Вольт амперная характеристика закон ома

Закон Ома для участка цепи, формула.

Сила тока на участке цепи равна отношению напряжения на этом участке к его сопротивлению.

Закон Ома выражает связь между тремя величинами, которые характеризуют протекание электрического тока в цепи, — силой тока I, напряже­нием U и сопротивлением R.

Этот закон был установлен в 1827 г, немецким ученым Г. Омом и по­этому имеет его имя. В приведенной формулировке он называется также законом Ома для участка цепи.

.

Математически закон Ома записывается в виде следующей формулы:

Зависимость силы тока от приложенной разности потенциалов на концах проводника называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) проводника.

Для любого проводника (твердого, жидкого или газообразного) существует своя вольт-амперная характеристика. Наиболее простой вид имеет вольт-амперная характеристика металлических проводников, заданная законом Ома , и растворов электролитов. Знание вольт-амперной характеристики играет большую роль при изучении тока.

Закон Ома — это основа всей электротехники. Из закона Ома следует:

1. сила тока на участке цепи с постоянным сопротивлением пропорциональна напряжению на концах участка;
2. сила тока на участке цепи с неизменным напряжением обратно пропорциональна сопротив­лению.

Эти зависимости легко проверить экспериментально. Полученные с использованием схемы, представленной на рисунке выше, графики зависимости силы тока от напряжения при постоянном со­противлении () и силы тока от сопротивления представлены на рисунках ниже. В первом случае использован источник тока с регулируемым выходным напря­жением и постоянное сопротивление R_y во втором — аккумулятор и переменное сопротивление (магазин сопротивлений).

Физика. 10 класс

Вольт-амперная характеристика газового разряда. Для изучения разряда в газе удобно использовать стеклянную трубку с двумя электродами. Рассмотрим зависимость силы тока в газе от напряжения, приложенного к электродам трубки, — вольт-амперную характеристику газового разряда ( рис. 205.1 ).

Воздействие внешнего ионизатора ионизирует газ в пространстве между электродами. Одновременно с этим происходит и обратный процесс — превращение ионов в нейтральные атомы (молекулы). При небольшом напряжении между электродами незначительное количество образовавшихся ионов и электронов достигает электродов, создавая электрический ток. Большинство ионов рекомбинирует, не успевая достигнуть электродов. При увеличении напряжения между электродами возрастает количество заряженных частиц, достигших электродов, т. е. сила тока увеличивается. При этом сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению, т. е. выполняется закон Ома (участок графика АВ).

При дальнейшем повышении напряжения прямая пропорциональность нарушается (участок графика ВС). Начиная с некоторого значения напряжения (для точки С) все носители электрического заряда, образовавшиеся под воздействием ионизатора, достигают электродов, не успев рекомбинировать. При этом сила тока сохраняет постоянное значение и не зависит от напряжения (участок графика СD). Электрический ток, сила которого не зависит от напряжения, называют током насыщения.

При достаточно высоком напряжении свободные электроны, ускоряясь под действием электрического поля, приобретают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов (молекул) газа при соударении с ними. Процесс отрыва от атома (молекулы) газа одного или нескольких электронов, вызванный столкновением с этими атомами (молекулами) свободных электронов, называют ионизацией электронным ударом. Возникшие в результате ударной ионизации свободные электроны ускоряются электрическим полем и вызывают ионизацию новых частиц. Такие свободные электроны являются вторичным ионизатором. Это ведёт к лавинообразному нарастанию числа вторичных свободных электронов и положительно заряженных ионов ( рис. 205.2 ), а значит, и увеличению силы разрядного тока. Однако сам разряд всё ещё остаётся несамостоятельным, так как после прекращения действия внешнего ионизатора он продолжается только до тех пор, пока отрицательно заряженные ионы и все электроны (первичные и вторичные) движутся к аноду и достигают его, а положительно заряженные ионы — катода. Несамостоятельному лавинному разряду в газе соответствует участок графика DЕ на рисунке 205.1.

Однако в ряде случаев газовый разряд может существовать и после прекращения действия ионизатора. В этом случае имеющееся между электродами сильное электрическое поле является причиной сохранения газового разряда, который называют самостоятельным.

ВАХ и закон Ома в физике

Закон Ома — это физический закон, который определяет связь электродвижущей силы источника с силой тока, который протекает в проводнике, и сопротивлением проводника. Был установлен Георгом Омом эмпирическим путём в 1826 году, назван в его честь.

Формула Ома: ;
— показание гальванометра (сила тока);
— ЭДС источника;
— внутреннее сопротивление источника тока;
— сопротивление внешней цепи;

ВАХ (Вольт-амперная характеристика) — зависимость тока от напряжения в радиоэлементе.

Таким не хитрым образом мы познакомились с «ВАХ и законом Ома в физике»!

Конспект урока: Вольтамперная характеристика проводника. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводника

В предыдущем параграфе были приведены условия, необходимые для протекания электрического тока в проводнике. Помимо наличия свободных заряжённых частиц, необходимо внешнее электрическое поле, которое будет приводить к упорядоченному движению заряжённых частиц. Действие поля характеризуется физической величиной, называемой напряжением. Чтобы ток в проводнике был постоянным, надо приложить постоянное напряжение между его концами. Зададимся вопросом, как связаны между собой сила тока в проводнике I и напряжение U на его концах. Зависимость I U называют вольтамперной характеристикой проводника. Для удобства часто используется сокращённая аббревиатура «ВАХ».

Напряжение — это физическая величина, которая показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую.

Единица измерения в СИ: [ U ] = В (вольт).

Закон Ома для участка цепи

Рис. 1. Вольтамперная характеристика проводника

В 1827 г. Георг Ом экспериментально определил первую зависимость ВАХ металлического проводника. При постоянной температуре металлического проводника сила тока I в этом проводнике прямо пропорциональна напряжению U между его концами. Коэффициентом пропорциональности между I и U выступает сопротивление проводника R , или, точнее, его обратная величина 1 / R . Сопротивление характеризует проводник.

Электрическое сопротивление R — это физическая величина, характеризующая зависимость силы тока от свойств проводника, равная отношению напряжения U между его концами к силе тока I :

Единица измерения сопротивления в СИ — [ R ] = Ом .

Закон Ома для участка цепи справедлив для всех металлов и сплавов. Математическая запись закона выглядит следующим образом:

I = U R , U = I · R .

Пример 1

Чему равна сила тока нагревательного элемента электрического чайника, подключённого в розетку городской квартиры, если сопротивление чайника равно 25 Ом?

Решение

1. Сетевое питание городских квартир рассчитано на выходное напряжение в 220 В.

2. Воспользуемся законом Ома для участка цепи:

I = U R = 220 25 = 8 , 8 А .

Ответ: I = 8 , 8 А .

Упражнение 1

1. Напряжение на зажимах электрического утюга 220 В. Чему равно сопротивление нагревательного элемента, если сила тока в нагревательном элементе равна 4,4 А.

2. Каким сопротивлением обладает вольтметр на 100 В, если сила тока в нём не должна превышать 0,02 А?

3. На рисунке представлены вольтамперные характеристики двух различных проводников. У какого из них сопротивление больше?

Сопротивление проводника

Рис. 2. А) реостат, б) схематическое изображение реостата

От чего же будет зависеть сопротивление проводника? Представим себе цилиндрический провод, по которому течёт электрический ток. Проведём аналогию с движением жидкости в трубе. Понятно, что чем длиннее провод (труба), тем дольше заряжённые частицы (или молекулы жидкости) будут проходить через него (неё). Таким образом, сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l . Если мы будем менять поперечное сечение провода, например, увеличивать его, то заряжённым частицам будет «легче» пробежать через провод с поперечным сечением большой площади, так же как и молекулам жидкости. Следовательно, сопротивление проводника обратно пропорционально площади поперечного сечения проводника S .
И, конечно, различные материалы совершенно по-разному проводят электрический ток. Соответственно, сопротивление зависит от вещества, из которого сделан проводник. Зависимость сопротивления от длины проводника применяется в реостатах — резисторах с регулируемым сопротивлением (см. рис. 2), чтобы плавно изменять ток в цепи.

Связав все зависимости воедино, получим выражение для сопротивления однородного проводника:

[ ρ ] = 1 Ом · мм 2 м — удельное сопротивление;

[ S ] = мм 2 — площадь поперечного сечения;

[ l ] = м — длина проводника.

Информация об удельных сопротивлениях различных веществ приведена обычно в справочниках или задачниках по физике. Так, например, удельное сопротивление меди при комнатной температуре равно 0,017 Ом · мм 2 м .

Удельное сопротивление вещества — это физическая величина, которая определяет сопротивление проводника из данного вещества длинной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м 2 .

Стоит заметить, что размерность удельного сопротивления в СИ 1 Ом · м . Но поскольку площадь поперечного сечения обычно даётся в мм 2 , то удобно измерять удельное сопротивление в 1 Ом · мм 2 м .

Пример 2

Медная проволока длиной 100 м и площадью поперечного сечения
0,5 мм 2 включена в цепь с напряжением 80 В. Определите силу тока в проводнике.

Решение

1. Перечислим известные величины:

l = 100 м S = 0 , 5 мм 2 U = 80 В .

Площадь умышленно оставим в миллиметрах, поскольку удельное сопротивление будет измеряться в Ом · мм 2 м .

2. Чтобы рассчитать сопротивление проводника, нам потребуется удельное сопротивление меди:

ρ = 0 , 017 Ом · мм 2 м ;

R = ρ · l S = 0 , 017 · 100 0 , 5 = 3 , 4 Ом .

3. Рассчитаем силу тока, используя закон Ома для участка цепи:

I = U R = 80 3 , 4 = 23 , 5 А .

Ответ: I = 23 , 5 А .

Упражнение 2

1. Рассчитайте сопротивление следующих проводников, изготовленных:

a) из серебряной проволоки длинной 400 см и площадью поперечного сечения 0,7 мм 2 ;
б) из алюминиевой проволоки длинной 160 см и площадью поперечного сечения 0,4 мм 2 ;
в) из никелиновой проволоки длинной 120 м и площадью поперечного сечения 0,5 мм 2 .

2. Сила тока в железном проводе длинной 10 м и площадью поперечного сечения 0,8 мм 2 равна 400 мА. Каково напряжение на концах провода?

Зависимость сопротивления проводника от температуры. Сверхпроводимость

Обратим внимание, что удельное сопротивление вещества зависит от температуры. Так, с ростом температуры удельные сопротивления металлов и их сплавов увеличиваются, а удельные сопротивления электролитов, напротив, уменьшаются. С молекулярно-кинетической точки зрения при увеличении температуры проводник получает тепловую энергию, она в свою очередь передаётся атомам вещества, в результате чего их тепловая скорость возрастает. Вероятность столкновения атомов со свободными электронами увеличивается, соответственно, возрастает сопротивление проводника.

С понижением температуры происходит обратный эффект, и свободные электроны реже сталкиваются с атомами. Сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется необычное явление — сверхпроводимость металлов.

Зависимость удельного сопротивления металлического проводника от температуры такова:

ρ = ρ 0 · ( 1 + α · ∆ T ) ,

где ρ 0 — удельное сопротивление проводника при температуре 273 К;
α — термический коэффициент сопротивления; ∆ T = T — T 0 — изменение температуры проводника.
У электролитов температурный коэффициент α отрицательный.

Проводники, сопротивление которых равно нулю при определённых обстоятельствах, называют сверхпроводниками . А температура, при которой удельное сопротивление вещества падает до нуля, называют критической.

Контрольные вопросы

1. Как зависит сопротивление проводника от площади поперечного сечения?
2. Какой вид имеет вольтамперная характеристика металлического проводника при неизменной температуре?
3. Как выглядит математическая запись закона Ома?
4. Что называют сверхпроводниками?
5. Как выразить сопротивление проводника, зная силу тока в нём и напряжение на его концах?
6. Что такое удельное сопротивление вещества?
7. В чём измеряется сопротивление?