Конспект урока: Измерение силы тока и напряжения. Зависимость силы тока от напряжения. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводника

Зависимость силы тока от напряжения

Как нам уже известно, движение свободных электронов в проводнике вызвано действием электрического поля. Чем больше сила, с которой электрическое поле действует на заряды, тем большее количество частиц проходит через поперечное сечение проводника — тем больше сила тока в цепи.
 

Присутствие электрического поля обусловлено наличием напряжения между концами проводника — с ростом напряжения увеличится электрическая сила, действующая на заряды.
 

Из всего вышесказанного следует вывод, что с увеличением напряжения растёт значение силы тока в цепи.

Рис. 1. Экспериментальная установка для выявления зависимости силы тока от напряжения

 

Проведём эксперимент: соберём электрическую цепь, состоящую из источника тока, ключа, амперметра, вольтметра и проводника А (рис. 1). 

В данном случае вольтметр покажет напряжение на проводнике А.

Снимем показания с измерительных приборов:

I₁ = 1,5 A;
U₁ = 4,5 В.

Рис. 2. График зависимости силы тока от напряжения

 

Подключим в цепь дополнительный источник питания последовательно к первому источнику, увеличив тем самым напряжение в цепи, и снимем новые показания приборов. Затем снова повторим процедуру с третьим источником. Результаты измеренных величин отметим на графике (рис. 2).

Из полученной зависимости силы тока I от напряжения U видно, что сила тока возрастает прямо пропорционально напряжению.
 

Так, при увеличении начального напряжения в 2 раза до значения U₂ = 9 В сила тока в цепи также возрастёт в два раза: I₂ = 3 A.

Зависимость силы тока от сопротивления

Вернёмся к экспериментальной установке. Уберём два дополнительных источника питания и заменим проводник А на другой, изготовленный из того же материала, но большей длины.
 

Мы увидим, что показания амперметра изменились: значение силы тока стало меньше. С чем это связано?
 

Вспомним, что при движении через кристаллическую решётку под действием электрического поля электроны взаимодействуют с положительными ионами в узлах решётки, благодаря чему свободные носители заряда не разгоняются, а движутся с постоянной скоростью.
 

Очевидно, что характеристики проводника — его геометрические размеры и материал — влияют на скорость прохождения электронов через его вещество. Физическая величина, учитывающая характеристики проводника, называется сопротивление R.

Сопротивление обозначается латинской буквой R и в СИ измеряется в омах (Ом).

Рис. 3. График зависимости силы тока от сопротивления

Зависимость силы тока I от сопротивления R проводника представлена на рисунке 3.
 

Пусть в начале эксперимента при включении в цепь резистора сопротивлением R₁ = 2 Ом амперметр показывает силу тока, равную I₁ = 4 A. Если увеличить сопротивление в два раза R₂ = 4 Ом, сила тока уменьшится вдвое: I₂ = 2 A.

Из графика видно, что сила тока обратно пропорциональна сопротивлению проводника: во сколько раз увеличится сопротивление, во столько же раз уменьшится сила тока.

Закон Ома для участка цепи

Как мы выяснили, сила тока в цепи увеличивается при росте напряжения и уменьшается при замене проводника на другой, обладающий большим сопротивлением.

Математически данный вывод описывается законом Ома:
 

$I =\frac{U}{R}$, где
 

U [В] — напряжение между концами участка цепи;
I [А] — сила тока на данном участке;
R [Ом] — сопротивление участка.

Закон Ома установлен в 1826 году немецким учёным Георгом Омом (1787–1854) и назван в его честь.
 

При необходимости из формулы выше можно получить формулы для расчёта напряжения и сопротивления:

$U = I · R$;

$R = \frac{U}{I}$.

Итоги

• Закон Ома: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на данном участке и обратно пропорциональна его сопротивлению: $I =\frac{U}{R}$.
• Сопротивление R характеризует способность проводника препятствовать упорядоченному движению свободных электронов.
• Причина наличия сопротивления — взаимодействие электронов с положительными ионами в узлах кристаллической решётки.
• Резистор — проводник, обладающий сопротивлением.