Как названа единица электрического сопротивления. Электрическое сопротивление проводников

Когда происходит замыкание электрической цепи, при наличии на зажимах разности потенциалов, то, в данном случае, возникает действие электрического тока. Сила электрического поля влияет на свободные электроны, заставляя их перемещаться вдоль проводника. Во время движения, электроны сталкиваются с атомами проводника, отдавая имеющуюся кинетическую энергию. Все электроны движутся с непрерывно изменяющейся скоростью.

Уменьшение скорости происходит, когда электроны сталкиваются с другими электронами и атомами, попадающимися на пути. В дальнейшем, под воздействием электрического , скорость движения электронов вновь увеличивается до нового столкновения.

Процесс этот непрерывный, в результате чего, поток электронов в проводнике движется равномерно. При этом, электроны, во время движения, постоянно встречают сопротивление. Это в конечном итоге, приводит к нагреванию проводника.

Что такое сопротивление проводника

Сопротивление - это свойство среды или тела, которое способствует превращению электрической энергии в тепловую, в то время, когда по нему проходит электрический ток. Изменить значение тока в цепи можно при помощи переменного электрического сопротивления, называемого реостатом. Нужное сопротивление вводится при помощи специального ползунка, установленного в определенном положении.

Проводник с большой длиной и малым поперечным сечением, обладает более высоким сопротивлением. И, наоборот, короткий проводник с большим поперечным сечением способен оказать току совсем небольшое сопротивление.

Два проводника, имеющие одинаковое сечение и длину, но изготовленные из разных материалов, совершенно по-разному проводят электрический . Отсюда следует, что материал, напрямую влияет на сопротивление.

Влияние дополнительных факторов

Дополнительные факторы влияют на значение и собственную температуру проводника. При повышении температуры, наблюдается увеличение сопротивления в различных металлах. В жидкостях и угле сопротивление, наоборот, уменьшается. Существуют определенные виды сплавов, у которых, с увеличением температуры сопротивление практически не изменяется.

Таким образом, сопротивление проводника зависит от таких факторов, как его длина и сечение, а также от температуры и материала, из которого он изготовлен. Сопротивление всех проводников измеряется в омах.

При большом сопротивлении, такой проводник обладает, соответственно, меньшей проводимостью и наоборот, малое сопротивление способствует гораздо лучшей проводимости электрического тока. Поэтому, величины проводимости и сопротивления, имеют обратное значение.

Не имея определенных начальных знаний об электричестве, тяжело себе представить, как работают электрические приборы, почему вообще они работают, почему надо включать телевизор в розетку, чтобы он заработал, а фонарику хватает маленькой батарейки, чтобы он светил в темноте.

И так будем разбираться во всем по порядку.

Электричество

Электричество – это природное явление, подтверждающее существование, взаимодействие и движение электрических зарядов. Электричество впервые было обнаружено еще в VII веке до н.э. греческим философом Фалесом. Фалес обратил внимание на то, что если кусочек янтаря потереть о шерсть, он начинает притягивать к себе легкие предметы. Янтарь на древнегреческом – электрон.

Вот так и представляю себе, сидит Фалес, трет кусок янтаря о свой гиматий (это шерстяная верхняя одежда у древних греков), а затем с озадаченным видом смотрит, как к янтарю притягиваются волосы, обрывки ниток, перья и клочки бумаги.

Данное явление называется статическим электричеством . Вы можете повторить данный опыт. Для этого хорошенько потрите шерстяной тканью обычную пластмассовую линейку и поднесите ее к мелким бумажным кусочкам.

Следует отметить, что долгое время это явление не изучалось. И только в 1600 году в своем сочинении «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» английский естествоиспытатель Уильям Гилберт ввел термин – электричество. В своей работе он описал свои опыты с наэлектризованными предметами, а также установил, что наэлектризовываться могут и другие вещества.

Далее на протяжении трех веков самые передовые ученые мира исследуют электричество, пишут трактаты, формулируют законы, изобретают электрические машины и только в 1897 году Джозеф Томсон открывает первый материальный носитель электричества – электрон, частицу, благодаря которой возможны электрические процессы в веществах.

Электрон – это элементарная частица, имеет отрицательный заряд примерно равный -1,602·10 -19 Кл (Кулон). Обозначается е или е – .

Напряжение

Чтобы заставить перемещаться заряженные частицы от одного полюса к другому необходимо создать между полюсами разность потенциалов или – Напряжение . Единица измерения напряжения – Вольт (В или V ). В формулах и расчетах напряжение обозначается буквой V . Чтобы получить напряжение величиной 1 В нужно передать между полюсами заряд в 1 Кл, совершив при этом работу в 1 Дж (Джоуль).

Для наглядности представим резервуар с водой расположенный на некоторой высоте. Из резервуара выходит труба. Вода под естественным давлением покидает резервуар через трубу. Давайте условимся, что вода – это электрический заряд , высота водяного столба (давление) – это напряжение , а скорость потока воды – это электрический ток .

Таким образом, чем больше воды в баке, тем выше давление. Аналогично с электрической точки зрения, чем больше заряд, тем выше напряжение.

Начнем сливать воду, давление при этом будет уменьшаться. Т.е. уровень заряда опускается – величина напряжения уменьшается. Такое явление можно наблюдать в фонарике, лампочка светит все тусклее по мере того как разряжаются батарейки. Обратите внимание, чем меньше давление воды (напряжение), тем меньше поток воды (ток).

Электрический ток

Электрический ток – это физический процесс направленного движения заряженных частиц под действием электромагнитного поля от одного полюса замкнутой электрической цепи к другому. В качестве частиц, переносящих заряд, могут выступать электроны, протоны, ионы и дырки. При отсутствии замкнутой цепи ток невозможен. Частицы способные переносить электрические заряды существуют не во всех веществах, те в которых они есть, называются проводниками и полупроводниками . А вещества, в которых таких частиц нет – диэлектриками .

Единица измерения силы тока – Ампер (А ). В формулах и расчетах сила тока обозначается буквой I . Ток в 1 Ампер образуется при прохождении через точку электрической цепи заряда в 1 Кулон (6,241·10 18 электронов) за 1 секунду.

Вновь обратимся к нашей аналогии вода – электричество. Только теперь возьмем два резервуара и наполним их равным количеством воды. Отличие между баками в диаметре выходной трубы.

Откроем краны и убедимся, что поток воды из левого бака больше (диаметр трубы больше), чем из правого. Такой опыт – явное доказательство зависимости скорости потока от диаметра трубы. Теперь попробуем уравнять два потока. Для этого добавим в правый бак воды (заряд). Это даст большее давление (напряжение) и увеличит скорость потока (ток). В электрической цепи в роли диаметра трубы выступает сопротивление .

Проведенные эксперименты наглядно демонстрируют взаимосвязь между напряжением , током и сопротивлением . Подробнее о сопротивлении поговорим чуть позже, а сейчас еще несколько слов о свойствах электрического тока.

Если напряжение не меняет свою полярность, плюс на минус, и ток течет в одном направлении, то – это постоянный ток и соответственно постоянное напряжение . Если источник напряжения меняет свою полярность и ток течет то в одном направлении, то в другом – это уже переменный ток и переменное напряжение . Максимальные и минимальные значения (на графике обозначены как Io ) – это амплитудные или пиковые значения силы тока. В домашних розетках напряжение меняет свою полярность 50 раз в секунду, т.е. ток колеблется то туда, то сюда, получается, что частота этих колебаний составляет 50 Герц или сокращенно 50 Гц. В некоторых странах, например в США принята частота 60 Гц .

Сопротивление

Электрическое сопротивление – физическая величина, определяющая свойство проводника препятствовать (сопротивляться) прохождению тока. Единица измерения сопротивления – Ом (обозначается Ом или греческой буквой омега Ω ). В формулах и расчетах сопротивление обозначается буквой R . Сопротивлением в 1 Ом обладает проводник к полюсам которого приложено напряжение 1 В и протекает ток 1 А.

Проводники по-разному проводят ток. Их проводимость зависит, в первую очередь, от материала проводника, а также от сечения и длины. Чем больше сечение, тем выше проводимость, но, чем больше длина, тем проводимость ниже. Сопротивление – это обратное понятие проводимости.

На примере водопроводной модели сопротивление можно представить как диаметр трубы. Чем он меньше, тем хуже проводимость и выше сопротивление.

Сопротивление проводника проявляется, например, в нагреве проводника при протекании в нем тока. Причем, чем больше ток и меньше сечение проводника – тем сильнее нагрев.

Мощность

Электрическая мощность – это физическая величина, определяющая скорость преобразования электроэнергии. Например, вы не раз слышали: «лампочка на столько-то ватт». Это и есть мощность потребляемая лампочкой за единицу времени во время работы, т.е. преобразовании одного вида энергии в другой с некоторой скоростью.

Источники электроэнергии, например генераторы, также характеризуется мощностью, но уже вырабатываемой в единицу времени.

Единица измерения мощности – Ватт (обозначается Вт или W ). В формулах и расчетах мощность обозначается буквой P . Для цепей переменного тока применяется термин Полная мощность , единица измерения – Вольт-ампер (В·А или V·A ), обозначается буквой S .

И в завершение про Электрическую цепь . Данная цепь представляет собой некоторый набор электрических компонентов, способных проводить электрический ток и соединенных между собой соответствующим образом.

Что мы видим на этом изображении – элементарный электроприбор (фонарик). Под действием напряжения U (В) источника электроэнергии (батарейки) по проводникам и другим компонентам обладающих разными сопротивлениями 4.59 (220 Голосов)

Сопротивление проводника – способность материала препятствовать протеканию электрического тока. Включая случай скин-эффекта переменных высокочастотных напряжений.

Физические определения

Материалы делятся классами согласно удельному сопротивлению. Рассматриваемая величина – сопротивление – считается ключевой, позволит выполнить градацию всех веществ, встречающихся в природе:

Проводники – материалы с удельным сопротивлением до 10 мкОм м. Касается большинства металлов, графита.
Диэлектрики – удельное сопротивление 100 МОм м — 10 ПОм м. Приставка Пета используется в контексте пятнадцатой степени десятки.
Полупроводники – группа электротехнических материалов с удельным сопротивлением в диапазоне от проводников до диэлектриков.

Удельным сопротивление называется, позволяя охарактеризовать параметры отреза провода длиной 1 метр, площадью 1 квадратный метр. Чаще цифрами пользоваться неудобно. Сечение реального кабеля намного меньше. К примеру, для ПВ-3 площадь составляет десятки миллиметров. Расчет упрощается, если пользоваться единицами Ом кв.мм/м (см. рис.).

Удельное сопротивление металлов

Удельное сопротивление обозначается греческой буквой «ро», для получения показателя сопротивления величину домножим на длину, разделив на площадь образца. Перевод меж стандартными единицами измерения Ом м чаще используемыми для расчета показывает: взаимосвязь устанавливается через шестую степень десятки. Иногда удастся найти среди табличных значениях сведения, касающиеся удельного сопротивления меди:

168 мкОм м;
0,00175 Ом кв. мм / м.

Легко убедиться, цифры расходятся примерно на 4%, убедитесь, выполнив приведение единиц. Значит, цифры приводятся сортамента меди. При необходимости точных вычислений вопрос уточняется дополнительно, отдельно. Сведения об удельном сопротивлении образца получают чисто опытным путем. Отрез провода с известными сечением, длиной подсоединяется к контактам мультиметра. Для получения ответа требуется показания разделить на протяженность образца, домножить площадью сечения. В тестах полагается выбирать образец подлиннее, сократив до минимума погрешность. Значительная часть тестеров наделена недостаточной точностью для получения годных значений.

Итак, боящимся физиков, отчаявшимся освоить китайские мультиметры работать с удельным сопротивлением неудобно. Гораздо проще взять готовый отрез (большей длины), оценить параметр полного куска. На практике доли Ома играют малую роль, указанные действия выполняются для оценки потерь. Напрямую определены активным сопротивлением участка цепи и квадратично зависят от тока. Учитывая сказанное, отметим: проводники в электротехнике принято делить на две категории по применяемости:

Материалы высокой проводимости, высокого сопротивления. Первые применяются для создания кабелей, вторые – сопротивлений (резисторов). В таблицах не бывает четкого разграничения, учитывается практичность. Серебро с низким сопротивлением для создания проводов не применяют вовсе, для контактов приборов – редко. По очевидным причинам.
Сплавы с высокой упругостью применяются для создания гибких токонесущих частей: пружин, рабочих частей контакторов. Сопротивление обычно должно быть минимальным. Понятно, для этих целей в корне непригодна обычная медь, которой присуща большая степень пластичности.
Сплавы с высоким или низким температурным коэффициентом расширения. Первые служат основой создания биметаллических пластин, структурно служащих основой . Вторые образуют группу инварных сплавов. Часто требуются, где важна геометрическая форма. У держателей нити (замена дорогостоящему вольфраму) и вакуумплотных спаев на стыке со стеклом. Но еще чаще инварные сплавы никакого отношения к электричеству не имеют, используются в составе станков, приборов.

Формула связи удельного сопротивления с омическим

Физические основы электропроводности

Сопротивление проводника признано величиной, обратной электропроводности. В современной теории не установлено досконально, как происходит процесс образования тока. Физики часто упирались в стену, наблюдая явление, которое никак не могло быть объяснено с точки позиций ранее выдвигавшихся концепций. Сегодня доминирующей считается зонная теория. Требуется привести краткий экскурс развития представлений о строении вещества.

Изначально предполагалось: вещество представлено субстанцией, заряженной положительно, в ней плавают электроны. Так считал небезызвестный лорд Кельвин (урожденный Томсон), в честь которого названа единица измерения абсолютной температуры. Впервые сделал предположение о планетарной структуре атомов Резерфорд. Теория, выдвинутая в 1911 году, была сооружена на факте отклонения альфа-излучения веществами с большой дисперсией (отдельные частицы изменяли угол полета на весьма значительную величину). На основе существующих предпосылок автор заключил: положительный заряд атома сосредоточен внутри малой области пространства, которую назвали ядром. Факт отдельных случаев сильного отклонения угла полета вызван тем, что путь частицы пролегал в непосредственной близости от ядра.

Так установлены пределы геометрических размеров отдельных элементов и для разных веществ. Заключили, что диаметр ядра золота укладывается областью 3 пм (пико – приставка к отрицательной двенадцатой степени десятки). Дальнейшее развитие теории строения веществ выполнил Бор в 1913 году. На основе наблюдения поведения ионов водорода сделал вывод: заряд атома составляет единицу, была определена масса, составившая примерно одну шестнадцатую веса кислорода. Бор предположил: электрон удерживается силами притяжения, определенными Кулоном. Следовательно, что-то удерживает от падения на ядро. Бор предположил, виновата центробежная сила, возникающая при вращении частицы по орбите.

Важную поправку к макету внес Зоммерфельд. Допустил эллиптичность орбит, ввел два квантовых числа, описывающих траекторию – n и k. Бор заметил: теория Максвелла для модели терпит крах. Движущаяся частица обязана порождать в пространстве магнитное поле, тогда постепенно электрон упал бы на ядро. Следовательно, приходится допустить: существуют орбиты, на которых излучения энергии в пространство не происходит. Легко заметить: предположения противоречат друг другу, лишний раз напоминая: сопротивление проводника, как физическую величину, сегодня неспособны объяснить физики.

Почему? Зонная теория выбрала базисом постулаты Бора, гласящие: положения орбит дискретны, вычисляются заранее, геометрические параметры связаны некоторыми соотношениями. Выводы ученого пришлось дополнить волновой механикой, поскольку сделанные математические модели бессильны оказались объяснить некоторые явления. Современная теория говорит: для каждого вещества предусмотрено в состоянии электронов три зоны:

Валентная зона электронов, прочно связанных с атомами. Требуется большая энергия — разорвать связь. Электроны валентной зоны в проводимости не участвуют.
Зона проводимости, электроны при возникновении в веществе напряженности поля образуют электрический ток (упорядоченное движение носителей заряда).
Запрещенная зона – область энергетических состояний, где электроны в нормальных условиях находиться не могут.

Необъяснимый опыт Юнга

Согласно зонной теории, у проводника зона проводимости перекрывается валентной. Образуется электронное облако, легко увлекаемое напряженностью электрического поля, образуя ток. По этой причине сопротивление проводника имеет столь малое значение. Причем ученые прилагают бесполезные усилия объяснить, что представляет собой электрон. Известно только: элементарная частица проявляет волновые и корпускулярные свойства. Принцип неопределенности Гейзенберга ставит факты на места: нельзя с вероятностью 100% одновременно определить местоположение электрона и энергию.

Что касается эмпирической части, учеными подмечено: опыт Юнга, проделанный с электронами, дает любопытный результат. Ученый пропускал поток фотонов через две близкие щели щита, получалась интерференционная картина, составленная рядом полос. Предложили проделать тест с электронами, случился коллапс:

Если электроны проходят пучком, минуя две щели, образуется интерференционная картина. Происходит, будто движутся фотоны.
Если электроны выстреливать по одному, ничего не меняется. Следовательно… одна частица отражается сама от себя, существует сразу в нескольких местах?
Тогда стали пытаться зафиксировать момент прохождения электроном плоскости щита. И… интерференционная картина пропала. Остались два пятна напротив щелей.

Эффект бессильны объяснить с научной точки зрения. Получается, электроны «догадываются» о проводимом наблюдении, перестают проявлять волновые свойства. Показывает ограниченность современных представлений физики. Хорошо, если бы этим можно было удовольствоваться! Очередной муж науки предложил вести наблюдение за частицами, когда они уже прошли сквозь щель (летели в определенном направлении). И что же? Снова электроны перестали проявлять волновые свойства.

Получается, элементарные частицы вернулись обратно во времени. В тот момент, когда проходили щель. Проникли в тайну будущего, узнав, будет ли вестись наблюдение. В зависимости от факта скорректировали поведение. Понятно, ответ не может быть попаданием в яблочко. Загадка ждет разрешения по сей день. Кстати, теория Эйнштейна, выдвинутая в начале XX века, теперь опровергнута: найдены частицы, скорость которых превышает световую.

Как образуется сопротивление проводников

Современные воззрения говорят: свободные электроны перемещаются по проводнику со скоростью порядка 100 км/с. Под действием возникающего внутри поля дрейф упорядочивается. Скорость перемещения носителей вдоль линий напряженности мала, составляет единицы сантиметров в минуту. В ходе движения электроны сталкиваются с атомами кристаллической решетки, некая доля энергии переходит в тепло. И меру этого преобразования принято называть сопротивлением проводника. Чем выше, тем больше электрической энергии переходит в тепло. На этом основан принцип действия обогревателей.

Параллельно контексту идет численное выражение проводимости материала, которое можно увидеть на рисунке. Для получения сопротивления полагается единицу разделить на указанное число. Ход дальнейших преобразований рассмотрен выше. Видно, что сопротивление зависит от параметров — температурное движение электронов и длина их свободного пробега, что прямо приводит к строению кристаллической решётки вещества. Объяснение — сопротивление проводников отличается. У меди меньше алюминия.

Понятие об электрическом сопротивлении и проводимости

Любое тело, по которому протекает электрический ток, оказывает ему определенное сопротивление. Свойство материала проводника препятствовать прохождению через него электрического тока называется электрическим сопротивлением.

Электронная теория так объясняет сущность электрического сопротивления металлических проводников. Свободные электроны при движении по проводнику бесчисленное количество раз встречают на своем пути атомы и другие электроны и, взаимодействуя с ними, неизбежно теряют часть своей энергии. Электроны испытывают как бы сопротивление своему движению. Различные металлические проводники, имеющие различное атомное строение, оказывают различное сопротивление электрическому току.

Точно тем же объясняется сопротивление жидких проводников и газов прохождению электрического тока. Однако не следует забывать, что в этих веществах не электроны, а заряженные частицы молекул встречают сопротивление при своем движении.

Сопротивление обозначается латинскими буквами R или r .

За единицу электрического сопротивления принят ом.

Ом есть сопротивление столба ртути высотой 106,3 см с поперечным сечением 1 мм2 при температуре 0° С.

Если, например, электрическое сопротивление проводника составляет 4 ом, то записывается это так: R = 4 ом или r = 4ом.

Для измерения сопротивлений большой величины принята единица, называемая мегомом.

Один мегом равен одному миллиону ом.

Чем больше сопротивление проводника, тем хуже он проводит электрический ток, и, наоборот, чем меньше сопротивление проводника, тем легче электрическому току пройти через этот проводник.

Следовательно, для характеристики проводника (с точки зрения прохождения через него электрического тока) можно рассматривать не только его сопротивление, но и величину, обратную сопротивлению и называемую, проводимостью.

Электрической проводимостью называется способность материала пропускать через себя электрический ток.

Так как проводимость есть величина, обратная сопротивлению, то и выражается она как 1/R ,обозначается проводимость латинской буквой g.

Влияние материала проводника, его размеров и окружающей температуры на величину электрического сопротивления

Сопротивление различных проводников зависит от материала, из которого они изготовлены. Для характеристики электрического сопротивления различных материалов введено понятие так называемого удельного сопротивления.

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2. Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита р. Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Например, удельное сопротивление меди равно 0,017, т. е. медный проводник длиной 1 м и сечением 1 мм2 обладает сопротивлением 0,017 ом. Удельное сопротивление алюминия равно 0,03, удельное сопротивление железа - 0,12, удельное сопротивление константана - 0,48, удельное сопротивление нихрома - 1-1,1.

Сопротивление проводника прямо пропорционально его длине, т. е. чем длиннее проводник, тем больше его электрическое сопротивление.

Сопротивление проводника обратно пропорционально площади его поперечного сечения, т. е. чем толще проводник, тем его сопротивление меньше, и, наоборот, чем тоньше проводник, тем его сопротивление больше.

Чтобы лучше понять эту зависимость, представьте себе две пары сообщающихся сосудов, причем у одной пары сосудов соединяющая трубка тонкая, а у другой - толстая. Ясно, что при заполнении водой одного из сосудов (каждой пары) переход ее в другой сосуд по толстой трубке произойдет гораздо быстрее, чем по тонкой, т. е. толстая трубка окажет меньшее сопротивление течению воды. Точно так же и электрическому току легче пройти по толстому проводнику, чем по тонкому, т. е. первый оказывает ему меньшее сопротивление, чем второй.

Электрическое сопротивление проводника равно удельному сопротивлению материала, из которого этот проводник сделан, умноженному на длину проводника и деленному на площадь площадь поперечного сечения проводника :

R = р l / S ,

Где - R - сопротивление проводника, ом, l - длина в проводника в м, S - площадь поперечного сечения проводника, мм 2 .

Площадь поперечного сечения круглого проводника вычисляется по формуле:

S = π d 2 / 4

Где π - постоянная величина, равная 3,14; d - диаметр проводника.

А так определяется длина проводника:

l = S R / p ,

Эта формула дает возможность определить длину проводника, его сечение и удельное сопротивление, если известны остальные величины, входящие в формулу.

Если же необходимо определить площадь поперечного сечения проводника, то формулу приводят к следующему виду:

S = р l / R

Преобразуя ту же формулу и решив равенство относительно р, найдем удельное сопротивление проводника:

р = R S / l

Последней формулой приходится пользоваться в тех случаях, когда известны сопротивление и размеры проводника, а его материал неизвестен и к тому же трудно определим по внешнему виду. Для этого надо определить удельное сопротивление проводника и, пользуясь таблицей, найти материал, обладающий таким удельным сопротивлением.

Еще одной причиной, влияющей на сопротивление проводников, является температура .

Установлено, что с повышением температуры сопротивление металлических проводников возрастает, а с понижением уменьшается. Это увеличение или уменьшение сопротивления для проводников из чистых металлов почти одинаково и в среднем равно 0,4% на 1°C . Сопротивление жидких проводников и угля с увеличением температуры уменьшается.

Электронная теория строения вещества дает следующее объяснение увеличению сопротивления металлических проводников с повышением температуры. При нагревании проводник получает тепловую энергию, которая неизбежно передается всем атомам вещества, в результате чего возрастает интенсивность их движения. Возросшее движение атомов создает большее сопротивление направленному движению свободных электронов, отчего и возрастает сопротивление проводника. С понижением же температуры создаются лучшие условия для направленного движения электронов, и сопротивление проводника уменьшается. Этим объясняется интересное явление - сверхпроводимость металлов .

Сверхпроводимость , т. е. уменьшение сопротивления металлов до нуля, наступает при огромной отрицательной температуре - 273° C , называемой абсолютным нулем. При температуре абсолютного нуля атомы металла как бы застывают на месте, совершенно не препятствуя движению электронов.

Закон Ома является основным законом электрических цепей. При этом он позволяет объяснять многие явления природы. Например, можно понять, почему электричество не "бьет" птиц, которые сидят на проводах. Для физики закон Ома является крайне значимым. Без его знания невозможно было бы создавать стабильно работающие электрические цепи или вовсе не было бы электроники.

Зависимость I = I(U) и ее значение

История открытия сопротивления материалов напрямую связана с вольт-амперной характеристикой. Что это такое? Возьмем цепь с постоянным электрическим током и рассмотрим любой ее элемент: лампу, газовую трубку, металлический проводник, колбу электролита и т. д.

Меняя напряжение U (часто обозначается как V), подаваемое на рассматриваемый элемент, будем отслеживать изменение силы тока (I), проходящего через него. Как итог, мы получим зависимость вида I = I (U), которая носит название "вольт-амперная характеристика элемента" и является прямым показателем его электрических свойств.

Вольт-амперная характеристика может выглядеть по-разному для различных элементов. Самый простой ее вид получается при рассмотрении металлического проводника, что и сделал Георг Ом(1789 - 1854).

Вольт-амперная характеристика - это линейная зависимость. Поэтому ее графиком служит прямая линия.

Закон в простой форме

Исследования Ома по изучению вольт-амперных характеристик проводников показали, что сила тока внутри металлического проводника пропорциональна разности потенциалов на его концах (I ~ U) и обратно пропорциональна некоему коэффициенту, то есть I ~ 1/R. Этот коэффициент стал называться "сопротивление проводника", а единица измерения электрического сопротивления - Ом или В/А.

Стоит отметить еще вот что. Закон Ома часто используется для расчета сопротивления в цепях.

Формулировка закона

Закон Ома говорит, что сила тока (I) отдельно взятого участка цепи пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Следует заметить, что в таком виде закон остается верным только для однородного участка цепи. Однородной называется та часть электрической цепи, которая не содержит источника тока. Как пользоваться законом Ома в неоднородной цепи, будет рассмотрено ниже.

Позже опытным путем было установлено, что закон остается справедливым и для растворов электролитов в электрической цепи.

Физический смысл сопротивления

Сопротивление - это свойство материалов, веществ или сред препятствовать прохождению электрического тока. Количественно сопротивление в 1 Ом означает, что в проводнике при напряжении 1 В на его концах способен проходить электрический ток силой 1 А.

Удельное электрическое сопротивление

Экспериментальным методом было установлено, что сопротивление электрического тока проводника зависит от его размеров: длина, ширина, высота. А также от его формы (сфера, цилиндр) и материала, из которого он сделан. Таким образом, формула удельного сопротивления, например, однородного цилиндрического проводника будет: R = р*l/S.

Если в этой формуле положить s = 1 м 2 и l = 1 м, то R численно будет равен р. Отсюда вычисляется единица измерения для коэффициента удельного сопротивления проводника в СИ - это Ом*м.

В формуле удельного сопротивления р - это коэффициент сопротивления, определяемый химическими свойствами материала, из которого изготовлен проводник.

Для рассмотрения дифференциальной формы закона Ома, необходимо рассмотреть еще несколько понятий.

Как известно, электрический ток - это строго упорядоченное движение любых заряженных частиц. Например, в металлах носителями тока выступают электроны, а в проводящих газах - ионы.

Возьмем тривиальный случай, когда все носители тока однородны - металлический проводник. Мысленно выделим в этом проводнике бесконечно малый объем и обозначим через u среднюю (дрейфовую, упорядоченную) скорость электронов во взятом объеме. Далее пусть n обозначает концентрацию носителей тока в единице объема.

Теперь проведем бесконечно малую площадь dS перпендикулярно вектору u и построим вдоль скорости бесконечно малый цилиндр с высотой u*dt, где dt - обозначает время, за которое все носители скорости тока, содержавшиеся в рассматриваемом объеме, пройдут сквозь площадку dS.

При этом электронами сквозь площадку будет перенесен заряд, равный q = n*e*u*dS*dt, где e - заряд электрона. Таким образом, плотность электрического тока - это вектор j = n*e*u, обозначающий количество заряда, переносимого в единицу времени через единицу площади.

Один из плюсов дифференциального определения закона Ома заключается в том, что часто можно обойтись без расчета сопротивления.

Электрический заряд. Напряженность электрического поля

Напряженность поля наряду с электрическим зарядом является фундаментальным параметром в теории электричества. При этом количественное представление о них можно получить из простых опытов, доступных школьникам.

Для простоты рассуждений будем рассматривать электростатическое поле. Это электрическое поле, которое не изменяется со временем. Такое поле может быть создано неподвижными электрическими зарядами.

Также для наших целей необходим пробный заряд. В его качестве будем использовать заряженное тело - настолько малое, что оно не способно вызывать какие-либо возмущения (перераспределение зарядов) в окружающих объектах.

Рассмотрим поочередно два взятых пробных заряда, последовательно помещенных в одну точку пространства, находящуюся под воздействием электростатического поля. Получается, что заряды будут подвергаться неизменному во времени воздействию с его стороны. Пусть F 1 и F 2 - это силы, воздействующие на заряды.

В результате обобщения опытных данных было установлено, что силы F 1 и F 2 направлены либо в одну, либо в противоположные стороны, а их отношение F 1 /F 2 является независимым от точки пространства, куда были поочередно помещены пробные заряды. Следовательно, отношение F 1 /F 2 является характеристикой исключительно самих зарядов, и никак не зависит от поля.

Открытие данного факта позволило охарактеризовать электризацию тел и в дальнейшем было названо электрическим зарядом. Таким образом, по определению получается q 1 /q 2 = F 1 /F 2 , где q 1 и q 2 - величина зарядов, помещаемых в одну точку поля, а F 1 и F 2 - силы, действующие на заряды со стороны поля.

Из подобных соображений были экспериментально установлены величины зарядов различных частиц. Условно положив в соотношение один из пробных зарядов равным единице, можно вычислить величину другого заряда, измерив соотношение F 1 /F 2 .

Через известный заряд можно охарактеризовать любое электрическое поле. Таким образом, сила, действующая на единичный пробный заряд, находящийся в состоянии покоя, называется напряженностью электрического поля и обозначается E. Из определения заряда получаем, что вектор напряженности имеет следующий вид: E = F/q.

Связь векторов j и E. Другая форма закона Ома

Также отметим, что определение удельного сопротивления цилиндра можно обобщить для проводов, состоящих из одного материала. В таком случае площадь поперечного сечения из формулы удельного сопротивления будет равна сечению провода, а l - его длине.