Теория:
Для изучения зависимости электрических параметров соберём электрическую цепь, изображённую на схеме (рис.\(1\)).
Состав схемы (по часовой стрелке по ходу электрического тока):
- источник электрического напряжения (тока);
- электрический ключ для размыкания;
- последовательно подключённый амперметр для измерения силы тока в цепи;
- сопротивление (спираль никелиновой проволоки);
- вольтметр, подключённый параллельно к сопротивлению.
Рис. \(1\). Первая схема электрической цепи
При замыкании цепи отметим показания приборов. Используя регулятор напряжения на источнике, изменим напряжение в два раза. При этом показания вольтметра и амперметра также изменятся в два раза. Продолжим увеличивать напряжение на источнике. Наблюдения показывают, что при увеличении напряжения в \(3\) раза, вольтметр покажет увеличение напряжения на спирали в три раза. Во столько же раз увеличится и сила тока.
Опыт показывает зависимость изменения силы тока от приложенного напряжения.
Опыт показывает зависимость изменения силы тока от приложенного напряжения.
Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах проводника: \(I\backsim U\).
Эту зависимость можно изобразить графически:
Рис. \(2\). График зависимости силы тока в проводнике от напряжения между концами этого проводника
При включении в электрическую цепь источника тока различных проводников и амперметров увидим, что для разных проводников показания амперметров различны, значит, сила тока для каждого проводника отличается.
Рис. \(3\). Электрическая схема с набором различных сопротивлений \(AB\), \(CD\), \(EF\)
Графики тоже будут отличаться.
Рис. \(4\). Графики зависимости силы тока от напряжения для сопротивлений \(AB\), \(CD\), \(EF\)
Вольтметр подключим поочерёдно к концам этих проводников. Увидим равные значения напряжения. Значение силы тока на участке цепи пропорционально разности потенциалов на его концах и зависит от рода вещества проводника. Отличие электрических параметров \(U\) и \(I\) связано с тем, что проводники имеют разное электрическое сопротивление.
Сопротивление проводника равно \(1\) Ом, если в проводнике при напряжении на концах \(1\) вольт протекает сила тока \(1\) ампер:
\([R]=1\) Ом;
\(R=\frac{U}{I}\);
.
Единицы измерения применяют с кратными приставками: миллиом (мОм), килоом (кОм), мегаом (МОм).
\(1\) мОм = \(0,001\) Ом;
\(1\) кОм = \(1000\) Ом;
\(1\) МОм = \(1 000 000\) Ом.
Почему существует сопротивление? Движению электронов под действием поля мешают ионы кристаллической решётки металла.
Электрический ток — направленное движение заряженных частиц.
В середине \(XIX\) века Джеймс Кларк Максвелл объединил исследования Вольта, Эрстеда, Ампера, Ома, Фарадея в классическую электродинамику. Учёные придерживались гипотезы, что электричество переносят положительные частицы. Все законы строились на этом предположении.
За направление электрического тока принимают движение положительно заряженных частиц.
\(29\) апреля \(1897\) года Джозеф Джон Томсон выступил на заседании Королевского общества с докладом о катодных лучах, что и считается датой открытия электрона.
Электронный ток — направленное движение электронов.
В металлах электрический ток переносится электронами. Положительные ионы, связанные узлами кристаллической решётки, перемещаться не могут. Электроны, перемещаясь между ионами, сталкиваются с ними, отскакивают обратно, что уменьшает общий поток электронов.
Электрическое сопротивление — физическая величина, отражающая свойство проводника препятствовать электронному току.
\(R=\frac{U}{I}\);
\([R]=1~\frac{В}{А}=1~Ом\).
\(R=\frac{U}{I}\);
\([R]=1~\frac{В}{А}=1~Ом\).
Чтобы узнать, как зависит сила тока в цепи от сопротивления, обратимся к опыту (рис.\(4\)).
Рис. \(5\). Электрическая цепь с аккумулятором
На рисунке изображена электрическая цепь, источником тока в которой является аккумулятор.
- Напряжение \(2\) В на концах резисторов постоянно. Это подтверждают показания вольтметра, подключенного параллельно к резистору.
- Используются три постоянных резистора сопротивлениями \(1\), \(2\) и \(4\) Ом, которые подключаются в цепь поочерёдно.
- Сила тока в цепи измеряется амперметром, который подключен последовательно с резистором.
Таблица \(1\). Результаты опыта
| Напряжение на концах проводника, В | Сопротивление проводника, Ом | Сила тока в цепи, А |
\(2\) | \(1\) | \(2\) |
\(2\) | \(2\) | \(1\) |
\(2\) | \(4\) | \(0,5\) |
По опытным данным (табл.\(1\)) прослеживается закономерность, которую обнаружил ещё в \(1827\) году Георг Ом.
Сила тока в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника: \(I\backsim \frac{1}{R}\).
В честь этого ученого открытый им закон называют его именем — закон Ома для участка цепи.
Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению участка цепи:
,
где I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление.
При изменяющемся сопротивлении и постоянном напряжении на участке зависимость силы тока от сопротивления будет гиперболической:
Рис. \(6\). График зависимости силы тока от сопротивления проводника
Определить сопротивление проводника можно несколькими способами:
1. при помощи амперметра и вольтметра;
2. при помощи омметра;
3. при помощи мультиметра, который эксплуатируется в режиме омметра.
Таблица \(2\). Способы измерения сопротивления
амперметр и вольтметр | омметр | мультиметр в режиме омметра |
 Рис. 7. Амперметр и вольтметр |  Рис. 8. Омметр |  Рис. 9. Мультиметр |
 |  | |
Рис. 10. Обозначение омметра в цепи (или мультиметра в режиме измерения сопротивления)
Источники:
Рис. 2. График зависимости силы тока в проводнике от напряжения между концами этого проводника. © ЯКласс.
Рис. 4. Графики зависимости силы тока от напряжения для сопротивлений AB, CD, EF. © ЯКласс.
Рис. 6. График зависимости силы тока от сопротивления проводника. © ЯКласс.
Рис. 7. Старые советские измерительные приборы, Creative Commons Zero 1.0 License, https://openclipart.org/detail/205486/voltmeter-and-ammeter.
Рис. 8. Автор: Сергин Владимир Александрович - Собственный фотоснимок автора, Общественное достояние, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=4353228.
Рис. 9. Мультиметр. © ЯКласс.
Рис. 10. Указание авторства не требуется: 2021-06-07, бесплатно для коммерческого использования, https://clck.ru/VLDy3/.