У фізиці графік залежності сили струму від напруги називають вольт-амперною характеристикою (ВАХ). Він показує, як залежать параметри електричного кола або радіоелемента один від одного при їх зміні в широкому діапазоні. Його побудову можна виконати на основі практичних досліджень або теоретичних розрахунків. При цьому другий спосіб не точний, А перший не завжди можливо застосувати.
Загальні відомості
У XVI столітті дослідження вчених показали, що в природі існує щось, здатне викликати сили взаємодії між тілами. Згодом це явище назвали електрикою, а величину, що характеризує процес — зарядом. У 1729 році Шарль Дюфе відкрив існування двох їх типів. Однотипні мають властивість відштовхування один від одного, а однакові — притягування. Умовно їх розділили на позитивні і негативні.
По суті, електричний заряд визначає здатність речовини генерувати поле і брати участь в електромагнітній взаємодії. В якості одиниці виміру скалярної величини в СІ прийнятий кулон [Кл]. Носіями зарядів є елементарні частинки. Позначають їх за допомогою символу q.
У твердому тілі є ядра, що складаються з протонів і нейтронів. Навколо них по орбіталях обертаються електрони. Якщо на тіло не діють зовнішні сили, система знаходиться в електричній рівновазі. Пов’язано це з тим, що позитивний заряд ядра компенсується негативним електрона.
Але водночас в тілі можуть існувати так звані вільні електрони. Це частинки, які не мають зв’язку з ядром і вільно переміщаються по тілу. Їх рух хаотичний. Рухаючись по кристалічній решітці, електрони вдаряються з дефектами і домішками, віддаючи частину їм своєї енергії і перетворюючи її в тепло. Але це явище настільки незначне, що його складно виявити навіть спеціалізованими пристроями.
Якщо ж до тіла прикладено електромагнітне поле, рух вільних зарядів стає спрямованим. При забезпеченні його безперервності виникає явище, яке назвали електричним струмом. Таким чином, під ним стали розуміти впорядкований рух носіїв заряду. Дослідження показали, що такими частинками можуть бути:
- електрони – тверді тіла;
- іони – гази, електроліти.
Для опису електроструму використовують 2 величини — роботу і силу. Перша показує, яка кількість енергії необхідно затратити, щоб перенести заряд з однієї точки поля в іншу. Називають її напругою. Сила струму ж визначається відношенням кількості заряду, що пройшов через поперечний переріз тіла за одиницю часу.
Зв’язок між параметрами
Щоб з’явився електричний струм, необхідно виконання декількох умов. Потрібен його джерело, матеріал, що має вільні носії заряду, і замкнутий ланцюг, по якій вони зможуть переміщатися. Після винаходу “вольтового стовпа” вчені почали проводити різні експерименти, вивчаючи протікання електроструму. У 1825 році Ом в своїх дослідах з використанням гальванічного джерела і крутильних ваг спостерігав втрату енергії в зарядах. Він виявив, що сила струму в ланцюзі залежить не тільки від типу матеріалу, але і його лінійних характеристик.
Аналізуючи отримані дані, Ом вивів формулу:
X = A * k/L
де:
- X — сила електроструму,
- a — електрична напруга,
- k — коефіцієнт провідності,
- l — довжина матеріалу.
Згодом цей закон був підтверджений іншими вченими і був названий на честь відкривача.
У сучасному вигляді він записується так: I = U / R, де:
- U – різниця потенціалів (напруга);
- R – опір.
Тобто сила струму в провіднику прямо пропорційна напрузі і обернено пропорційна його опору. R-коефіцієнт пропорційності. За своїм визначенням він є величиною, зворотної провідності. Залежить опір від фізичних розмірів провідника і його здатності перешкоджати проходженню електроструму.
Обчислити значення R можна за формулою:
R = pL/S
де
- p — питомий коефіцієнт, що залежить від властивості матеріалу,
- L — довжина провідника,
- S — площа поперечного перерізу.
Значення питомого опору залежить від температури, але при цьому для кожного градуса залишається постійним. Його величина виміряна для практично всіх існуючих елементів в природі і є табличною.
Відкриті формули дозволили встановити не тільки залежність струму від опору, але і зв’язати 2 фундаментальні електричні величини — силу і роботу. Причому залежність між ними прийнято зображувати за допомогою графіка, що отримав назву вольт-амперна характеристика. Її сенс полягає в побудові функції, що описується законом Ома. Це важливий графік для електротехнічних пристроїв. Використовуючи його, можна визначити потужність для будь-яких величин.
Вольт-амперна характеристика
З її допомогою можна дізнатися, як змінюється струм при збільшенні або зменшенні напруги в ланцюзі. Якщо її будувати для провідника, залежність буде лінійною. Це можна зрозуміти із закону Ома, відповідно до якого сила пропорційна прикладеної різниці потенціалів. Такого виду графік характерний для металів. Але в той же час для напівпровідників він не буде лінійним.
Річ у тому, що такі матеріали мають особливі властивості. У них може наступати пробій-явище, при якому відбувається різке зростання сили струму і процес насичення. В останньому випадку значення електроструму практично не змінюється при зростанні напруги.
Графік залежності будують у декартовій системі координат. По осі X відкладають напругу, а Y — струм. Дослідити характеристику для будь-якого елемента ланцюга можна і самостійно. Для цього буде потрібно підготувати:
- регульований блок живлення;
- амперметр;
- вольтметр;
- досліджуваний елемент.
Схема збирається досить просто. До блоку живлення підключають вимірювач струму (амперметр), до виходу якого під’єднують одним висновком провідник. Другий полюс з’єднують з вільним контактом джерела напруги. Вимірювач напруги включають паралельно досліджуваному елементу.
Експеримент полягає в наступному. За допомогою блоку живлення змінюють напругу, величина якого знімається з вольтметра. Одночасно списують дані з амперметра. Потім малюють координатні осі ВАХ, на яких відкладають точки відповідних величин і з’єднують їх плавною лінією. Намальована крива або пряма і буде відображати реальну картину залежності струму від напруги для елемента. За ВАХ можна побудувати графік залежності потужності від сили струму. Для цього необхідно виконати розрахунок за формулою: P = I * U.
На практиці часто доводиться мати справу зі змінним струмом. Це явище, при якому його сила змінюється з плином часу. В цьому випадку не використовують ВАХ, оскільки зміна U відбувається за певним законом, найчастіше синусоїдального, тому, якщо потрібно побудувати графік залежності напруги від часу, необхідно знати формулу, за допомогою якої описується функція.
Розв’язання задачі
Завдання, пов’язані з знаходженням фундаментальних електричних величин, зазвичай прості. Але для їх вирішення знадобиться не тільки знати кілька формул, а й одиниці виміру в СІ. У міжнародній системі сила струму вимірюється в амперах, напруга — вольтах, опір — омах, потужність — ватах. Нерідко доводиться стикатися з великими числами або, навпаки, маленькими, тому для спрощення запису використовують приставки:
- мікро;
- нано;
- кіло;
- мега.
Ось деякі з типових завдань, розрахованих на самостійне опрацювання в рамках уроків з фізики для 8 класу:
- Визначити напругу на резисторі, що володіє опором 10 Ом, якщо через нього проходить струм силою в 1 ампер. Це простий приклад, який вирішується за допомогою закону Ома. Згідно з ним I = U/R, отже: U= I*R. підставивши вихідні дані, можна виконати обчислення: U= 1 A*10 Ом = 10 в.
- Знайти потужність пристрою, якщо його опір дорівнює 1 кОм, при створюваної різниці потенціалів 10 вольт. Щоб обчислити P, потрібно визначити споживання струму: I =U/R = 10/1000 = 0,01 A. Тепер скориставшись формулою потужності, можна знайти потрібний параметр: P = I*U = 0,01*10 = 0,1 Вт.
- Електрична лампа включена в мережу з напругою 220 В.знайти значення струму, що проходить через спіраль, якщо опір провідника дорівнює 30 Ом. За законом: I = U/R = 220/3 = 7,3 а.
- При напрузі 220 вольтів значення струму, що проходить через дросель, становить 5 а.обчислити, як зміниться I, Якщо напруга збільшиться на 20 вольт. Виходячи з того, що опір постійне, можна скласти пропорцію: U1/I1 = U2/I2. Напруга для другого випадку можливо визначити з виразу: U 2 = U + U 1 = 220 + 20 = 240 В. звідси I2 = I1 * U2/U 1 = 5 А * 240 В/220 В = 5,45 A.
Формула залежності струму від напруги, отримана експериментальним шляхом, стала основоположною в розвитку електротехніки та електроніки. Зв’язок між величинами виявилася пропорційною з урахуванням коефіцієнта, що отримав назву опір. Причому його значення залежить від роду матеріалу і розмірів тіла.
