Закон Ома для чайников: ключевые понятия и объяснение

Закон Ома представляет собой фундаментальные азы физики, которые должен знать всесторонне развитый человек. В этой статье попробуем объяснить его таким образом, чтобы было понятно даже человеку далекому от точных наук.

Фото: Midjourney

Ключевые понятия

I или сила тока

Главной характеристикой любого проводника является бегущий внутри него ток, т.е. через него пробираются частички, несущие в себе заряд, называющиеся электронами. Величина каждого из них одинакова и равняется -1,60217662*10^-19 Кулона. Следовательно, через плоскость проходит электрический заряд, соразмерный совокупности зарядов всех частиц, движущихся по проводнику за некий временной период.

Сила тока определяется как отношение заряда, движущегося сквозь проводник за конкретно указанный промежуток времени. Наблюдается прямая зависимость: единица силы тока будет становиться больше в случае увеличения показателя заряда, проходящего через проводник за некий временной отрезок.Силу тока принято измерять в Амперах. Такое название не случайно, поскольку было решено увековечить имя Андре-Мари Ампера, посвятившего свою жизнь изучению электрических явлений.

U - напряжение или разность потенциалов

Напряжение является двигателем электронов, т.е. движутся они за счёт его участия. Поле способно переносить заряд из точки А в точку В за счет электрического потенциала. Говоря простыми словами, именно напряжение указывает энергии, куда ей течь.Напряжение представляет собой показатель, равный отношению работы, направленной на сдвижение заряда с места под действием электрического поля, к самой величине этого заряда.

Величина напряжения - Вольт. По сути, он является напряжением, совершающим работу в 1 Джоуль при передвижении заряда в Кулон.

Сопротивление R

Ток должен в чем-то двигаться. Его сосуд является проводником. Гонимые под влиянием электрического поля электроны то и дело сталкиваются с атомами, входящими в состав проводника, отчего он нагревается. Отсюда возникает колебание атомов в решетке из кристаллов, которое препятствует свободному перемещению электронов. Так возникает сопротивление.То есть, выходит, что сопротивление представляет физическую величину, определяющую, как проводник препятствует прохождению тока.Доказана абсолютная взаимосвязь сопротивления от состава проводника, от его сечения, а также температуры, при которой происходит процесс.

Величина измерения сопротивляющейся силы - Ом. Свое название  получила в честь физика из Германии - Георга Симона Ома.

Закон Ома: трактование и формула

Знакомство с законом происходит еще на уроке физики на второй год ее изучения. Путем проведения сложной экспериментальной работы Г.С. Ом вывел закон в 1826 году, а уже год спустя его пропустили к публикации.

Согласно школьной книге, формулировка закона имеет следующий вид: «Сила тока на участке цепи равна отношению напряжения на его концах к сопротивлению участка».

Объясним более простыми словами: ток с силой своего движения непосредственно зависим от напряжения и обратно зависим от сопротивления. Если повышается единица напряжения, то сила, с которой движется ток, также увеличится. С увеличением сопротивления сила тока будет уменьшаться.Если у нас даны две величины, то мы без труда сможем вычислить третью в соответствии с формулой. Чтобы было проще запомнить закон Ома применяется простой треугольник:

Пользоваться им достаточно просто: рукой закрывается та единица, которую необходимо вычислить. Смотрим на две оставшихся незакрытыми: если первая находится поверх второй, то нужно разделить верхнюю на нижнюю, чтобы получить требующийся результат. Если же известны две нижние величины, то нужно их перемножить с целью вычислить верхнюю.

Фото: Work5

Первый закон применим к участку цепи, под которым мы имеем в виду однородный участок с отсутствующей электродвижущей силой. Так, определенное сопротивление в этом месте все же есть, но нет источника самого тока.Второй закон Ома, применимый к полным цепям, отличается:

Сила тока полного участка цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Ниже на изображении представлена его формула.

Трактовка второго закона Ома не имеет существенных различий от первого. Как мы можем увидеть, сопротивление включает в себя непосредственно сопротивление и сопротивление изнутри, относящееся к источнику тока. Разница заключается лишь в том, что единица напряжения заменяется ЭДС. То есть, второй закон не теряет из виду нуждающихся в электрическом токе, в качестве которых выступают обогреватели, компьютеры, электролампы и пр., а помимо его возможные источники.

Понимание закона Ома

Попробуем разобраться в теоретической части. Для этого нам будет необходимо представить, что ток превратился в жидкость. В своих опытах накануне открытия закона Георг Ом как раз использовал жидкость.

Итак, теперь условно ток больше не является потоком заряженных частиц, бегущих по проводнику, а представляет собой поток воды, бегущий по трубе. Чтобы поднять в ней воду для водокачки применяется насос. Далее благодаря влиянию потенциальной энергии вода устремляется вниз и начинает движение по трубе. При этом имеет значение то, насколько высоко насос забрал воду: чем больше уровень, тем быстрее будет поток в трубе.

Вывод напрашивается следующий: скорость потока, с которым бежит вода (возвращаясь к нашей аналогии - сила тока в проводнике), увеличивается с повышением потенциальной энергии жидкости (т.е. разности потенциалов).

Получаем подтверждение утверждения, что «Сила тока имеет прямую пропорциональную зависимость от напряжения».

Перейдем теперь к величине сопротивления, которую рассмотрим по той же аналогии с жидкостями. Труба имеет гидравлическое сопротивление, возникающее из-за неровностей стенок, а также имеющее зависимость от ее диаметра. Тогда напрашивается вывод, что, если увеличить трубу в диаметре, тем меньшее сопротивление будет оказываться на движущуюся жидкость, а поток воды при этом увеличится.

Таким образом было доказано утверждение, что «Сила тока имеет обратную сопротивлению пропорциональность». 

Конечно, сравнение тока с жидкостью весьма грубое. Но тем не менее, практически такая аналогия имеет место быть. На самом деле, из-за того, что атомы кристаллической решетки находятся в непрерывном движении, возникает сопротивление. Ток же обусловлен непрерывным движением заряженных частиц. К примеру, заряженные частицы в металлах - это электроны, которые отрываются от орбит атомов.

На практике закон Ома применим не всегда. Он успешно применим для проводников из металлов при любом показателе напряжения, но вот для тока, находящегося в полупроводниках, вакууме, газах, растворах или расплавах электролитов, нарушается линейная зависимость, а значит, применение закона в стандартном виде недопустимо.

Закон Ома на практике

Самым простым способом понять закон будет использование его на практике.

Ниже мы представили довольно простую схему с аккумулятором и резистором. Аккумулятор выполняет функцию источника напряжения на 16 Вольт, при этом резистор выдает сопротивление в 800 Ом. Вопрос заключается в том, сколько тока движется по цепи.

Чтобы вычислить силу тока можно обратиться к представленному выше в статье треугольнику либо же воспользоваться стандартной формулой: I = V/R. Теперь мы можем рассчитать силу тока:

I = 14B / 800 Ом

I = 0,02 А = 20 мА (миллиампер)

Получается, что в данной цепи ток составляет 20 мА.

Рассмотрим другой пример. У нас снова имеется схема с аккумулятором и резистором. Но в этот раз мы не знаем, какое напряжение выдает аккумулятор. Зато мы измерили ток в цепи и получили единицу, равную 4 мА. Резистор же выдает сопротивление в 700 Ом. Вопрос следующий: какое напряжение у аккумулятора?

Используя все тот же треугольник с формулами, получаем:

V = R*I

V = 700 Ом * 4 мА

V = 2,8 В

Таким образом, аккумулятор выдает напряжение 2,8 В.

В статье мы постарались максимально просто донести объяснение закона Ома. Статья подготовлена нашей командой Ворк5, чтобы сделать жизнь студентов проще, а оценки на экзаменах выше. Надеемся, материал статьи поможет лучше понять закон Ома без углубления в сложные темы и формулировки.