ЗАКОН ОМА: ЕДИНИЦЫ И ФОРМУЛА, РАСЧЕТ, ПРИМЕРЫ, УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Закон Ома в его макроскопической форме указывает, что напряжение и сила тока в цепи прямо пропорциональны сопротивлению, являющемуся константой пропорциональности. Обозначая эти три величины как V, I и R соответственно, закон Ома гласит, что: V = IR

Точно так же закон Ома обобщен, чтобы включить элементы схемы, которые не являются чисто резистивными в цепях переменного тока, таким образом, он принимает следующую форму: V = IZ

Рисунок 1. Закон Ома применим ко многим схемам. Источник: Wikimedia Commons. Tlapicka

Где Z - полное сопротивление, которое также представляет сопротивление прохождению переменного тока элементом схемы, например конденсатором или индуктивностью.

Следует отметить, что не все материалы и элементы схемы соответствуют закону Ома. Те, в которых он действителен, называются омическими элементами, а те, в которых он не выполняется, называются неомическими или нелинейными.

Обычные электрические резисторы относятся к омическому типу, а диоды и транзисторы - нет, поскольку соотношение между напряжением и током в них не является линейным.

Закон Ома получил свое название от немецкого физика и математика баварского происхождения Джорджа Саймона Ома (1789–1854), который на протяжении своей карьеры посвятил себя изучению поведения электрических цепей. Единица измерения электрического сопротивления в Международной системе СИ была названа в его честь: ом, который также обозначается греческой буквой Ω.

Как рассчитывается?

Хотя макроскопическая форма закона Ома является наиболее известной, поскольку она связывает величины, которые легко измерить в лаборатории, микроскопическая форма связывает две важные векторные величины: электрическое поле E и плотность тока J :

Где σ - электрическая проводимость материала, свойство, показывающее, насколько легко проводить ток. Со своей стороны, J представляет собой вектор, величина которого представляет собой частное между силой тока I и площадью поперечного сечения A, через которую он циркулирует.

Логично предположить, что существует естественная связь между электрическим полем внутри материала и электрическим током, который циркулирует через него, так что чем больше ток, тем больше ток.

Но ток не вектор, так как не имеет направления в пространстве. С другой стороны, вектор J перпендикулярен или перпендикулярен площади поперечного сечения проводника, а его направление совпадает с направлением тока.

Из этой формы закона Ома мы приходим к первому уравнению, предполагая, что проводник имеет длину и поперечное сечение A, и заменяя величины J и E на:

Обратное значение проводимости называется удельным сопротивлением и обозначается греческой буквой ρ:

Таким образом:

Сопротивление проводника

В уравнении V = (ρℓ / A) .I постоянная (ρℓ / A) - это сопротивление, поэтому:

Сопротивление проводника зависит от трех факторов:

- Его удельное сопротивление ρ, типичное для материала, из которого он изготовлен.

-Длина ℓ.

-Площадь А его поперечного сечения.

Чем выше ℓ, тем больше сопротивление, поскольку у носителей тока больше возможностей столкнуться с другими частицами внутри проводника и потерять энергию. И наоборот, чем выше A, тем легче носителям тока упорядоченно перемещаться через материал.

Наконец, в молекулярной структуре каждого материала лежит легкость, с которой вещество пропускает электрический ток. Так, например, такие металлы, как медь, золото, серебро и платина, с низким удельным сопротивлением, являются хорошими проводниками, в то время как дерево, резина и масло - нет, поэтому они имеют более высокое удельное сопротивление.

Примеры

Вот два наглядных примера закона Ома.

Эксперимент по проверке закона Ома

Простой опыт иллюстрирует закон Ома, для этого вам понадобится кусок проводящего материала, источник переменного напряжения и мультиметр.

Между концами проводящего материала устанавливается напряжение V, которое необходимо постепенно изменять. С помощью переменного источника питания можно установить значения упомянутого напряжения, которые измеряются мультиметром, а также ток I, протекающий по проводнику.

Пары значений V и I записываются в таблицу, и по ним строится график на миллиметровой бумаге. Если результирующая кривая представляет собой прямую линию, материал омичен, но если это любая другая кривая, материал не омичен.

В первом случае можно определить наклон линии, который эквивалентен сопротивлению R проводника или его обратной, проводимости.

На изображении ниже синяя линия представляет один из этих графиков для омического материала. Между тем, желтая и красная кривые сделаны из неомических материалов, например, из полупроводника.

Рисунок 2. График I vs. V для омических материалов (синяя линия) и неомических материалов. Источник: Wikimedia Commons.

Гидравлическая аналогия закона Ома

Интересно знать, что электрический ток в законе Ома имеет поведение, подобное поведению воды, циркулирующей по трубе. Английский физик Оливер Лодж был первым, кто предложил моделировать поведение тока с помощью элементов гидравлики.

Например, трубы представляют собой проводники, поскольку по ним циркулирует вода, а через последние - носители тока. Когда в трубе есть сужение, прохождение воды затруднено, поэтому это эквивалентно электрическому сопротивлению.

Разница в давлении на двух концах трубки позволяет воде течь, что обеспечивает разницу в высоте или водяной насос, и, аналогично, разница в потенциале (батарея) - это то, что поддерживает движение заряда. , эквивалентный расходу или объему воды в единицу времени.

Поршневой насос будет играть роль источника переменного напряжения, но преимущество установки водяного насоса состоит в том, что гидравлический контур, таким образом, будет замкнут, так же, как электрическая цепь должна быть для протекания тока.

Рис. 3. Гидравлическая аналогия закона Ома: в а) проточная система и б) в простой резистивной цепи. Источник: Типпенс, П. 2011. Физика: концепции и приложения. 7-е издание. Макгроу Хилл.

Резисторы и переключатели

Эквивалент переключателя в цепи, это был бы кран. Интерпретируется это так: если цепь разомкнута (кран закрыт), ток, как и вода, не может течь.

С другой стороны, при замкнутом переключателе (полностью открытом кране) и ток, и вода могут без проблем протекать по проводнику или трубе.

Запорный кран или клапан также могут представлять сопротивление: когда кран полностью открыт, это эквивалентно нулевому сопротивлению или короткому замыканию. Если он полностью замыкается, это похоже на разомкнутую цепь, а при частичном замыкании - на сопротивление определенной величины (см. Рисунок 3).

упражнения

- Упражнение 1

Известно, что электрический утюг требует 2 А при 120 В. Какое у него сопротивление?

Решение

Найдите сопротивление по закону Ома:

- Упражнение 2.

Провод диаметром 3 мм и длиной 150 м имеет электрическое сопротивление 3,00 Ом при 20 ° C. Найдите удельное сопротивление материала.

Решение

Уравнение R = ρℓ / A подходит, поэтому сначала необходимо определить площадь поперечного сечения:

Наконец, при замене вы получаете:

Ссылки

1. Резник, Р. 1992. Физика. Третье расширенное издание на испанском языке. Том 2. Compañía Editor Continental SA de CV
2. Сирс, Земанский. 2016. Университетская физика с современной физикой. 14 ^чт . Изд. Том 2. 817-820.
3. Сервей, Р., Джуэтт, Дж. 2009. Физика для науки и техники с современной физикой. 7-е издание. Том 2. Cengage Learning. 752-775.
4. Типпенс, П. 2011. Физика: концепции и приложения. 7-е издание. Макгроу Хилл.
5. Севильский университет. Кафедра прикладной физики III. Плотность и сила тока. Получено с: us.es.
6. Уокер, Дж. 2008. Физика. 4-е изд. Пирсон. 725-728.