Постоянный электрический ток и закон Ома для участка цепи

Постоянный электрический ток и закон Ома для участка цепи

Электрический ток — упорядоченное движение заряженных частиц. В металлах ток создают свободные электроны. Постоянным называют ток, сила и направление которого не меняются со временем. За направление тока условно принимают направление движения положительных зарядов.

Сила тока и напряжение

Сила тока — заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за единицу времени: I = q / t. Измеряется в амперах (А). Напряжение на участке равно работе поля по перемещению единичного заряда: U = A / q.

Закон Ома для участка цепи

Сила тока на однородном участке прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению:

I = U / R.

Сопротивление R измеряется в омах (Ом) и для проводника равно R = ро · L / S, где ро — удельное сопротивление материала, L — длина, S — площадь сечения.

Соединение	Сопротивление	Ток / напряжение
Последовательное	R = R_1 + R_2	ток I одинаков
Параллельное	1/R = 1/R_1 + 1/R_2	напряжение U одинаково

Условия существования тока

Для существования постоянного тока нужны три условия: наличие свободных заряженных частиц, замкнутая цепь и источник, поддерживающий разность потенциалов. Без источника поле быстро выровняло бы потенциалы и ток прекратился. Действие тока проявляется в тепловом, магнитном и химическом эффектах.

Вольт-амперная характеристика

Зависимость силы тока от напряжения называют вольт-амперной характеристикой. Для металлического проводника при постоянной температуре она линейна — это и есть выполнение закона Ома. У лампы накаливания характеристика нелинейна: при нагреве нити её сопротивление растёт, и график искривляется.

Разобранный пример

Дано: U = 12 В, R_1 = 4 Ом, R_2 = 2 Ом (последовательно). Общее сопротивление: R = R_1 + R_2 = 6 Ом. Сила тока: I = U/R = 12 / 6 = 2 А. Напряжение на R_1: U_1 = I·R_1 = 2·4 = 8 В. Ответ: I = 2 А, U_1 = 8 В.

Если те же резисторы соединить параллельно: 1/R = 1/4 + 1/2 = 3/4, откуда R ≈ 1,33 Ом, что меньше любого из сопротивлений. Тогда I = 12 / 1,33 ≈ 9 А.

Частые ошибки. При последовательном соединении одинаков ток, а напряжения складываются; при параллельном одинаково напряжение, а токи складываются. Сопротивление параллельного участка всегда меньше наименьшего из сопротивлений. Удельное сопротивление зависит от температуры.

Проверяем зависимость I(U) в опыте

Цель — узнать, прямо ли пропорционален ток напряжению на выбранном резисторе при примерно неизменной температуре. Оборудование: учебный источник малого напряжения, резистор, реостат, ключ, амперметр, вольтметр и провода. Собранную цепь до включения проверяет учитель; бытовую розетку для опыта не используют.

1. Соедините резистор, амперметр, реостат и ключ последовательно. Вольтметр подключите параллельно резистору. Соблюдайте полярность и пределы приборов.
2. Измените реостатом напряжение в допустимом диапазоне. Для каждого режима запишите U и I одновременно; между измерениями размыкайте ключ, чтобы уменьшить нагрев.
3. Сделайте не менее трёх отсчётов. Укажите погрешности по прибору или условию работы, а не заимствуйте их из чужого опыта.
4. Постройте точки (U, I): U по горизонтали, I по вертикали. Сравните U/I и форму графика.

Учебные числа для обработки

Таблица ниже составлена редакцией как идеальная модель резистора; это не результаты проведённого измерения.

U, В	I, А	U/I, Ом
1,0	0,10	10
2,0	0,20	10
3,0	0,30	10

График — прямая через начало координат. Его наклон ΔI/ΔU = 0,10 А/В = 1/R, поэтому R = 10 Ом. Для реальных данных проведите разумную аппроксимирующую линию с учётом погрешности: не соединяйте случайные отклонения ломаной как новый закон.

Вывод ограничен образцом и диапазоном: «при условиях опыта ток приблизительно прямо пропорционален напряжению». Не делайте вывод «любой проводник всегда омический». Если резистор заметно нагрелся или предел прибора превышен, условия модели нарушены; эксперимент нужно скорректировать, а не подгонять числа.

Справочные материалы: Постоянный электрический ток и закон Ома для участка цепи — исходная тема. Связанные уроки: Электрическое поле и его характеристики, Конденсаторы и энергия электрического поля.

Кратко о главном

• Сила тока I = q / t (амперы), напряжение U = A / q (вольты).
• Закон Ома для участка: I = U / R.
• Сопротивление проводника R = ро·L / S.
• Последовательно: ток общий, R = R_1 + R_2; параллельно: напряжение общее, 1/R = 1/R_1 + 1/R_2.