Законът на Ом е основният закон на електрическите вериги. В същото време ни позволява да обясним много природни феномени. Например, може да се разбере защо електричеството не "бие" птиците, които седят по проводниците. За физиката законът на Ом е изключително важен. Без неговото знание би било невъзможно да се създадат стабилни електрически вериги или изобщо няма да има електроника.
Зависимост I=I(U) и нейната стойност
Историята на откриването на съпротивлението на материалите е пряко свързана с характеристиката на токовото напрежение. Какво е? Да вземем верига с постоянен електрически ток и да разгледаме някой от нейните елементи: лампа, газова тръба, метален проводник, електролитна колба и др.
Променяйки напрежението U (често наричано V), подавано към въпросния елемент, ние ще проследим промяната в силата на тока (I), преминаващ през него. В резултат на това ще получим зависимост от формата I=I (U), която се нарича "характеристика на напрежението на елемента" и е пряк индикатор за неговатаелектрически свойства.
V/A характеристика може да изглежда различно за различните елементи. Най-простата му форма се получава чрез разглеждане на метален проводник, което е направено от Георг Ом (1789 - 1854).
Волт-амперната характеристика е линейна зависимост. Следователно, неговата графика е права линия.
Законът в най-простата му форма
Изследването на Ом върху характеристиките на токовото напрежение на проводниците показа, че силата на тока вътре в металния проводник е пропорционална на потенциалната разлика в краищата му (I ~ U) и обратно пропорционална на определен коефициент, тоест I ~ 1/R. Този коефициент стана известен като "съпротивление на проводника", а мерната единица за електрическо съпротивление беше ом или V/A.
Още нещо, което трябва да се отбележи. Законът на Ом често се използва за изчисляване на съпротивлението във веригите.
Формулиране на закона
Законът на Ом казва, че силата на тока (I) на една секция от веригата е пропорционална на напрежението в тази секция и обратно пропорционална на нейното съпротивление.
Трябва да се отбележи, че в тази форма законът остава верен само за хомогенен участък от веригата. Хомогенна е тази част от електрическата верига, която не съдържа източник на ток. Как да използваме закона на Ом в нехомогенна верига ще бъде обсъдено по-долу.
По-късно беше експериментално установено, че законът остава валиден за решениятаелектролити в електрическа верига.
Физическо значение на съпротивлението
Съпротивлението е свойство на материалите, веществата или медиите, за да предотврати преминаването на електрически ток. Количествено съпротивление от 1 ома означава, че в проводник с напрежение 1 V в краищата му може да премине електрически ток от 1 A.
Електрическо съпротивление
Експериментално е установено, че съпротивлението на електрическия ток на проводника зависи от неговите размери: дължина, ширина, височина. А също и на формата му (сфера, цилиндър) и материала, от който е направена. По този начин формулата за съпротивление, например, на хомогенен цилиндричен проводник ще бъде: R \u003d pl / S.
Ако в тази формула поставим s=1 m2 и l=1 m, тогава R ще бъде числено равно на p. От тук се изчислява мерната единица за коефициента на съпротивление на проводника в SI - това е Ohmm.
Във формулата за съпротивление p е коефициентът на съпротивление, определен от химичните свойства на материала, от който е направен проводникът.
За да разгледаме диференциалната форма на закона на Ом, трябва да разгледаме още няколко понятия.
Текуща плътност
Както знаете, електрическият ток е строго подредено движение на всякакви заредени частици. Например в металите носители на ток са електроните, а в проводящите газове йони.
Вземете тривиалния случай, когато всички текущи превозвачихомогенен - метален проводник. Нека наум да отделим безкрайно малък обем в този проводник и да означим с u средната (дрифтова, подредена) скорост на електроните в дадения обем. Освен това, нека n означава концентрацията на токови носители на единица обем.
Сега нека начертаем безкрайно малка площ dS, перпендикулярна на вектора u и да построим по дължината на скоростта безкрайно малък цилиндър с височина udt, където dt означава времето, през което ще преминат всички текущи носители на скорост, съдържащи се в разглеждания обем през областта dS.
В този случай зарядът, равен на q=neudSdt, ще бъде пренесен от електрони през областта, където e е зарядът на електрона. По този начин плътността на електрическия ток е вектор j=neu, обозначаващ количеството заряд, прехвърлен за единица време през единица площ.
Едно от предимствата на диференциалната дефиниция на закона на Ом е, че често можете да се справите, без да изчислявате съпротивлението.
Електрически заряд. Сила на електрическото поле
Напрежението на полето заедно с електрическия заряд е основен параметър в теорията на електричеството. В същото време количествена представа за тях може да се получи от прости експерименти, достъпни за ученици.
За простота ще разгледаме електростатично поле. Това е електрическо поле, което не се променя с времето. Такова поле може да бъде създадено от стационарни електрически заряди.
Също така, за нашите цели е необходима тестова такса. В неговия капацитет ще използваме заредено тяло - толкова малко, че не е способно да причинивсякакви смущения (преразпределение на зарядите) в околните обекти.
Нека разгледаме на свой ред два взети тестови заряда, поставени последователно в една точка от пространството, която е под въздействието на електростатично поле. Оказва се, че обвиненията ще бъдат подложени на неизменно във времето влияние от негова страна. Нека F1 и F2 са силите, действащи върху зарядите.
В резултат на обобщаването на експерименталните данни беше установено, че силите F1 и F2 са насочени или в една или в противоположни посоки и тяхното съотношение F1/F2 е независимо от точката в пространството, където се поставят алтернативно тестовите заряди. Следователно съотношението F1/F2 е характеристика на самите такси и не зависи от полето.
Откриването на този факт дава възможност да се характеризира наелектризирането на телата и по-късно е наречено електрически заряд. Така по дефиниция се оказва q1/q2=F1/F 2 , където q1 и q2 - сумата на таксите, поставени в една точка от полето, и F 1 и F2 - сили, действащи върху заряди от страната на полето.
От тези съображения, величините на зарядите на различни частици бяха експериментално установени. Като зададете условно едно от тестовите заряди, равно на едно в съотношението, можете да изчислите стойността на другото зареждане, като измерите съотношението F1/F2.
Всяко електрическо поле може да се характеризира чрез известен заряд. Така силата, действаща върху единичен тестов заряд в покой, се нарича сила на електрическото поле и се означава с E. От дефиницията на заряда получаваме, че векторът на силата има следната форма: E=F/q.
Свързване на вектори j и E. Друга форма на закона на Ом
В хомогенен проводник подреденото движение на заредените частици ще се случи в посоката на вектора E. Това означава, че векторите j и E ще бъдат съвместно насочени. Както при определянето на плътността на тока, ние избираме безкрайно малък цилиндричен обем в проводника. Тогава през напречното сечение на този цилиндър ще премине ток, равен на jdS, а напрежението, приложено към цилиндъра, ще бъде равно на Edl. Формулата за съпротивлението на цилиндъра също е известна.
След това, записвайки формулата за силата на тока по два начина, получаваме: j=E/p, където стойността 1/p се нарича електрическа проводимост и е обратна на електрическото съпротивление. Обикновено се обозначава σ (сигма) или λ (ламбда). Единицата за проводимост е Sm/m, където Sm е Сименс. Единица, обратна на ома.
По този начин можем да отговорим на поставения по-горе въпрос относно закона на Ом за нехомогенна верига. В този случай носителите на ток ще бъдат повлияни от силата на електростатичното поле, която се характеризира с интензитет E1 и други сили, действащи върху тях от друг източник на ток, който може да бъде обозначен E 2. Тогава се прилага законът на Омнехомогенният участък от веригата ще изглежда така: j=λ(E1 + E2).
Още за проводимостта и съпротивлението
Способността на проводника да провежда електрически ток се характеризира с неговото съпротивление, което може да се намери чрез формулата за съпротивление или проводимост, изчислена като реципрочна на проводимостта. Стойността на тези параметри се определя както от химичните свойства на материала на проводника, така и от външните условия. По-специално температурата на околната среда.
За повечето метали съпротивлението при нормална температура е пропорционално на него, тоест p ~ T. При ниски температури обаче се наблюдават отклонения. За голям брой метали и сплави при температури, близки до 0°К, изчислението на съпротивлението показва нулеви стойности. Това явление се нарича свръхпроводимост. Това свойство имат например живак, калай, олово, алуминий и т. н. Всеки метал има своя критична температура Tk, при която се наблюдава феноменът на свръхпроводимост..
Отбележете също, че определението за съпротивление на цилиндъра може да бъде обобщено за проводници, изработени от същия материал. В този случай площта на напречното сечение от формулата за съпротивление ще бъде равна на напречното сечение на проводника, а l - неговата дължина.
