Закон ома.Опір провідників.

Німецький фізик Георг Ом 1827 року помітив, що відношення напруги U між кінцями металевого провідника, що є ділянкою електричного кола, до сили струму І в колі - величина постійна:

.

Цю величину R називають електричним опором провідника. У СІ [R] = Ом. Електричний опір 1 Ом має така ділянка кола, на якій напруга дорівнює 1 В, якщо сила струму 1А

.

Опір - це основна електрична характеристика провідника. Він виражає міру протидії речовини провідника напрямленому рухові вільних заряджених частинок у ньому.

Експерименти показали, що електричний опір провідника R прямо пропорційний його довжині l і обернено пропорційний площі поперечного перерізу S:

.

Сталий для речовини параметр ρ називають питомим опором цієї речовини. Питомий опір залежить від фізичних властивостей речовини, її стану, наявності домішок. Наприклад, у металевих провідниках наявність домішок збільшує питомий опір. Числове значення питомого опору дорівнює опору провідника завдовжки 1 м з площею поперечного перерізу 1 м². У СІ питомий опір вимірюють в омах на метр: [ρ] = Ом·м. Значення питомого опору речовини занесено до таблиць

Експериментально встановлену залежність сили струму I від напруги U і електричного опору R частини кола називають законом Ома для ділянки кола: сила струму I прямо пропорційна напрузі U і обернено пропорційна електричному опору R однорідної ділянки кола:

.                                   (4.2.3)

Графічну залежність сили струму від напруги називають вольт-амперною характеристикою. Відповідно до закону Ома для провідника з опором R така залежність прямолінійна. Нахил прямої залежить від опору ділянки кола (рис. 4.2.3).

Із формули (4.2.3) знайдемо, що U = IR. Величину U = IR, яка дорівнює добутку сили струму в провіднику на опір цього провідника, називають спадом напруги на даному провіднику. Спад напруги чисельно дорівнює напрузі тільки в тому разі, коли в провіднику не відбувається ніяких інших перетворень електричної енергії, крім її переходу у внутрішню енергію з виділенням теплоти.

Провідники в електричних колах постійного струму можуть з'єднуватись послідовно і паралельно.

У разі послідовного з'єднання провідників кінець першого провідника з'єднується з початком другого і т.д. (рис. 4.2.4).

При цьому сила струму однакова в усіх провідниках, а напруга на кінцях всього кола дорівнює сумі напруг на кожному з провідників. Загальний опір кола дорівнює сумі опорів його окремих ділянок:

I_заг. = І₁ =  І₂ = … = І_n,

U_заг. = U₁ +  U₂ + … + U_n,

R_заг. = R₁ +  R₂ + … + R_n.

У разі паралельного з'єднання початки і кінці провідників мають спільні точки приєднання до джерела струму (рис. 4.2.5).

Властивості цього з'єднання такі:

1) усі опори знаходяться під однаковими напругами U_заг. = U₁ =  U₂ = … = U_n.

2) загальний струм, який подається на вузол, дорівнює сумі струмів, які виходять з нього: I_заг. = І₁ +  І₂ + … + І_n.

3) величина, що дорівнює оберненому значенню опору, дорівнює сумі величин, обернених опорам розгалужень:  .

Паралельне з'єднання провідників широко застосовують для під'єднання ламп електричного освітлення і побутових електроприладів до мережі. Прикладом послідовного з'єднання провідників є з'єднання лампочок ялинкових гірлянд.

ЗАКОН ОМА.ЕКСПРЕРИМЕНТ І ТЕОРЕТИЧНА МОДЕЛЬ.

Имя немецкого физика Георга Ома (1787–1854) носит основной закон, описывающий проводимость металлов. Необходимо отметить, что ток, текущий в полупроводниках, сверхпроводниках, электролитах, в вакуумном диоде, не удовлетворяет закону Ома, тем не менее, последний обладает большой общностью, особенно в его дифференциальной форме.

Современный вид закона Ома:

где   — ЭДС источника питания,   — его внутреннее сопротивление,   — сопротивление нагрузки, а  — текущий через нее ток. В дифференциальном виде этот закон выражает плотность тока   в проводнике через напряженность электрического поля   в нем:

,

где   — проводимость вещества.

К выражению для своего закона Георг Ом пришел на основании эксперимента, в котором для измерения тока, текущего по проводнику, использовалось открытое Эрстедом и исследованное Ампером магнитное действие тока. Текущий в линейном проводнике ток приводил к повороту крутильных весов, состоявших из магнитной стрелки, подвешенной на упругой нити. Изначально в качестве источника ЭДС Ом использовал вольтов столб из гальванических элементов, однако в силу большого внутреннего сопротивления такого источника экспериментально подтвердить окончательный вид зависимости силы тока от сопротивления нагрузки с его использованием было практически невозможным. Тем не менее, Ом установил правильный вид зависимости, пока что наполовину гипотетически.

Более точные опыты Ом провел, когда было открыто явление термоэлектричества. Теперь в качестве источника ЭДС использовалась дифференциальная термопара (см. схему справа), которая представляет из себя два спая проводников из разных металлов A и B, содержащиеся при разных температурах  . Такой источник питания обладает малым внутренним сопротивлением, и, кроме того, изменяя разность температур на спаях, можно варьировать его ЭДС. Варьируя длину и материал проводника-нагрузки и ЭДС источника (через изменение температур спаев), Ом пришел к следующей форме своего закона:

где   — угол закручивания нити,   — длина проводника, а константы   постоянны для данного материала проводника и разности температур спаев. Первую из этих констант Ом называл «электроскопической силой» (впоследствии ЭДС) и установил, что она зависит от разности температур, вторую же он связал с сопротивлением всей цепи, не считая нагрузки. Обобщение полученной экспериментальной формулы и привело к закону Ома, записанному в начале статьи. Также существует так называемый закон Ома для участка цепи, который обычно изучают в школьном курсе физики:

где   — напряжение (разность потенциалов) на участке цепи,   — его активное сопротивление, а   — текущий через него ток. Сравнив этот закон с законом Ома для всей цепи, можно получить определение напряжения источника питания:

Как видим, реально выдаваемое источником в цепь нагрузки напряжение меньше ЭДС источника. Более того, например, у гальванических элементов (в частности, «сухих», не аккумуляторных батарей) в процессе их эксплуатации внутреннее сопротивление увеличивается (батарея, как говорят, «садится»), что приводит к уменьшению напряжения при тех же нагрузках.

Несмотря на кажущуюся очевидность закона Ома, он был принят научной общественностью совсем не сразу после открытия. Скептически настроенные ученые считали, что относительная простота закона обманчива и связана с условиями проводимого эксперимента при достаточно скудных средствах измерения электрических величин. Тем не менее, сегодня этот закон проверен в широких пределах изменения входящих в него величин.

По сути дела, закон Ома утверждает, что электродвижущая сила, разгоняющая заряды, полностью компенсируется своеобразным трением тока о кристаллическую решетку проводника, так что заряды дрейфуют по проводнику равномерно. Именно такой, дрейфовый характер тока следует из закона Ома. Скорость дрейфа носителей заряда для проводника площадью 1мм², через который течет ток 10А, имеет порядок нескольких миллиметров в секунду.