#хакнем_физика 👈 рубрика, содержащая интересный, познавательный контент по физике как для школьников, так и для взрослых 🥳
Закон Ома — сиди дома. Эту фразу давным-давно придумал какой-то талантливый прогульщик уроков физики. Сейчас ее небольшая переделка стала актуальной.
В физике сотни законов. В своем большинстве они установлены экспериментально и затем обоснованы теоретически. Есть законы, представляющие собой визитную карточку разделов физики, такие как:
- Законы механики Ньютона;
- Законы геометрической оптики.
Для электричества и электротехники, вероятно, первый из основополагающих — закон Ома.
Время идет быстро. В 2026 году, когда моряки России будет отмечать 330-летие ботика Петра, все человечество будет иметь основания отметить также 330-летие оптимального управления и 200-летие закона Ома.
Немецкий физик Георг Ом экспериментально установил, что для участка проводника отношение напряжения между его концами к силе тока I в нем — константа. Она получила название сопротивление, размерность Ω или Ом, наиболее распространенное обозначение R.
Таким образом, первоначальная запись закона Ома:
Современная запись этого закона для участка цепи:
Варианты закона Ома применяются для проводников и полупроводников, для участков электрических цепей постоянного и переменного тока, для их последовательных, параллельных, последовательно-параллельных соединений, для замкнутых цепей, при наличии одного или нескольких источников тока или напряжения в них, при наличии в цепях как резисторов (в обиходе — сопротивлений), так и конденсаторов и катушек индуктивности.
Ежегодно многие школьники, изучая физику, экспериментально проверяют закон Ома. При этом некоторые из них радостно его «опровергают», с помощью простейших пересчётов экспериментальных данных получая результат, не соответствующий этому закону. Как это происходит и как не получить ошибку?
Пусть есть набор:
Источник питания ИП — небольшой аккумулятор или гальванический элемент (батарейка) + резистор или «магазин сопротивлений» + тестер (с режимами измерения сопротивления, напряжения, силы тока, то-есть с режимами омметра, вольтметра и амперметра)+соединительные провода, все — с клеммами, позволяющими надежно и с заведомо пренебрежимо малыми переходными сопротивлениями соединить эти элементы.
Каковы действия экспериментатора-торопыги?
Он делает правильно почти все:
- Берет резистор и считывает с маркировки или измеряет омметром его сопротивление R;
- Присоединяет вольтметр к источнику питания и записывает показание прибора, считая, что это и есть расчетное напряжение U;
- Последовательно соединяет резистор и амперметр;
- Присоединяет эту цепочку к источнику питания;
- Записывает полученную величину силы тока I (экспериментальное);
- Затем вычисляет I (расчетное) = U / R и обнаруживает, что амперметр показал меньшую силу тока, чем экспериментатор насчитал.
Руки у него растут оттуда, откуда надо, он тщательно повторяет эксперименты. Повторные расчеты не ведут к устранению рассогласования. Упорно сила тока экспериментальная получается меньше расчетной.
Так в чем дело?
Рассмотрим эквивалентную схему экспериментальной цепочки. В источнике питания учтено его внутреннее сопротивление r, и теперь ясно, что вольтметр, подключенный к отдельно взятому источнику питания, показывал не рабочее напряжение, а оценку электродвижущей силы источника (ЭДС) Е*.
Для полной цепи закон Ома имеет вид:
Напряжение же на клеммах источника питания и на нагрузке — резисторе, при пренебрежимо малых внутреннем сопротивлении амперметра и проводимости вольтметра, равно U= Е-I* r.
На схеме показаны два прибора. Если же есть лишь один тестер, его придется подключать поочередно: параллельно резистору в режиме вольтметра и последовательно в режиме амперметра.
В варианте измерений, показанном на схеме, показания приборов U и I позволят подтвердить формулу (1) закона Ома для участка цепи.
Автор: #сергей_игоревич_рыбников , доктор технических наук, профессор