Фізика. Повторне видання. 8 клас. Сиротюк

§ 29. Закон Ома для однорідної ділянки електричного кола

Явища, що відбуваються в електричних колах, характеризуються фізичними величинами: силою струму, напругою та опором, які певним чином пов’язані між собою. Ви вже знаєте, що сила струму в провіднику прямо пропорційна напрузі на його кінцях.

Уперше явища в електричних колах докладно вивчив Георг Ом. У 1826 р. йому вдалося експериментально встановити залежність між силою струму, напругою та опором в електричних колах. Ця залежність виявилася дуже важливою й отримала назву закону Ома. Щоб зрозуміти його фізичний зміст, виконаємо досліди.

Дослід 1. Використовуючи джерело струму, амперметр, спіраль з нікелінового дроту (резистор), вольтметр, ключ і з’єднувальні провідники, складемо електричне коло (мал. 174, а). На малюнку 174, б наведено схему цього кола. Амперметр, увімкнутий в коло послідовно, показуватиме силу струму, що проходитиме у спіралі. Вольтметр, приєднаний до спіралі паралельно, показуватиме напругу на її кінцях. Опір спіралі не змінюватиметься.

Мал. 174

Мал. 175

Замкнемо ключ та знімемо покази вольтметра й амперметра. Вони становитимуть: U = 4 В; I = 1 А. Якщо збільшимо напругу вдвічі, тобто U = 8 В, то амперметр покаже силу струму вдвічі більшу, тобто I = 2 А. У ході досліду доходимо такого висновку:

при сталому опорі провідника сила струму, що проходить у ньому, прямо пропорційна напрузі на його кінцях.

Дослід 2. Складемо таке саме електричне коло, як у попередньому досліді, тільки замість однієї ніхромової дротини вмикатимемо по черзі дротини, що мають відповідно опір 1 Ом, 2 Ом, 4 Ом (мал. 175, а).

Напруга на кінцях кожного провідника під час досліду буде сталою, контролюватимемо її значення весь час за показами вольтметра. Силу струму в колі вимірюватимемо амперметром.

Результати проведених дослідів виявляться такими: напруга на кінцях провідників становила 2 В; коли вмикали провідник опором 1 Ом, сила струму в колі становила 2 А, 2 Ом - 1 А, 4 Ом - 0,5 А. Відклавши ці значення на осях координат, побудуємо графік (мал. 175, б). Бачимо, що це гіпербола, тобто: що більший опір провідника, то менший струм у ньому проходить.

Отже, доходимо висновку, що

при сталій напрузі сила струму в провіднику обернено пропорційна його опору.

Поєднавши результати обох дослідів, запишемо формулу залежності сили струму в провіднику I від напруги на кінцях провідника U і його опору R:

Ця формула й виражає закон Ома.

Сила струму в однорідній ділянці електричного кола прямо пропорційна напрузі на цій ділянці й обернено пропорційна опору цієї ділянки.

На законі Ома ґрунтується експериментальний спосіб визначення опору провідника. Із закону Ома випливає, що

Отже, для визначення опору провідника потрібно виміряти на ньому напругу, потім — силу струму в ньому, після чого значення напруги поділити на значення сили струму.

Із цієї формули також видно, що одиниця електричного опору дорівнює відношенню одиниці напруги до одиниці струму, тобто

1 Ом = 1 В/1 А = 1 В/А.

Якщо відомі опір і сила струму на ділянці кола, то закон Ома дає змогу розрахувати напругу на його кінцях:

U = IR.

Щоб визначити напругу на кінцях ділянки кола, потрібно силу струму в цій ділянці помножити на її опір.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...

Георг Ом після виходу книжки «Теоретичні дослідження електричних кіл», у якій він виклав свій закон, написав, що «рекомендує її добрим людям з теплим почуттям батька, не осліпленого мавпячою любов’ю до дітей, але який вдовольняється вказівкою на відкритий погляд, з яким його дитина дивиться на злий світ». Світ насправді виявився для нього злим, і вже через рік після виходу його праці в одному з журналів була опублікована стаття, у якій роботи Ома було піддано нищівній критиці. «Той, хто побожними очима дивиться на всесвіт, - говорилося в статті, - повинен відвернутися від цієї книжки, що є плодом непоправних оман, які переслідують єдину мету - применшити велич природи».

Злісні й безпідставні нападки на Ома не пройшли безслідно. Теорію Ома не прийняли. І замість продовження наукових досліджень він повинен був затрачати час і енергію на полеміку зі своїми опонентами. В одному зі своїх листів Ом написав: «Народження “Електричних кіл” принесло мені невимовні страждання, і я готовий проклясти час їхнього зародження».

Але це були тимчасові труднощі. Поступово теорія Ома здобула повного визнання у світі науки. Закон Ома вніс таку ясність у правила розрахунку струмів і напруг в електричних колах, що американський учений Дж. Генрі, довідавшись про відкриття Ома, не стримався від вигуку: «Коли я перший раз прочитав теорію Ома, то вона мені здалася блискавкою, що раптом освітила кімнату, занурену в морок».

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Як зміниться сила струму на ділянці кола, якщо при незмінному опорі збільшити напругу на її кінцях?
  • 2. Як зміниться сила струму, якщо при незмінній напрузі збільшити опір ділянки кола?
  • 3. Сформулюйте закон Ома.
  • 4. Як за допомогою вольтметра і амперметра можна виміряти опір провідника?
  • 5. За якою формулою визначається напруга, якщо відомі сила струму й опір даної ділянки?
  • 6. Поясніть, чому формула для розрахунку опору провідника, отримана із закону Ома, не має фізичного змісту.

РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ

1. Сила струму в колі електричної лампи дорівнює 0,3 А. Скільки електронів пройде крізь поперечний переріз спіралі за 5 хв?

Поділивши це значення на елементарний заряд, визначимо кількість електронів, що пройшли крізь поперечний переріз провідника:

Підставивши значення відомих величин, отримаємо:

N = 0,3 А • 300 с/1,6 • 10 19 Кл = 5,6 • 1020 електронів.

Відповідь: крізь поперечний переріз спіралі пройде 5,6 • 1020 електронів.

2. Який опір має вольтметр, розрахований на 150 В, якщо сила струму в ньому не повинна перевищувати 0,01 А?

Підставивши значення, отримаємо:

R = 150 В : 0,01 А = 15 000 Ом = 15 кОм.

Відповідь: опір вольтметра дорівнює 15 кОм.

3. Що змінилося на ділянці кола, якщо ввімкнений послідовно з нею амперметр показує збільшення сили струму?

Відповідь: підвищилася напруга або зменшився опір.