Prawo Ohma i opór elektryczny
Z ostatniej lekcji wiesz, że natężenie prądu płynącego przez opornik jest wprost proporcjonalne do napięcia między końcami tego opornika. Dzisiaj zajmiemy się bardziej szczegółowym opisem tej zależności. Odpowiemy także na pytanie, od czego zależy opór przewodnika.
opisać ruch elektronów w przewodniku, odbywający się pod wpływem przyłożonego napięcia;
podać znaczenie pojęć „napięcie elektryczne” i „natężenie prądu elektrycznego”;
podać jednostkę natężenia prądu elektrycznego – amper (A);
podać jednostkę napięcia elektrycznego – wolt (V);
opisać amperomierz jako przyrząd służący do pomiaru natężenia prądu elektrycznego, a woltomierz – jako przyrząd służący do pomiaru napięcia elektrycznego;
opisać ogniwa, baterie oraz akumulatory jako źródła napięcia elektrycznego.
podawać treść prawa Ohma;
używać pojęć „opór elektryczny” i „opór właściwy”;
korzystać z zależności między natężeniem, napięciem a oporem elektrycznym;
korzystać z zależności między jednostką oporu elektrycznego – omem () – a jej wielokrotnościami;
opisywać wpływ długości, pola przekroju i rodzaju materiału przewodnika na jego opór.
1. Prawo Ohma
Jeżeli między końcami obwodu lub pojedynczego elementu podłączysz napięcie elektryczne, to popłynie tamtędy prąd. Na poprzedniej lekcji badaliśmy, jak zależy natężenie tego prądu zależy od przyłożonego napięcia.
Czy między napięciem a natężeniem prądu płynącego przez odbiornik istnieje jakaś zależność? Na podstawie wykonanego doświadczenia można stwierdzić, że tak. Wyniki pomiarów wskazują, że wzrost napięcia np. dwa razy wpływa na równoczesny wzrost natężenia prądu tyle samo razy – obie wielkości fizyczne są do siebie wielkościami wprost proporcjonalnymi. Widać to również na poniższym wykresie:
Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego między jego końcami.
Tę zależność zapisujemy w postaci wzoru:
Georg Ohm (1789–1854) był niemieckim nauczycielem fizyki i profesorem matematyki na politechnice w Norymberdze, a potem na uniwersytecie w Monachium. W 1826 r. przeprowadził doświadczenie, na podstawie którego sformułował następujące prawo: natężenie prądu elektrycznego przepływającego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia przyłożonego między jego końcami.
Prawo Ohma nie jest jednak spełnione dla wszystkich przewodników. Jeżeli chcesz się o tym przekonać, wykonaj doświadczenie opisane w zadaniu domowym (zamiast opornika jest żarówka).
Zastanów się, czy wymiana elementu obwodu elektrycznego spowoduje jakieś zmiany. Załóżmy, że wykonamy pomiary dla dwóch różnych oporników i wyznaczymy natężenie prądu płynącego przez każdy z nich. Wynik jest przedstawiony na poniższym wykresie:
Zmiana elementu obwodu elektrycznego spowodowała zmianę widoczną na wykresie. Od czego zależy nachylenie linii oznaczających opór? Skorzystajmy z prawa Ohma:
Z tego wynika, że .
Aby obliczyć wartości i , wartość napięcia musimy podzielić przez odpowiadające mu natężenie prądu.
Jak widać, wartości współczynników są różne. Jeżeli taką samą wartość napięcia przyłożymy do końców opornika o małym oporze, to będzie tamtędy płynął prąd o większym natężeniu. Symbolizująca taki opornik na wykresie linia będzie bardziej stroma.
Miarą oporu elektrycznego obwodu jest stosunek (iloraz) napięcia elektrycznego między końcami opornika do natężenia płynącego w nim prądu.
Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest omom, oznaczany symbolem (grecka litera omega). Wynika z tego, że na powyższym wykresie opór będzie równy , a – .
– 1 om to opór przewodnika, w którym przy napięciu 1 V płynie prąd o natężeniu 1 A.
Od czego zależy opór?
Zastanówmy się najpierw, skąd bierze się opór elektryczny. Na początku tego rozdziału pisaliśmy, że ładunki elektryczne poruszają się pod wpływem przyłożonego napięcia, zderzają się z atomami i oddają im swoją energię. Dlatego napięcie elektryczne musi być przyłożone cały czas. Opór elektryczny wynika właśnie z przeciwdziałania przepływowi prądu przez element obwodu elektrycznego. Jest dość oczywiste, że im przewodnik będzie dłuższy, tym liczba zderzeń będzie większa. Innym parametrem przewodnika jest jego grubość, a dokładnie – pole jego przekroju. Jeżeli napięcie będzie cały czas takie samo, to w tym samym czasie przez przewodnik o większym polu przekroju popłynie większy ładunek, a zatem natężenie prądu będzie większe, a opór przewodnika – mniejszy.
Opór elektryczny zależy także od rodzaju materiału, z którego wykonano dany element. Każdy materiał ma określony opór właściwy.
Opór elektryczny przewodnika zależy od: oporu właściwego (), długości przewodnika () i pola jego przekroju poprzecznego ():
2. Prawo Ohma i opór elektryczny – rozwiązywanie zadań
Przez żarówkę o oporze płynie prąd o natężeniu Oblicz wartość napięcia przyłożonego do żarówki.
Rozwiązanie:
Korzystamy z prawa Ohma:
Z tego wynika, że .
Dane:
Szukane:
Obliczenia:
Odpowiedź:
Napięcie przyłożone do żarówki wynosi .
Uzupełnij puste miejsca wpisując dane liczbowe.
Pamiętaj o wpisaniu jednostek wielkości fizycznych w miejscach, gdzie jest to konieczne oraz oddzieleniu jednostki od wartości spacją.
Przez żarówkę latarki kieszonkowej o oporze 45 Ω przepływa prąd o natężeniu 0,1 A. Oblicz wartość napięcia, do którego podłączono żarówkę.
Rozwiązanie:
Wzór
............ = R · ............
Dane:
............ = ............ Ω
............ = ............
Szukane:
............ = ?
Obliczenia:
............ = ............ Ω · ............ = ............
Odpowiedź:
Do końców żarówek podłączono napięcie równe .............
Przez grzałkę czajnika elektrycznego włączonego do napięcia przepływa prąd o natężeniu . Oblicz, ile wynosi opór elektryczny grzałki.
Rozwiązanie:
Dane:
Szukane:
Obliczenia:
Odpowiedź:
Opór grzałki jest równy .
Uzupełnij puste miejsca wpisując dane liczbowe. Pamiętaj o wpisaniu jednostek wielkości fizycznych i oddzieleniu ich od wartości spacją.
Jeśli żarówka jest podłączono na napięcia 12 V, to płynie przez nią prąd o natężeniu 240 mA. Oblicz opór tej żarówki.
Dane:
U = ............ ,
I = ............ mA = ............ A.
Szukane:
R = ?
Wzór:
R = ............ : ............
Obliczenia:
R = ............ : ............ = ............ Ω.
Odpowiedź:
Opór żarówki jest równy ............ Ω.
Na podstawie poniższego wykresu oblicz opór elektryczny odbiornika.
Wskazówka: Wybierz dowolny punkt leżący na niebieskiej linii.
Rozwiązanie:
Aby wyznaczyć wartość oporu elektrycznego, należy znać natężenie prądu płynącego przez odbiornik oraz wartość napięcia elektrycznego.
Wzór:
Dane (odczytane z wykresu):
Szukane:
Obliczenia:
Odpowiedź:
Opór elektryczny odbiornika wynosi .
Uwaga: sprawdź, czy wybór innego punktu wykresu zmieni wyznaczoną wartość oporu.
Kalkulator jest zasilany baterią . Oblicz natężenie prądu płynącego przez kalkulator, jeśli opór wynosi .
Wzór:
Dane:
Szukane:
Obliczenia:
Odpowiedź:
Przez kalkulator płynie prąd o natężeniu .
Uzupełnij puste miejsca wpisując dane liczbowe. Pamiętaj o wpisaniu jednostek wielkości fizycznych i oddzieleniu ich od wartości liczbowych spacją.
Samochód zabawka jest zasilany bateriami o łącznym napięciu 9 V. Oblicz natężenie prądu płynącego przez samochodzik jeśli, jego opór elektryczny wynosi 360 Ω.
Dane:U = ............
R = ............ Ω
Szukane:
I = ?
Wzór:
I = ............ : ............
Obliczenia:
I = ............ : ............ Ω = ..............
Odpowiedź:
Natężenie jest równe ...............
Podsumowanie
Natężenie prądu () jest wprost proporcjonalne do napięcia () przyłożonego do końców przewodnika. Zależność tę nazywamy prawem Ohma i zapisujemy w postaci wzoru:
, gdzie – opór elektryczny, – napięcie prądu.Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om ():
Wyszukaj informacje dotyczące oporu elektrycznego w ciele człowieka. Znalezioną wartość porównaj z oporem elektrycznym różnych urządzeń.
Poszukaj informacji na temat skutków przepływu prądu przez organizm człowieka. Wypisz po trzy skutki pozytywne i negatywne.
Razem z innymi uczniami zbadajcie, czy natężenie prądu elektrycznego płynącego przez żarówkę zależy od napięcia między jej końcami. Warto użyć starej żarówki choinkowej, która jest przeznaczona do pracy przy napięciu 14 V (koniecznie sprawdźcie oznaczenia na oprawce). Dla każdej pary napięcia U i natężenia I obliczcie stosunek U do I. Pamiętaj, aby pomiary wykonać dla napięć w zakresie od 1 V do 14 V (lub do maksymalnej wartości napięcia znamionowego żarówki). Sporządźcie także wykres zależności natężenia od napięcia między końcami żarówki. Przeanalizujcie wyniki i odpowiedzcie na pytanie: Czy żarówka spełnia prawo Ohma? Jaki wniosek wynika z analizy stosunku napięcia do natężęnia?
Słowniczek
– stosunek napięcia do natężęnia prądu.
– wielkość charakterystyczna dla danej substancji.
Zadania podsumowujące lekcję
Uzupełnij puste miejsca wybierając brakujące elementy z listy.
napięcia przyłożonego między końcami przewodnika, oporu właściwego przewodnika, amper(A), om (Ω), wolt (V), oporu elektrycznego, oporu właściwego przewodnika, oporu elektrycznego, napięcia przyłożonego między końcami przewodnika, kulomb (C)
Natężenie prądu elektrycznego jest wprost proporcjonalne do .........................................................................................................., a odwrotnie proporcjonalne do ........................................................................................................... Jednostką oporu elektrycznego jest ...........................................................................................................
Badano, jak natężenie prądu płynącego przez opornik zależy od jego napięcia. Wyniki pomiarów umieszczono w poniżej tabeli.
2 | 4 | 6 | 8 | ||
150 | 300 | 450 | 600 |
Wybierz poprawne stwierdzenia dotyczące analizy danych na wykresie przedstawiającym zależność natężenia prądu płynącego przez cztery różne oporniki od napięcia.
- Największy opór elektryczny ma opornik Z.
- Opornik W ma mniejszy opór niż opornik X.
- Opornik X ma większy opór elektryczny niż oporniki Y i Z.
- Opornik Y ma mniejszy opór elektryczny niż opornik W.