§ 29. Електричний опір. Закон Ома

Згадайте механічний аналог електричного кола, запропонований у § 26 (див. рис. 26.4). А тепер уявіть, що досить тривалий час саме ви будете «черпальником», тобто маєте підтримувати обертання вертушки. Як це зробити з найменшими зусиллями? Скоріше за все, ви намагатиметеся зробити так, щоб вода з трубки виливалася повільніше, і, очевидно, оберете для цього дуже тонку трубку, а перепад рівнів води в посудинах зробите якомога меншим.

Згадайте, що різниця рівнів води — аналог напруги, а кількість води, що пройшла через трубку за 1 с, — аналог сили струму. Отже, можна припустити, що сила струму в провіднику зменшується в разі зменшення напруги і залежить від провідних властивостей провідника. Перевіримо ці припущення.

1. Переконуємося, що сила струму в провіднику залежить від напруги на його кінцях

Складемо електричне коло, споживачем у якому буде металевий провідник (резистор), а джерелом струму — пристрій, на виході якого можна змінювати напругу. Для вимірювання сили струму в провіднику та напруги на його кінцях використаємо амперметр і вольтметр (рис. 29.1, а).

Дослід покаже, що в разі збільшення напруги на кінцях провідника у 2 рази сила струму в провіднику так само зросте у 2 рази (рис. 29.1, б); збільшення напруги у 2,5 разу приведе до зростання сили струму також у 2,5 разу (рис. 29.1, в) і т. д. Таким чином, у скільки разів збільшується напруга на кінцях провідника, у стільки ж разів зростає в провіднику сила струму. Інакше кажучи, сила струму в провіднику прямо пропорційна напрузі на кінцях провідника. Цю залежність першим експериментально встановив німецький учений Г. Ом (рис. 29.2) у 1826 р.

Рис. 29.1. Дослід, який демонструє залежність сили струму в провіднику від поданої на провідник напруги

Рис. 29.2. Георг Сімон Ом (1787-1854) — німецький фізик, у 1826 р. експериментально відкрив закон, який був згодом названий його ім’ям

З курсу математики вам відомо, що таку залежність можна передати формулою I = kU, де k — коефіцієнт пропорційності, а також у вигляді графіка, який являє собою пряму, що проходить через початок координат (рис. 29.3).

Залежність сили струму в провіднику від напруги на його кінцях називають вольт-амперною характеристикою провідника.

Рис. 29.3. Графік залежності сили струму в провіднику від напруги на його кінцях — пряма лінія

2. Дізнаємося про електричний опір

Провівши дослід, описаний у пункті 1, з іншими провідниками, побачимо, що в кожному провіднику сила струму є прямо пропорційною напрузі на його кінцях (I = kU), а от коефіцієнт пропорційності буде різним, про що свідчать різні кути нахилу графіків (рис. 29.4). Отже, сила струму в провіднику залежить не тільки від напруги на його кінцях, але й від властивостей самого провідника.

Сила струму менша в тому провіднику, який має більший опір. Тобто чим більшим є опір провідника, тим сильніше провідник протидіє проходженню струму — створює йому опір. (При цьому частина електричної енергії перетворюється на внутрішню енергію провідника.)

Електричний опір — це фізична величина, яка характеризує властивість провідника протидіяти проходженню електричного струму.

Одиниця електричного опору в СІ — ом:

[R] = 1 Ом.

1 Ом — це опір такого провідника, в якому за напруги на кінцях 1 В сила струму дорівнює 1 А:

Рис. 29.4. Залежність сили струму від напруги для різних провідників

Рис. 29.5. Різні типи резисторів, які використовують в електротехніці. Опір резистора позначено на його корпусі

Більшість радіоелектронних пристроїв неможливо уявити без резисторів — деталей, що забезпечують певні опори (рис. 29.5).

3. Формулюємо закон Ома для ділянки кола

Усе те, що ви дізналися про залежність сили струму в провіднику від напруги на його кінцях, справджується і для ділянки кола, яка містить будь-яку кількість провідників. Отже, закон Ома для ділянки кола:

Сила струму в ділянці кола прямо пропорційна напрузі на кінцях цієї ділянки та обернено пропорційна електричному опору цієї ділянки кола.

Математичним записом закону Ома є формула:

де R — опір ділянки кола; він залежить тільки від властивостей провідників, що складають ділянку.

Закон Ома — один із найважливіших фізичних законів, і переважна більшість розрахунків електричних кіл ґрунтується саме на ньому.

Скориставшись законом Ома, отримайте формулу для розрахунку опору провідника; для розрахунку напруги на кінцях провідника.

4. Учимося розв’язувати задачі

Задача. На рисунку подано вольт-амперну характеристику металевого провідника. Визначте опір цього провідника.

Аналіз фізичної проблеми. Графік залежності сили струму від напруги — пряма, тому для визначення опору скористаємося координатами будь-якої точки графіка та законом Ома.

Підбиваємо підсумки

Контрольні запитання

1. Опишіть дослід, який демонструє, що сила струму в провіднику прямо пропорційна напрузі на його кінцях. 2. Опишіть дослід, який демонструє, що сила струму в провіднику залежить від властивостей провідника. 3. Дайте означення опору провідника. 4. Що таке 1 Ом? 5. Сформулюйте закон Ома для ділянки кола.

Вправа № 29

1. Користуючись показами приладів (рис. 1), визначте опір електричної лампи.

Рис. 1

2. На рис. 29.4 подано вольт-амперні характеристики кількох провідників. Визначте опори цих провідників.

3. Сила струму, який тече в спіралі кип’ятильника, дорівнює 1,5 А. Визначте напругу на спіралі, якщо її опір становить 150 Ом.

4. Опір провідника дорівнює 2 Ом. Подайте вольт-амперну характеристику цього провідника у вигляді графіка.

5. У провіднику, до кінців якого прикладено напругу 12 В, протягом 5 хв пройшов заряд 60 Кл. Визначте опір провідника.

6. Якщо в електричному колі (рис. 2) замкнути ключ, то стрілка амперметра розміститься так, як показано на рисунку. Визначте ціну поділки шкали амперметра.