Электрическое напряжение, ток и сопротивление¶

Электрическое напряжение, сила тока и электрическое сопротивление — три взаимосвязанные физические величины, описывающие протекание электрического тока в проводниках и цепях. Их количественная связь выражается законом Ома, который лежит в основе электротехники и радиотехники. Напряжение измеряется в вольтах (В), сила тока — в амперах (А), сопротивление — в омах (Ом).

¶Основные определения

Сила тока — скалярная величина, равная отношению заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, к промежутку времени, за который этот заряд прошёл. Обозначается буквой I, единица измерения — ампер. Один ампер соответствует прохождению одного кулона заряда за одну секунду. Постоянным называют ток, не меняющийся по величине и направлению со временем; переменный ток периодически изменяет направление и величину.

Электрическое напряжение — физическая величина, характеризующая работу электрического поля по переносу единичного положительного заряда между двумя точками цепи. Обозначается U, измеряется в вольтах. Один вольт равен работе в один джоуль при переносе заряда в один кулон. Напряжение часто называют разностью потенциалов, хотя строго эти понятия совпадают лишь для электростатического поля.

Электрическое сопротивление — величина, характеризующая противодействие проводника протеканию тока. Обозначается R, измеряется в омах. Один ом — сопротивление такого проводника, в котором при напряжении один вольт протекает ток силой один ампер. Величина, обратная сопротивлению, называется электрической проводимостью и измеряется в сименсах.

¶Закон Ома

Связь трёх величин установил немецкий физик Георг Симон Ом в 1826 году. Для участка цепи закон формулируется так: сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению:

I = U / R

Отсюда следуют два эквивалентных выражения: U = I · R и R = U / I. Для полной цепи закон Ома учитывает внутреннее сопротивление источника: I = ε / (R + r), где ε — электродвижущая сила источника, r — его внутреннее сопротивление.

¶Сопротивление проводника

Сопротивление зависит от материала и геометрии проводника. Для однородного цилиндрического проводника справедлива формула:

R = ρ · l / S

где ρ — удельное сопротивление материала, l — длина, S — площадь поперечного сечения. Удельное сопротивление измеряется в Ом·мм²/м или Ом·м. Наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро, медь и алюминий, поэтому их применяют для изготовления проводов.

Сопротивление металлов растёт с повышением температуры, что связано с усилением теплового рассеяния электронов. У полупроводников и электролитов зависимость обратная: при нагревании сопротивление падает. При очень низких температурах у ряда материалов наблюдается сверхпроводимость — полное исчезновение сопротивления.

¶Виды соединений

В электрических цепях элементы соединяются последовательно или параллельно.

При последовательном соединении общее сопротивление всегда больше наибольшего из слагаемых, при параллельном — меньше наименьшего.

¶Измерение величин

Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно с нагрузкой. Напряжение измеряется вольтметром, подключаемым параллельно участку цепи. Сопротивление измеряют омметром либо косвенно — по показаниям амперметра и вольтметра с использованием закона Ома. В лабораторной практике применяют также мультиметры, совмещающие все эти функции.

Для измерения больших токов используют шунты, для больших напряжений — добавочные сопротивления и делители напряжения. В цепях переменного тока различают амплитудные и действующие (эффективные) значения величин; бытовые 220 В в сети — это действующее значение напряжения.

¶Мощность и работа тока

Из трёх базовых величин выводится мощность электрического тока: P = U · I. С учётом закона Ома её можно записать также как P = I² · R или P = U² / R. Работа тока за время t равна A = U · I · t и измеряется в джоулях, а на практике — в киловатт-часах. Количество теплоты, выделяемое проводником с током, определяется законом Джоуля — Ленца: Q = I² · R · t.

¶Применение в технике

Соотношение напряжения, тока и сопротивления учитывается при проектировании любых электрических устройств. Подбор сечения проводов основан на допустимой плотности тока и падении напряжения на линии. Резисторы служат для ограничения тока и деления напряжения. Предохранители и автоматические выключатели защищают цепи от перегрузки по току. В электронике закон Ома применяется при расчёте усилительных каскадов, делителей, цепей смещения.

В бытовой сети России и большинства стран Европы действует переменное напряжение 220–230 В с частотой 50 Гц; в США и ряде других стран — 110–120 В при 60 Гц. Это определяет различия в конструкции бытовых приборов и требования к изоляции.

¶Единицы и кратные величины

В системе СИ основные единицы — ампер, вольт и ом — связаны с базовыми единицами через механические и электрические определения. На практике используются кратные и дольные единицы: миллиампер (10⁻³ А), микроампер (10⁻⁶ А), киловольт (10³ В), мегаом (10⁶ Ом), миллиом (10⁻³ Ом). Для переменного тока вводят понятие полного сопротивления (импеданса), учитывающего активную и реактивную составляющие.

Источники: учебники физики для средней школы, курс общей физики, справочники по электротехнике, материалы по закону Ома и единицам измерения системы СИ.