Ohmův zákon Střední odborná škola Otrokovice www.zlinskedumy.cz Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je PaedDr. Pavel Kovář Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

Charakteristika DUM Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /2 Autor PaedDr. Pavel Kovář Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-In-F/2-MA-3/12 Název DŮM Ohmův zákon Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání Kód oboru RVP 36-52-H/01 Obor vzdělávání Instalatér Vyučovací předmět Fyzika Druh učebního materiálu Výukový materiál Cílová skupina Žák, 16 – 17 let Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce učitelem, případně jako materiál pro samostudium, nutno doplnit výkladem; náplň: Ohmův zákon, základní principy vedení elektrického proudu Vybavení, pomůcky Dataprojektor Klíčová slova Elektrický proud, elektrický odpor, elektrické napětí Datum 10. 4. 2012

Ohmův zákon Náplň výuky Pojem elektrický potenciál a elektrické napětí Pojem elektrický proud a elektrický odpor Změny elektrického napětí a změny proudu Změny elektrického odporu a změny proudu Sestavení Ohmova zákona na základě vlastních měření

Ohmův zákon, základní zákon pro obvody napájené stejnosměrným zdrojem Dr. Pavel Kovář

Budujeme pojem elektrické napětí

Elektrostatické radiální pole vyžaduje ke svému překonání mechanickou práci. Čím větší práce byla v tomto poli vykonána, tím větší potenciál zkoumaný náboj získal. U Elektrický potenciál počítáme jako práci vynaloženou v poli daného náboje: Elektrické napětí je rozdíl dvou potenciálů Obr.1 Obr.1

Místo většího potenciálu skrývá více elektrických nábojů. Náboje jeví přirozenou tendenci postoupit z místa přebytku náboje do místa nedostatku náboje. To je mechanismus každého zdroje elektrického napětí Místo menšího potenciálu přijímá. Nedostatek záporného náboje představuje opačný – kladný pól zdroje elektrického napětí. K tomuto místu postupují elektrické náboje – jejich tok je elektrický proud – a tento pól označujeme jako kladný pól zdroje. MODEL ZÁPORNÉHO PÓLU ZDROJE MODEL KLADNÉHO PÓLU ZDROJE I = elekt. proud Obr.2

elektrický proud a elektrický odpor Budujeme pojmy elektrický proud a elektrický odpor

Pozorujme elektrický vodič přes neuvěřitelně silnou „fyzikářovu lupu“ a spatříme krystalovou strukturu, v níž se statisticky předvídatelně vyskytují volné elektrony. Obr.3

Fyzikářova lupa nám odhalila strukturu vodiče Fyzikářova lupa nám odhalila strukturu vodiče. Jsou jí krystaly, z nichž se mohou uvolňovat volné elektrony. Pole panující v krystalové mříži je natolik silné, že neumožní elektronům opustit materiál, avšak je na rozdíl od izolantů natolik slabé, že dovolí elektronům chaotický pohyb uvnitř mříže. {Rybičky v akváriu } Obr.4

Doposud přerušený obvod byl sepnut Doposud přerušený obvod byl sepnut. Kladný pól zdroje přitahuje záporné elektrony, které putují přes znázorněnou strukturu materiálu. Usměrněný pohyb elektronů nazýváme elektrický proud. Intuitivně přijmeme, že struktura materiálu klade elektronům překážku v jejich pohybu – touto překážkou modelujeme fyzikální veličinu – elektrický odpor. Obr. 5

Souhrn doposud probraných důležitých pojmů Elektrický proud je usměrněný tok elektronů jednotkou je 1 ampér 1 A Elektrický potenciál představuje velikost práce vložené do el. náboje jednotkou je 1 volt 1 V Elektrické napětí představuje rozdíl dvou potenciálů Jednotkou je 1 volt 1 V Elektrický odpor je vlastnost vodivé látky, která svou strukturou klade překážku toku elektronů. Proto různé materiály mají různý elektrický odpor. Jednotkou je 1 ohm 1

Rezistivita {měrný odpor} Elektrický odpor dlouhého vodiče Značka veličiny Název veličiny Jednotka veličiny Značka jednotky R Elektrický odpor 1 ohm ρ Rezistivita {měrný odpor} ohmmetr m l Délka vodiče metr S Průřez vodiče metr čtvereční 2

Je dán měděný vodič o délce 6 km a průřezu 1mm Je dán měděný vodič o délce 6 km a průřezu 1mm. Rezistivita(měrný odpor) mědi je ρ Cu =1,7 . 10 −8 Ω.m . Určete elektrický odpor drátu. 2 R = ? l = 6000 m S = 10 -6 m 2 m = 1,7 . 10 -8 Měděný elektrický vodič o délce 6 km a průřezu 1 mm má elektrický odpor asi 100 Ω 2

Obr.6-8 Zkoumáme souvislost elektrického napětí a elektrického proudu v el. obvodu Maximální zvýšení hodnoty napětí zdroje v tomto pokusu ukazuje, že ampérmetr zaznamenává nevyšší hodnotu elektrického proudu ze všech tří případů Malé elektrické napětí 6 V způsobí, že obvodem protéká relativně malý elektrický proud – viz malá výchylka ampérmetru. Zvýšíme-li v pokusu napětí, např. na 12 V, zpozorujeme také nárůst protékajícího elektrického proudu – zvýšená hodnota na ampérmetru 6 V 12 V 18 V Závěr z pokusu: elekt. proud a el. napětí jsou veličiny, mezi nimiž panuje přímá úměrnost

Zařadíme-li do obvodu při konstantním napětí Obr. 9-10 Zkoumáme vzájemnou souvislost veličin elektrický proud a elektrický odpor Zařadíme-li do elektrického obvodu při daném napětí rezistor o velkém elektrickém odporu, zaznamenáme, že obvodem protéká malý elektrický proud – viz ručička na ukazateli. Zařadíme-li do obvodu při konstantním napětí rezistor o malém elektrickém odporu, protéká obvodem velký proud I. Malý elektrický odpor rezistoru Velký odpor R Velká hodnota naměřeného proudu Malý proud Závěr pokusu: hodnota elektrického proudu a hodnota elektrického odporu jsou ve vztahu nepřímé úměrnosti.

Syntéza: I ….. Elektrický proud …. ampér U …. Elektrické napětí …. volt R ….. Elektrický odpor …. ohm Přesvědčivým pokusem jsme zjistili, že elektrický proud a napětí jsou ve vztahu přímé úměrnosti: Současně jsme si dokázali, že veličiny elektrický proud a elektrický odpor jsou ve vztahu nepřímé úměrnosti: Jak zúročíme obě experimentem podložené úvahy? Lze z obou úměr stanovit rovnici? ANO – syntézou obou úměr je základní zákon pro stejnosměrné elektrické obvody – Ohmův zákon – pokusme se stanovit jeho znění:

Procvičme si Ohmův zákon na několika snadných příkladech Jaký proud protéká obvodem, který je připojen na zdroj o napětí 100 V, je-li odpor připojeného rezistoru 1 kΩ . Výsledek uveďte v miliampérech. Nakresli schéma obvodu. Vypiš známé i neznámé hodnoty. [100 mA] Elektrickým obvodem protéká přes rezistor o odporu 60 Ω proud 150 mA. Určete napětí zdroje. Nakresli schéma obvodu. Vypiš známé i neznámé hodnoty. [9 V] Jaký odpor má rezistor, v jednoduchém elektrickém obvodu, kterým protéká proud 3,6 mA při napětí zdroje 4,5 V. Nakresli schéma obvodu. Vypiš známé i neznámé hodnoty. [1250 Ω] Navrhněte elektrický obvod, kde napětí zdroje nepřesáhne 13 V. Hodnota odporu rezistoru je dána R=5 kΩ a proud nesmí překročit 3 mA [např. U=12,5 V I=2,5 mA]

Problémová úloha: Vedení vysokého napětí má 110 kV. Proč toto vysoce životu nebezpečné napětí na drátě usazeným ptákům nijak neublíží? Použijte poznatky o elektrickém potenciálu. Obr.11 Obr.12 Obr.13 Obr.14

Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní Obr. 2: vlastní Obr. 3: vlastní

Seznam použité literatury: