Закон Ома є основним законом електричних ланцюгів. При цьому він дозволяє пояснювати багато явищ природи. Наприклад, можна зрозуміти, чому електрика не "б'є" "птахів, які сидять на проводах. Для фізики закон Ома є вкрай значущим. Без його знання неможливо було б створювати стабільно працюючі електричні ланцюги або зовсім не було б електроніки.
Залежність I = I (U) і її значення
Історія відкриття опору матеріалів безпосередньо пов'язана з вольт-амперною характеристикою. Що це таке? Візьмемо ланцюг з постійним електричним струмом і розглянемо будь-який його елемент: лампу, газову трубку, металевий провідник, колбу електроліту тощо.
Змінюючи напругу U (часто позначається як V), що подається на розглянутий елемент, будемо відстежувати зміну сили струму (I), що проходить через нього. Як підсумок, ми отримаємо залежність виду I = I (U), яка носить назву «» вольт-амперна характеристика елемента «» і є прямим показником його електричних властивостей.
Вольт-амперна характеристика може виглядати по-різному для різних елементів. Найпростіший її вигляд виходить при розгляді металевого провідника, що і зробив Георг Ом (1789 - 1854).
Вольт-амперна характеристика - це лінійна залежність. Тому її графіком служить пряма лінія.
Закон у простій формі
Дослідження Ома з вивчення вольт-амперних характеристик провідників показали, що сила струму всередині металевого провідника пропорційна різниці потенціалів на його кінцях (I ауд U) і назад пропорційна якомусь коефіцієнту, тобто I ауд 1/R. Цей коефіцієнт став називатися «» опір провідника «», а одиниця вимірювання електричного опору - Ом або В/А.
Варто відзначити ще ось що. Закон Ома часто використовується для розрахунку опору в ланцюгах.
Формулювання закону
Закон Ома говорить, що сила струму (I) окремо взятої ділянки ланцюга пропорційна напруженню на цій ділянці і назад пропорційна її опору.
Слід зауважити, що в такому вигляді закон залишається вірним тільки для однорідної ділянки ланцюга. Однорідною називається та частина електричного ланцюга, яка не містить джерела струму. Як користуватися законом Ома в неоднорідному ланцюгу, буде розглянуто нижче.
Пізніше дослідним шляхом було встановлено, що закон залишається справедливим і для розчинів електролітів в електричному ланцюгу.
Фізичний сенс опору
Опір - це властивість матеріалів, речовин або середовищ перешкоджати проходженню електричного струму. Кількісно опір в 1 Ом означає, що в провіднику при напрузі 1 В на його кінцях здатний проходити електричний струм силою 1 А.
Питома електрична опір
Експериментальним методом було встановлено, що опір електричного струму провідника залежить від його розмірів: довжина, ширина, висота. А також від його форми (сфера, циліндр) і матеріалу, з якого він зроблений. Таким чином, формула питомого опору, наприклад, однорідного циліндричного провідника буде: R = p * l/S.
Якщо в цій формулі покласти s = 1 м2 і l = 1 м, то R чисельно дорівнює р. Звідси обчислюється одиниця виміру для коефіцієнта питомого опору провідника в СІ - це Ом * м.
У формулі питомого опору р - це коефіцієнт опору, визначений хімічними властивостями матеріалу, з якого виготовлений провідник.
Для розгляду диференційної форми закону Ома, необхідно розглянути ще кілька понять.
Щільність струму
Як відомо, електричний струм - це суворо впорядкований рух будь-яких заряджених частинок. Наприклад, у металах носіями струму виступають електрони, а в проведених газах - іони.
Візьмемо тривіальний випадок, коли всі носії струму однорідні - металевий провідник. Подумки виділимо в цьому провіднику нескінченно малий обсяг і позначимо через u середню (дрейфову, впорядковану) швидкість електронів у взятому обсязі. Далі нехай n позначає концентрацію носіїв струму в одиниці обсягу.
Тепер проведемо нескінченно малу площу dS перпендикулярно вектору u і побудуємо вздовж швидкості нескінченно малий циліндр з висотою u * dt, де dt - позначає час, за який всі носії швидкості струму, що містилися в розглянутому обсязі, пройдуть крізь майданчик dS.
При цьому електронами крізь майданчик буде перенесено заряд, рівний q = n * e * u * dS * dt, де e - заряд електрона. Таким чином, щільність електричного струму - це вектор j = n * e * u, що позначає кількість заряду, що переноситься в одиницю часу через одиницю площі.
Один з плюсів диференційного визначення закону Ома полягає в тому, що часто можна обійтися без розрахунку опору.
Електричний заряд. Напруження електричного поля
Напруженість поля поряд з електричним зарядом є фундаментальним параметром в теорії електрики. При цьому кількісне уявлення про них можна отримати з простих дослідів, доступних школярам.
Для простоти міркувань будемо розглядати електростатичне поле. Це електричне поле, яке не змінюється з часом. Таке поле може бути створене нерухомими електричними зарядами.
Також для наших цілей необхідний пробний заряд. В його якості будемо використовувати заряджене тіло - настільки мале, що воно не здатне викликати будь-які обурення (перерозподіл зарядів) в навколишніх об'єктах.
Розглянемо по черзі два взятих пробних заряди, послідовно поміщених в одну точку простору, що знаходиться під впливом електростатичного поля. Виходить, що заряди будуть піддаватися незмінному в часі впливу з його боку. Нехай F1 і F2 - це сили, що впливають на заряди.
В результаті узагальнення досвідчених даних було встановлено, що сили F1 і F2 спрямовані або в одну, або в протилежні сторони, а їх ставлення F1/F2 є незалежним від точки простору, куди були по черзі поміщені пробні заряди. Отже, ставлення F1/F2 є характеристикою виключно самих зарядів, і ніяк не залежить від поля.
Відкриття даного факту дозволило охарактеризувати електризацію тіл і надалі було названо електричним зарядом. Таким чином, за визначенням виходить q1/q2 = F1/F2, де q1 і q2 - величина зарядів, що розміщуються в одну точку поля, а F1 і F2 - сили, що діють на заряди з боку поля.
З подібних міркувань були експериментально встановлені величини зарядів різних частинок. Умовно поклавши у співвідношення один із пробних зарядів рівною одиниці, можна обчислити величину іншого заряду, виміряючи співвідношення F1/F2.
Через відомий заряд можна охарактеризувати будь-яке електричне поле. Таким чином, сила, що діє на одиничний пробний заряд, що знаходиться в стані спокою, називається напруженістю електричного поля і позначається E. З визначення заряду отримуємо, що вектор напруженості має наступний вигляд: E = F/q.
Зв'язок векторів j і E. Інша форма закону Ома
В однорідному провіднику впорядкований рух заряджених частинок буде відбуватися за напрямом вектора E. А це означає, що вектори j і E будуть сонаправлені. Як і при визначенні щільності струму, виділимо в провіднику нескінченно малий циліндричний обсяг. Тоді через поперечний переріз цього циліндра буде проходити струм, рівний j * dS, а напруга, додана до циліндра, буде дорівнювати E * dl. Також відома формула питомого опору циліндра.
Тоді, записавши формулу сили струму двома способами, отримаємо: j = Е/р, де величина 1/р носить назву питомої електричної провідності і є зворотною до питомого електричного опору. Її прийнято позначати. Одиницею вимірювання провідності є См/м, де См - це Сіменс. Одиниця, зворотна Ом.
Таким чином, можна відповісти на питання, поставлене вище, про закон Ома для неоднорідного ланцюга. У такому випадку на носіїв струму буде діяти сила з боку електростатичного поля, яка характеризується напруженістю E1, та інші сили, що впливають на них з боку іншого джерела струму, які можна позначити E2. Тоді Закон Ома стосовно неоднорідної ділянки ланцюга матиме вигляд: j = λ(E1 + E2).
Детальніше про провідність і опір
Здатність провідника проводити електричний струм характеризується його питомим опором, який можна знайти через формулу питомого опору, або питомою провідністю, що розраховується як зворотне провідності. Величина цих параметрів визначається як хімічними властивостями матеріалу провідника, так і зовнішніми умовами. Зокрема температурою навколишнього середовища.
Для більшості металів питома опір при нормальній температурі пропорційний їй, тобто р ауд T. Однак при низьких температурах спостерігаються відхилення. У великого ряду металів і сплавів при температурах, близьких до 0 ° К, розрахунок опору показував нульові значення. Це явище отримало назву надпровідності. Такою властивістю володіють, наприклад, ртуть, олово, свинець, алюміній та ін. Для кожного металу існує своє критичне значення температури Tk, при якій спостерігається явище надпровідності.
Також зазначимо, що визначення питомого опору циліндра можна узагальнити для проводів, що складаються з одного матеріалу. У такому випадку площа поперечного перерізу з формули питомого опору дорівнюватиме перетину дроту, а l - його довжині.
