Закон Ома — это фундаментальный закон физики, который должен знать каждый, ведь вся наша жизнь связана с электричеством. Закон Ома относится к тем знаниям, которые мы узнаем получаем еще на школьной скамье, но они остаются с нами на всю жизнь. Закон открыл немецкий исследователь по имени Георг Ом.
Почему же важно понимать принцип действия закона Ома? Потому что это основа электродинамики и незнание механизмов работы цепи в электричестве может привести к негативным последствиям: не случайно у электриков существует известная поговорка, которая не рекомендует никому покидать дом, не зная простейших принципов закона Ома.
С такими понятиями, как электрический ток, сопротивление, напряжение тока на интуитивном уровне знаком каждый человек, но не каждый знает, как они связаны между собой. Эту связь мы постараемся объяснить в данной статье.
Составляющие закона Ома
I-сила тока
Направленное движение частиц, которые имеют электрический заряд (ионы или электроны), называется током. Эти частицы двигаются в некотором объекте(проводнике), что является током. Сквозь поверхность проводника за отведенное время проходит заряд, который складывается из совокупности зарядов всех электронов, прошедших через него за указанное время.
Сила тока - отношение совокупности зарядов, прошедших через поверхность проводника за какое-то время к величине этого промежутка времени. Единица измерения - А(Ампер). Чем выше суммарный заряд, проходящий в проводнике, например, за секунду времени, тем выше показатель силы тока(I).
Существует следующая формула расчета силы тока:
I (сила тока)=Δq/Δt, где q - кол-во заряда, Кл., t - время, с.
U - Напряжение
Что же заставляет электроны в проводнике передвигаться - поток, который несет заряженные частицы и называется напряжением. За счет чего? Напряжение возникает в процессе того, что потенциал на двух разных точках проводника не одинаков (разность потенциалов), поэтому электрическое поле переносит заряды между точками.
Напряжение показывает работу поля, заключающуюся в перемещении единичного положительного заряда от одной точки к другой. Единицей измерения данного показателя является Вольт(В). Если перемещается заряд в один Кулон, а работа по его перемещении равняется одному Джоулю, то необходимое напряжение будет равняться одному Вольту.
Существует следующая формула расчета силы напряжения:
U(напряжение)=A/q, где A - работа, Дж., q - кол-во заряда, Кл.
R - сопротивление
Чем может являться проводник, в котором происходит течение электрического тока? Для простоты понимания, представим, проводник — это некий провод, который имеет свой определенный состав и структуру, в нем так же есть частицы(атомы), которые соответственно встречаются с частицами, проходящими через него.
Когда частицы перемещаются по проводу под воздействием силы электрического поля, он нагревается, а атомы, находящиеся на кристаллической решетке металла, начинают колебаться и создавать свободным электронам помехи для дальнейшего продвижения. Этот процесс и называется сопротивлением.
Существует следующая формула сопротивления(R):
R(сопротивление)=p*(l/s).
Сопротивление рассчитывается как показатель удельного сопротивления (зависит от материала проводника), умноженный на отношение длины проводника к площади сечения проводника, то есть сопротивление зависит от указанных составляющих проводника: некоторые материалы легко проводят ток (металл), некоторые имеют бесконечное сопротивление (например, резина). Показатель измеряется в Ом (Омах).
Суть закона Ома
Г. Ом определил, что сила тока на отдельном участке цепи имеет прямую пропорциональность напряжению. Также сила тока на отдельном участке цепи имеет обратную пропорциональность к сопротивлению.
Классическая формулировка, открытая эмпирическим путем в результате проведения эксперимента в 1826 г., подразумевает что участок цепи однороден и не подвержен действию источников тока с электродвижущей силой, например, батарейкой. Для такого участка тока не учитывается сопротивление всей целой цепи.
Если в цепи добавляется источник тока, то такая цепь называется полной, а формулировка закона принимает несколько другой вид, потому что источник тока также обладает своим сопротивлением(внутренним), которое вызывает дополнительные сложности для прохождения тока.
Закон Ома применительно к полной цепи:
I (сила тока)=E/(R+r), где E - ЭДС (электродвижущая сила), r - сопротивление источника, R - сопротивление участка.
Применение закона Ома для такой цепи не имеет существенных отличий от первоначального закона Ома для участка цепи, к сопротивлению R просто добавляется внутреннее сопротивление самого источника, а в качестве напряжения выступает ЭДС.
Простой подход к закону Ома
Классический пример, позволяющий лучше понять принцип действия закона Ома состоит в проведении аналогии между электрической системой и водопроводной трубой, где вода является аналогом тока. Именно так первоначально представлял ток Г. Ом, когда проводил подтверждающие свое открытие опыты.
Если представить, что перемещение потока воды по водопроводной трубе подобно движению частиц с зарядом по проводу, то понимание закона становится проще. Напор воды в водопроводной трубе будет обеспечивать напряжение за счет разницу напора в 2-х разных точках водопровода. ЭДС в данном случае — это насос, который качает воду и обладает своим напором: если вода с помощью насоса поднимается по водокачке, а затем она устремляется потоком вниз, то, чем выше смог насос направить воду, тем динамичнее она устремится вниз. Скорость течения воды по трубе сравнима с силой тока в проводнике и она будет тем выше, чем больше разница потенциалов (то есть высота начальной точки движения воды и конечной точки). Этот пример объясняет пропорциональность силы тока напряжению.
Если говорить о сопротивлении, то применительно к водопроводной трубе, сопротивление определяется ее шириной (чем меньшим диаметром обладает трубы, тем воде сложнее проходить через нее, тем большее ее сопротивление, чем шире труба, тем легче воде двигаться по ней), и качеством стенок трубы (чем больше зазубрин и шероховатостей на стенках трубы, тем с большим сопротивлением сталкивается вода). Этот пример описывает обратную пропорциональность силы тока по отношению к сопротивлению.
Понятно, что такой пример является очень грубым приближением и служит для концептуального понимания закона, но на практике он находит отличное применение и позволяет просто и доступно объяснить принципы действия электрической цепи людям, далеким от физики. Для бытовых нужд не обязательно знать, что сопротивление происходит в результате колебания атомов в кристаллической решетке, а ток является движением свободных электронов.
Простой подход к объяснению закона Г. Ома поможет как студентам, не разбирающимся в непростых законах физики, на экзамене, так и всем людям в повседневной жизнедеятельности, неразрывно связанной с электричеством.
