в направлении «Физика»

Все темы направления «Физика» →