Закон ома

Георг Симон Ом Закон Ома - це твердження про пропорційність сили струму в провіднику прикладеній напрузі.
Закон Ома справедливий для металів і напівпровідників при не надто великих прикладених напругах. Якщо для елемента електричного кола справедливий закон Ома, то кажуть, що цей елемент має лінійну вольт-амперну характеристику.
Закон Ома справедливий для провідників, виготовлених з матеріалів, в яких є вільні носії заряду: електрони провідності, дірки або іони Якщо таких провідників прикласти напругу, то в провідниках виникає електричне поле, змушувати носії заряду рухатися. Під час цього руху носії заряду прискорюються і збільшують свою кінетичну енергію. Однак зростання енергії носіїв заряду обмежена зіткненнями між собою, зі зміщеними з положень рівноваги внаслідок теплового руху атомами матеріалу, з домішками. При таких зіткненнях надлишкова кінетична енергія носіїв струму передається коливанням кристалічної решітки, виділяючись у вигляді тепла.
В середньому носії заряду мають швидкість, яка визначається частотою зіткнень. Математичної характеристикою таких зіткнень є час розсіювання і пов`язана з ним довжина вільного пробігу носіїв заряду. Обчислення показують, що середня швидкість носіїв заряду пропорційна прикладеному електричному полю, а отже і напрузі.
Таким чином, в матеріалах з вільними носіями заряду сила струму пропорційна напруженості електричного поля. Проходження струму через матеріал супроводжується виділеннями тепла. Детальніше про це в статті закон Джоуля-Ленца.
У сильних електричних полях закон Ома часто не виконується навіть для хороших провідників, оскільки фізична картина розсіяння носіїв заряду змінюється. Розігнаний до великій швидкості носій заряду може іонізувати нейтральний атом, породжуючи нові носії заряду, які теж в свою чергу вносять вклад в електричний струм. Електричний струм різко, іноді лавиноподібно, наростає.
У деяких матеріалах при низьких температурах процеси розсіяння носіїв заряду гасяться завдяки особливій взаємодії між ними і коливаннями кристалічної решітки - фононами. В такому випадку виникає явище надпровідності
В електротехніці прийнято записувати закон Ома в інтегральному вигляді



де U - прикладена напруга, I - сила струму, R - опір провідника.
Однак опір є характеристикою провідника, а не матеріалу, і залежить від довжини і поперечного перерізу провідника. Тому в фізиці застосовують закон Ома в диференціальної вигляді:



де j - щільність струму,? - питома провідність матеріалу, E - напруженість електричного поля.
Питома провідність залежить від кількості вільних носіїв заряду в провіднику і від їхньої рухливості.
Різниця потенціалів (напруга) на кінцях провідника довжиною l з постійною напруженістю електричного поля E дорівнює



Якщо провідник має площу перерізу S, то сила струму в ньому пов`язана з щільністю сили струму формулою:

I = j S.

Виходячи із закону Ома в формі

j =? E

і, підставляючи значення j = I / S і E = U / l, отримуємо рівняння

,

або

,

де опір R визначається через питому провідність формулою

.

Тут? = 1 /? - питомий опір.
У разі змінного струму закон Ома можна розширити, включивши в розгляд також елементи електричного кола, які характеризуються ємністю і індуктивністю. Змінний струм проходить через конденсатор, випереджаючи по фазі напруга. В індуктивності змінний струм відстає по фазі від напруги. Однак в обох випадках амплітуда змінного струму пропорційна амплітуді прикладеної змінної напруги. Математично це можна описати, ввівши комплексні опору (імпеданс).
Тоді можна записати



де - Електрорушійна сила, R - опір навантаження, r-внутрішнє опір джерела струму.
Георг Ом проводив дослідження протікання струму в електричному ланцюзі на початку XIX століття. На шляху до встановлення закономірності йому довелося подолати чимало перешкод. Для проведення досліджень і встановлення закономірності необхідно було мати вимірювальні прилади, джерела струму із стандартними властивостями, не змінювалися б з тим, стандартні провідники. Все це довелося створити або вдосконалити.
Було добре відомо, що магнітна дія струму змінюється при зміні елементів замкнутого кола: джерела електричного струму і провідників, що з`єднують полюси джерела. Існує закономірність, яка пов`язує магнітну дію струму з величинами, котрі характеризують елементи замкнутого кола? Напевно, таке питання виникало у багатьох дослідників.
Легко уявити атмосферу, в якій почалися пошуки інтуїтивно почуттів закономірності. Поняття напруги, падінння напруги, електрорушійної сили ще не були сформульовані. Йдуть за механізмом дії гальванічних елементів, незрозуміле взаємовідношення електростатичних сил і сил, що виникають при протіканні струму-нарешті невідомо що таке рухома електрику і електрику в спокої. Ом, наприклад, називає в своїх перших роботах електричний струм «контактної електрикою».
Ом керувався наступною ідеєю. Якщо над провідником, по якому проходить струм, підвісити на пружній нитці магнітну стрілку, то кут повороту стрілки дасть інформацію про струм, точніше про його зміни при варіаціях елементів замкнутого кола. Ом повернувся до ідеї Кулона і сконструював крутильні ваги. Магнітна стрілка виявилася точним і чутливим гальванометром.
У перших дослідах, результати яких Ом опублікував в 1825 році, спостерігалася «втрата сили» (зменшення кута відхилення стрілки) із збільшенням довжини провідника, підключеного до полюсів вольта стовпа (поперечний переріз провідника був постійним). Оскільки не було одиниць вимірювання, довелося вибрати еталон - «стандартне проведення». В якості залежної змінної фігурувало зменшення сили, що діє на магнітну стрілку. Досліди виявили закономірне зменшення цієї сили при збільшенні довжини провідника. Функція отримала аналітичний вираз, але Ом не претендував на встановлення закономірності, тому, що гальванічний елемент не давав постійної е.р.с ..
Ом ще не розумів значення внутрішнього опору джерела струму. Вольтів стовп, з яким він експерементував, мав внутрішній опір, значно перевищував зовнішній. Щоб отримати достатні для оцінки відхилення магнітної стрілки «гальванометра», звичайно ж доводилося зводити до мінімуму опір зовнішнього ланцюга, який визначався по суті, коротким відрізком металевого провідника. Зрозуміло, що в такій ситуації точність встановлення залежності сили струму від опору металевих провідників була недостатньою. До того ж внутрішній опір вольтового стовпа був далеко не постійним.
Звичайно ж потрібно дивуватися тому, що закономірність для описаної ситуації була отримана вірно, хоча б у першому наближенні. Однак до встановлення закону було ще далеко.
Успіх наступних експериментів Ома вирішило відкриття термоелектрики. Німецький фізик Томас Йоган Зеебека (1770 - † 1831) брав участь у великій дискусії між прихильниками хімічної та контактної теорії. Країни, що розвиваються Вольта, е.р.с. виникає при контакті речовини незалежно від наявності хімічного реагенту, і шукав доказів.
У 1822 році Зеебека виготовив спіраль з мідної смужки, всередині якої закріпив компас. Це був по-сучасному гальванометр з невеликим внутрішнім опором. Кінці спіралі приєднувались до різних металевих пластинок. Коли був узятий вісмутовий диск і належить на мідний, магнітна стрілка здригнулася. Ефекту не було, якщо диск брали не рукою, а за допомогою предмета, який повинен кімнатну температуру.
Нарешті Зеебека з`ясував, що ефект пропорційний різниці температур двох контактів.
Одним з найважливіших факторів відкриття було те, що в руках експерементаторів з`явилося джерело, е.р.с. якого можна було плавно регулювати і підтримувати постійною.
Ом використав термопару вісмут-мідь, один спай поміщався в лід, інший - в окріп. Чутливість гальванометра довелося звичайно ж збільшити. Процес вимірювань представляв собою наступне: 8 експериментальних провідників почергово включалися в коло. У кожному разі фіксувалося відхилення магнітної стрілки. Результат досвіду Ом висловив формулою:

, де

Це був другий крок. Тут ще немає звичних нам понять сили струму, е.р.с., зовнішнього, внутрішнього опору. Вони відграняться поступово.
У наступній роботі (1826 рік) Ом вводить поняття «електроскопічноі сили», користується поняттям сили струму та записує закон для ділянки кола вже в формі, дуже близькій до сучасної:

, де

Незважаючи на переконливі дані експериментів і чіткі теоретичні основи, закон Ома протягом майже десяти років залишався маловідомим. Досить сказати, що Фарадей також не підозрював про існування закону, при описі дослідів він був змушений звертатися до перерахування даних про елементи кола: кількість пластин в батареях, їх розміри, склад електроліту, довжина, діаметр і матеріал проводу.
ЗМЗ довгий час безуспішно доводилося доводити місцевим вченим, що їм відкритий важливу істину. Ввести закон у фізиці виявилося набагато складніше, ніж відкрити. І це закономірно. Фізичне мислення в той час було ще не готове до сприйняття загальної закономірності (тим більше з рук провінційного вчителя).
Перевірка закону Ома тривала протягом майже всього XIX століття. У 1876 році спеціальний комітет Британської асоціації провів точну перевірку, вказану Максвеллом. Справедливість закону Ома для рідких провідників було підтверджено Коном, Фітцтжеральдом і Троутона.

модернізація ваг

Увага, тільки СЬОГОДНІ!