Зависимость силы тока от напряжения: главный закон электричества
Электричество окружает нас повсюду. Без него немыслима современная жизнь. Но что такое электрический ток? Как он возникает и от чего зависит? В этой статье мы разберем главный закон электричества - зависимость силы тока от напряжения.
История открытия закона Ома
В 1826 году немецкий физик Георг Ом опубликовал работу, в которой сформулировал основной закон электрических цепей. Этот закон устанавливает связь между силой тока, напряжением и сопротивлением на участке электрической цепи.
Георг Симон Ом родился в 1789 году в немецком городе Эрланген. Он получил образование физика и математика, работал школьным учителем. В 1817 году Ом стал профессором физики в Германии.
В начале 19 века активно развивалась электротехника, но теоретической базы для расчетов электрических цепей еще не было. Ом решил экспериментально исследовать зависимости в электрических цепях.
Для этого он собрал установку, которая состояла из источника тока, регулируемого реостата, амперметра и вольтметра. Реостат позволял менять сопротивление цепи. Ом методично проводил опыты, фиксируя показания приборов.
В результате многочисленных измерений Ом установил, что сила тока в цепи:
- прямо пропорциональна приложенному напряжению
- обратно пропорциональна сопротивлению цепи
Эти результаты и легли в основу сформулированного Омом в 1826 году закона. Он гласит: сила тока равна отношению напряжения к сопротивлению.
Физический смысл закона Ома
Чтобы понять физический смысл закона Ома, вспомним, как возникает электрический ток.
Ток - это упорядоченное направленное движение заряженных частиц. Это движение вызывается действием электрического поля на заряды.
Величина электрического поля характеризуется напряжением. Чем оно выше, тем сильнее поле ускоряет заряженные частицы. Соответственно, увеличивается и скорость их движения, то есть растет сила тока.
Поэтому зависимость между током и напряжением - прямо пропорциональная. Это подтверждается и экспериментально.
Сопротивление цепи характеризует, насколько трудно зарядам двигаться по ней. Чем выше сопротивление, тем меньше сила тока. Поэтому их зависимость обратно пропорциональная.
Таким образом, закон Ома полностью согласуется с физическими процессами в электрической цепи.
Экспериментальное подтверждение закона Ома
Проверить справедливость закона Ома можно с помощью простого эксперимента.
Для этого соберем цепь, состоящую из источника тока, резистора, ключа, амперметра и вольтметра. В качестве источника возьмем батарейку, а резистором послужит катушка провода.
Теперь замкнем цепь и измерим силу тока в ней и напряжение на резисторе. Полученные значения занесем в таблицу.
| Число батареек | Напряжение, В | Сила тока, А |
| 1 | 1,5 | 0,05 |
Затем подключим последовательно еще одну такую же батарейку и повторим измерения.
Если сравнить результаты, то увидим, что напряжение выросло в 2 раза, а сила тока тоже увеличилась во столько же раз. То есть их зависимость действительно прямо пропорциональная.
Аналогично, увеличивая сопротивление цепи путем замены резистора, можно убедиться в обратной зависимости между R и I.
Таким образом, опытным путем подтверждается справедливость закона Ома.
Расчет электрических цепей по закону Ома
Закон Ома позволяет рассчитывать параметры простых электрических цепей. Рассмотрим основные случаи.
Сопротивление проводника R определяется его геометрией - длиной L и площадью поперечного сечения S:
R = ρ*L/S
где ρ - удельное сопротивление материала. Чем длиннее проводник и меньше его сечение, тем выше сопротивление.
При последовательном соединении резисторов их сопротивления складываются:
R = R1 + R2 + R3 + ...
При параллельном соединении сопротивления пересчитываются по формуле:
1/R = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...
Зная сопротивление участка цепи и приложенное к нему напряжение, можно рассчитать силу тока по закону Ома:
I = U/R
Это позволяет, к примеру, подобрать сечение проводов или предохранители для электроприборов.
Измерение тока и напряжения
Для измерения силы тока используется прибор - амперметр. Он включается последовательно в цепь.
Принцип действия амперметра основан на законе Ома: ток в цепи создает на его внутреннем резисторе напряжение, пропорциональное силе тока.
Для измерения напряжений применяют вольтметр. Он подключается параллельно к участку цепи.
Вольтметр также использует закон Ома - измеряет ток, проходящий через его внутренний резистор, и вычисляет напряжение.
Приборы имеют классы точности, указывающие предел допустимой погрешности измерения.
Применение закона Ома
Благодаря закону Ома стало возможным проектирование и расчет сложных электрических цепей и устройств.
Он применяется при разработке систем электроснабжения зданий, регулировании скорости вращения электродвигателей, защите от перегрузок.
Закон Ома используется в электронике для расчета и подбора резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности.
Он позволяет диагностировать неисправности цепей по изменению токов и напряжений.
Таким образом, закон Ома - основа современной электротехники и электроники.
Любопытные факты о законе Ома
История открытия закона Ома полна интересных фактов.
Свою работу Георг Ом опубликовал на личные средства, так как академическое сообщество отнеслось к ней скептически.
Однако через 10 лет после публикации закон Ома признали важнейшим достижением физики.
В честь Ома названа единица электрического сопротивления - ом, а также закон, открытый им.
Любопытно, что Ом открыл свой закон, когда ему было всего 36 лет.
Закон Ома до сих пор остается фундаментальной основой электротехники и электроники.
Закон Ома в современной науке
Хотя закон Ома был открыт в 19 веке, он не потерял актуальности и в наши дни.
Современные исследования позволили выявить границы применимости закона Ома при больших токах и напряжениях.
Развитие нанотехнологий требует изучения электрических свойств веществ в наномасштабе. Закон Ома справедлив и здесь.
При создании новых материалов исследуют зависимость их сопротивления от температуры, давления и других параметров.
Таким образом, закон Ома - неотъемлемая часть физики конденсированного состояния.