На рисунке 146 изображены графики зависимости силы тока от напряжения в металле, электролите и газе. Для какого вещества сила тока прямо пропорциональна напряжению? В каком случае зависимость силы тока от напряжения подчиняется закону Ома? В каком случае закон Ома невыполним?

рис. 146

В физике существует закон, который описывает связь между силой тока, напряжением и сопротивлением. Этот закон называется законом Ома. Его формулировка звучит следующим образом:

Сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

Основные понятия

1. Сила тока (I): Это количество электрического заряда, которое проходит через поперечное сечение проводника за единицу времени. Единица измерения — ампер (А).
2. Напряжение (U): Это разность электрических потенциалов между двумя точками цепи. Единица измерения — вольт (В).
3. Сопротивление (R): Это характеристика проводника, показывающая его способность препятствовать прохождению электрического тока. Единица измерения — ом (Ω).

Математическая запись закона Ома

Закон Ома выражается формулой:
$$ I = \frac{U}{R} $$
где:
− $I$ — сила тока (А),
− $U$ — напряжение (В),
− $R$ — сопротивление (Ω).

Этот закон применим только для линейных участков цепи, где сопротивление остается постоянным.

Прямо пропорциональная зависимость

Прямо пропорциональная зависимость между силой тока ($I$) и напряжением ($U$) означает, что график функции $I(U)$ является прямой линией, проходящей через начало координат. Это возможно только в том случае, если сопротивление проводника постоянно и не меняется при изменении напряжения. Прямо пропорциональная зависимость наблюдается в металлах, которые являются проводниками.

Зависимость силы тока от напряжения в различных средах

1. Металлы: Металлы характеризуются тем, что их сопротивление практически не зависит от напряжения. В металлах при комнатной температуре движение электронов происходит практически без изменений, и закон Ома соблюдается. Если график $I(U)$ — прямая линия, закон Ома выполняется.

2. Электролиты: Электролиты — это жидкие среды, содержащие ионы. При прохождении тока через электролиты сопротивление может изменяться. В электролитах добавляются процессы, связанные с движением ионов, химическими реакциями и поляризацией. Здесь закон Ома не всегда выполняется, и график зависимости силы тока от напряжения может быть нелинейным.

3. Газы: Газы, в нормальных условиях, являются плохими проводниками. Однако при достижении определенного напряжения газы начинают ионизироваться, и их проводимость резко возрастает. В этом случае график силы тока от напряжения становится нелинейным. Закон Ома для газов в обычных условиях не выполняется.

Анализ графиков

Для понимания связи между $I$ и $U$ можно обратиться к представленным графикам:

• График (а): Линейная зависимость между силой тока $I$ и напряжением $U$. Это говорит о том, что сила тока прямо пропорциональна напряжению, и сопротивление остается постоянным. Закон Ома выполняется.

• График (б): Нелинейная зависимость, но с постепенным увеличением силы тока при увеличении напряжения. Это характерно для среды, где происходят химические реакции или поляризация. Закон Ома не выполняется.

• График (в): Нелинейная зависимость с резким увеличением силы тока после достижения определенного напряжения. Это характерно для среды, где происходят ионизационные процессы, например, в газах. Закон Ома также не выполняется.