Физика · 8 класс · Физика ФГОС · урок 14 · только теория
Напряжение. Сопротивление. Закон Ома
Тема знакомит с двумя ключевыми характеристиками электрической цепи — напряжением и сопротивлением, а также с главным законом, связывающим их с силой тока. Закон Ома — это фундамент, на котором строится вся электротехника и электроника, от простейшей лампочки до сложных микросхем.
Чему учимся понимать
Научиться понимать, что такое напряжение и сопротивление, и применять закон Ома для расчёта электрических цепей.
Зачем это нужно
Понимание напряжения и сопротивления позволяет объяснить, почему одни устройства потребляют больше энергии, а другие меньше, как работают предохранители и почему провода нагреваются. Закон Ома лежит в основе проектирования любых электрических схем, от бытовой проводки до компьютерных процессоров.
Опорные понятия
Главные тезисы
- Напряжение — это физическая величина, характеризующая работу электрического поля по перемещению заряда.
- Напряжение измеряется в вольтах (В) и показывает, какую работу совершает поле, перемещая заряд в 1 кулон.
- Сопротивление — это свойство проводника препятствовать прохождению электрического тока.
- Сопротивление зависит от материала проводника, его длины и площади поперечного сечения.
- Закон Ома: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.
- Закон Ома справедлив для металлических проводников и электролитов при постоянной температуре.
- Вольтметр включается в цепь параллельно участку, а амперметр — последовательно.
Определения
- Электрическое напряжение
- Физическая величина, равная работе электрического поля по перемещению единичного положительного заряда между двумя точками цепи. Обозначается буквой U, измеряется в вольтах (В).
- Электрическое сопротивление
- Физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению электрического тока. Обозначается буквой R, измеряется в омах (Ом).
- Закон Ома
- Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению: I = U / R.
- Вольтметр
- Прибор для измерения напряжения. Включается в цепь параллельно тому участку, на котором измеряется напряжение.
- Амперметр
- Прибор для измерения силы тока. Включается в цепь последовательно с тем элементом, через который нужно измерить ток.
Ключевые факты и правила
- 1 вольт = 1 джоуль / 1 кулон (1 В = 1 Дж/Кл). Это значит, что при напряжении 1 В электрическое поле совершает работу 1 Дж при перемещении заряда 1 Кл.
- 1 ом — это сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на концах 1 В сила тока равна 1 А (1 Ом = 1 В / 1 А).
- Формула закона Ома: I = U / R, где I — сила тока (А), U — напряжение (В), R — сопротивление (Ом). Из неё можно выразить U = I · R и R = U / I.
- Сопротивление проводника вычисляется по формуле: R = ρ · l / S, где ρ — удельное сопротивление материала (Ом·мм²/м), l — длина проводника (м), S — площадь поперечного сечения (мм²).
- Удельное сопротивление — это табличная величина, показывающая сопротивление проводника длиной 1 м и площадью сечения 1 мм². Например, у меди ρ ≈ 0,017 Ом·мм²/м, у никелина ρ ≈ 0,4 Ом·мм²/м.
- При увеличении температуры металлического проводника его сопротивление увеличивается (это используется в термометрах сопротивления).
Теория
Вспомни, что такое электрический ток — это направленное движение заряженных частиц. Для возникновения тока нужно, чтобы на заряды действовала сила — её создаёт электрическое поле.
Пойми, что напряжение — это «работа поля» по перемещению заряда. Чем больше напряжение, тем сильнее поле «толкает» заряды, и тем больше ток.
Осознай, что сопротивление — это «помеха» движению зарядов. Оно зависит от материала проводника (атомы решётки сталкиваются с электронами), длины и толщины провода.
Свяжи эти величины законом Ома: I = U / R. Если увеличить напряжение — ток растёт; если увеличить сопротивление — ток падает.
Научись пользоваться формулой: зная две величины, всегда можно найти третью. Например, зная ток и напряжение, можно определить сопротивление участка цепи.
Примеры
- Пример 1расчёт
- Если к лампочке сопротивлением 200 Ом приложить напряжение 4,5 В (как у батарейки)
- то сила тока в ней будет I = 4,5 / 200 = 0,0225 А = 22,5 мА
- Пример 2случай
- Медный провод длиной 100 м и сечением 1 мм² имеет сопротивление R = 0,017 · 100 / 1 = 1,7 Ом
- Поэтому для длинных линий электропередач используют провода большего сечения, чтобы уменьшить потери
- Пример 3случай
- В электрическом чайнике нихромовая спираль имеет большое сопротивление (около 30 Ом)
- При напряжении 220 В через неё течёт ток около 7 А, что вызывает сильное нагревание спирали
Интересно знать
- Закон Ома был открыт Георгом Омом в 1827 году, но современники не оценили его работу. Признание пришло только через 14 лет, когда Ома наградили медалью Копли.
- Электрический угорь способен создавать напряжение до 600 В, используя специальные органы, работающие по принципу электрических батарей. Это напряжение достаточно, чтобы оглушить крупную добычу.
- Сопротивление человеческого тела может меняться от 1 кОм (влажная кожа) до 100 кОм (сухая кожа). Поэтому безопасность при работе с электричеством сильно зависит от условий.
Техника безопасности
- Нельзя прикасаться к оголённым проводам и контактам, находящимся под напряжением, — это опасно для жизни.
- При работе с электрическими цепями в школе всегда проверяй, что напряжение источника не превышает безопасных значений (обычно до 4–6 В).
- Нельзя подключать амперметр параллельно источнику или нагрузке — это вызовет короткое замыкание и может вывести прибор из строя.
Связанные темы
- Электрический ток. Сила тока
- Электрическое сопротивление проводника
- Последовательное и параллельное соединение проводников
- Работа и мощность электрического тока