Uczniowie pod opieką nauczyciela przeprowadzili badanie zależności prądu płynącego przez opornik od przyłożonego napięcia na lekcji: Study of the relationship between the current and the electrical voltage in the circuit.

Badali dwa różne oporniki.

Następnie uzyskane dane prezentowali graficznie za pomocą wykresu.

Wyobraźmy sobie, że wykonujemy jakąś pracę, na przykład przesuwasz szafę. Albo nawet dwie szafy – najpierw jedną, a później drugą. Pierwsza szafa porusza się łatwo. Wykonujecie pewną pracę i efekt jest widoczny – szafa szybko się przesuwa. Oznacza to, że opory ruchu są niewielkie. Gorzej jest z drugą szafą. Wykonujesz tę samą pracę co za pierwszym razem, ale szafa porusza się bardzo powoli. Opory ruchu są duże. Jako miarę oporów ruchu można uznać szybkość, z jaką przesuwa się szafa w czasie, gdy wykonujemy ustaloną pracę. Czy nie można byłoby podobnie mierzyć oporu stawianego przez przewodnik przepływowi prądu?

Powyższe wykresy wyraźnie sugerują zależność wprost proporcjonalną. Oznacza to, że zmiana przyłożonego napięcia powoduje proporcjonalne zmiany natężenia płynącego prądu. Potwierdza to uzyskaną wcześniej zależność , że $\frac{U}{I}=const$.

Prawo Ohma i opór elektryczny

Drugi

VI. Elektryczność. Uczeń:

12) posługuje się pojęciem oporu elektrycznego jako własnością przewodnika; stosuje do obliczeń związek między napięciem a natężeniem prądu i oporem; posługuje się jednostką oporu.

45 minut

Sformułowanie prawa Ohma.

1. Zbudowanie prostego obwodu elektrycznego.

2. Pomiar napięcia i natężenia prądu elektrycznego.

3. Sformułowanie prawa Ohma i jego doświadczalna weryfikacja.

Uczeń:

- buduje proste obwody,

- przedstawia prawo Ohma i go doświadczalnie weryfikuje.

1. Dyskusja rozwijająca się w toku wspólnego rozwiązywania problemu przez klasę lub grupę.

2. Porządkowanie i stosowanie uzyskanych wyników w nowych zadaniach o charakterze praktycznym lub teoretycznym.

1. Eksperymentowanie w grupach.

2. Burza mózgów.

- Z ostatniej lekcji wiesz, że natężenie prądu płynącego przez opornik jest wprost proporcjonalne do napięcia między końcami tego opornika.

- Na tej lekcji zajmiemy się bardziej szczegółowym opisem tej zależności.

- Odpowiemy także na pytanie, od czego zależy opór przewodnika.

1. Doświadczenie

Uczniowie pod opieką nauczyciela przeprowadzili badanie zależności prądu płynącego przez opornik od przyłożonego napięcia na lekcji: Study of the relationship between the current and the electrical voltage in the circuit.

Badali dwa różne oporniki.

Następnie uzyskane dane prezentowali graficznie za pomocą wykresu.

[Ilustracja 1]

[Ilustracja 2]

Powyższe wykresy wyraźnie sugerują zależność wprost proporcjonalną. Oznacza to, że zmiana przyłożonego napięcia powoduje proporcjonalne zmiany natężenia płynącego prądu. Potwierdza to uzyskaną wcześniej zależność , że $\frac{U}{I}=const$.

[Ilustracja 3]

Z przedstawionych wykresów wynika, że dla każdego opornika stosunek $\frac{U}{I}$ jest inny.

2. Jaka jest miara oporu, który materiał przewodnika stawia przepływowi prądu?

Analogia mechaniczna.

Wyobraźmy sobie, że wykonujemy jakąś pracę, na przykład przesuwasz szafę. Albo nawet dwie szafy – najpierw jedną, a później drugą. Pierwsza szafa porusza się łatwo. Wykonujecie pewną pracę i efekt jest widoczny – szafa szybko się przesuwa. Oznacza to, że opory ruchu są niewielkie. Gorzej jest z drugą szafą. Wykonujesz tę samą pracę co za pierwszym razem, ale szafa porusza się bardzo powoli. Opory ruchu są duże. Jako miarę oporów ruchu można uznać szybkość, z jaką przesuwa się szafa w czasie, gdy wykonujemy ustaloną pracę. Czy nie można byłoby podobnie mierzyć oporu stawianego przez przewodnik przepływowi prądu?

Nawiązanie do analogii mechanicznej.

- Zamiast szafy mamy porcję ładunku elektrycznego. Pracę wykonaną przez siły elektryczne nad porcją ładunku o wielkości jednego kulomba nazywamy napięciem. Szybkości szafy natomiast odpowiada ilość przepływającego na sekundę ładunku, czyli natężenie prądu.

-  Zatem miarą oporu elektrycznego może być natężenie prądu uzyskane pod wpływem danego napięcia.

- Zwiększenie napięcia (czyli zwiększenie wykonywanej pracy) spowoduje zwiększenie ilości przepływającego w jednostce czasu ładunku, czyli natężenia prądu, ale opory pozostają te same. To tak, jakbyśmy bardziej przyłożyli się do przesuwania szafy i uzyskali większą jej szybkość.

- Opory ruchu się jednak przez to nie zmienią. Zatem miarą oporu elektrycznego może być stosunek przyłożonego do przewodnika napięcia do uzyskanego w ten sposób natężenia prądu przepływającego przez przewodnik.

Definicja oporu przewodnika:

Jak każdą wielkość fizyczną, opór wyrażamy w pewnych jednostkach. Jednostka oporu elektrycznego to om. Cóż to takiego? Otóż om to opór takiego przewodnika, że napięcie o wartości 1 wolt wywołuje w nim prąd o natężeniu 1 ampera:

3. Jaka jest zależność między napięciem elektrycznym i natężeniem prądu?

W przypadku wielu przewodników zależność ta jest najprostsza: natężenie prądu (skutek) jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia (przyczyna). Jeśli napięcie na końcach przewodnika zwiększymy, powiedzmy cztery razy, to i natężenie prądu płynącego przez ten przewodnik wzrośnie czterokrotnie.

Taka zależność między napięciem i natężeniem prądu nosi nazwę prawa Ohma.

Zapiszmy to prawo porządnie.

Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia panującego na końcach tego przewodnika.

I jest proporcjonalne do U.

Współczynnik proporcjonalności jest odwrotnością oporu elektrycznego. By się o tym przekonać, wystarczy przekształcić nieco wzór na opór elektryczny (definicję oporu):

Albo

[Slideshow]

Jest to dość oczywiste. Im większe napięcie przyłożymy, tym większy prąd popłynie. Im większy opór stawia przewodnik, tym prąd będzie mniejszy. Przypomnij sobie przykład z szafą – im większą pracę będziecie wykonywać, tym większy będzie efekt: szafa szybciej się będzie przesuwać. Im większe będą opory ruchu, tym ten efekt będzie słabszy – szafa będzie poruszać się wolniej.

Prawo Ohma opisuje sytuację, najprostszego przypadku związku między napięciem przyłożonym do przewodnika (opornika), a natężeniem prądu przez ten przewodnik płynącego.

Sformułowanie prawa Ohma.

Stosunek napięcia panującego na końcach przewodnika do natężenia prądu płynącego przez przewodnik jest stały.

Wzór na prawo Ohma - postać 1:

gdzie:
I - natężenie prądu (w układzie SI w amperach – A),
U - napięcie między końcami przewodnika (w układzie SI w woltach – V).

Wzór na prawo Ohma - postać 2:

Inaczej prawo Ohma można sformułować także w postaci zapisu symbolicznego:

I ~ U (I jest proporcjonalne do U)

Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia.

Prawo Ohma opisuje sytuację, najprostszego przypadku związku między napięciem przyłożonym do przewodnika (opornika), a natężeniem prądu przez ten przewodnik płynącego.

Stosunek napięcia panującego na końcach przewodnika do natężenia prądu płynącego przez przewodnik jest stały:

gdzie:
I - natężenie prądu (w układzie SI w amperach – A),
U - napięcie między końcami przewodnika (w układzie SI w woltach – V).

Inaczej prawo Ohma można sformułować także w postaci zapisu symbolicznego:

I ~ U (I jest proporcjonalne do U)

Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia.