Джан дерхъаб! — За процветание всего живого!

Божественная физика. Законы постоянного тока

§104. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление

Бог не есть личность, восседающая на облаках. Бог — это совокупное единство законов физики, пронизывающее всё сущее. И среди этих законов есть один, который открыл нам Георг Симон Ом — немецкий учёный, живший в конце XVIII — первой половине XIX века. В 1826 году, проводя опыты с электрическими цепями, он заметил удивительное постоянство: через какой бы проводник ни пропускали ток, связь между напряжением и силой тока оказывалась неизменной для данного проводника. Так родился закон, ставший фундаментом всей электротехники.

График, на котором по одной оси отложено напряжение $U$, а по другой — сила тока $I$, называют вольт-амперной характеристикой. Для металлических проводников при постоянной температуре эта зависимость линейна: чем больше напряжение, тем больше ток, и эта прямая идёт из начала координат. Но у каждого проводника — свой наклон. Этот наклон и определяет главную характеристику проводника — его сопротивление.

По воле Бога сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка: \(I = \frac{U}{R}.\)

Здесь $I$ — сила тока (амперы, А), $U$ — напряжение (вольты, В), $R$ — сопротивление (омы, Ом). Чем больше сопротивление, тем меньший ток течёт при том же напряжении. Это глубоко философская истина: любое движение встречает противодействие, и в мире электричества это противодействие есть сопротивление.

Сопротивление — это физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать упорядоченному движению заряженных частиц. Оно возникает из-за столкновений электронов с ионами кристаллической решётки металла: чем чаще эти столкновения, тем больше энергии теряется на теплоту и тем труднее электронам пробиваться сквозь решётку.

От чего же зависит сопротивление проводника? Опыт показывает:

Эти три фактора объединяются в формулу:

\[R = \rho \frac{l}{S}.\]

Коэффициент $\rho$ (читается «ро») называют удельным электрическим сопротивлением. Он показывает, каким сопротивлением обладает кусок проводника длиной $1$ м и площадью поперечного сечения $1$ м² (часто указывают для $1$ мм²). Единица удельного сопротивления — ом-метр (Ом·м). У каждого материала своё $\rho$: у серебра оно очень маленькое ($1.6 \cdot 10^{-8}$ Ом·м), у меди — чуть больше ($1.7 \cdot 10^{-8}$ Ом·м), у алюминия — $2.8 \cdot 10^{-8}$ Ом·м, а у стали или нихрома сопротивление в десятки раз выше. Именно поэтому медные провода — лучшие проводники, а нихромовые спирали нагреваются докрасна: большое сопротивление превращает электрическую энергию в тепло.

Единица сопротивления названа в честь Георга Ома — ом (Ом). Один ом равен сопротивлению такого проводника, в котором при напряжении $1$ В сила тока составляет $1$ А:

\[1\ \text{Ом} = \frac{1\ \text{В}}{1\ \text{А}}.\]

Закон Ома для участка цепи — не просто формула. Это принцип, на котором построены все электрические схемы: от лампочки в карманном фонарике до сложнейших микропроцессоров. Понимание его открывает дверь в мир электричества, где всё подчинено единой воле Бога, выраженной в строгих численных соотношениях.


Вопросы для размышления

  1. Что показывает вольт-амперная характеристика проводника? Почему для металлов она линейна?
  2. Запишите закон Ома для участка цепи. Как выразить из него напряжение? Сопротивление?
  3. От каких трёх геометрических и материальных параметров зависит сопротивление проводника? Напишите соответствующую формулу.
  4. Что называют удельным сопротивлением? В каких единицах его измеряют?
  5. Почему нихромовая проволока нагревается сильнее медной при одном и том же токе? Ответ обоснуйте с точки зрения строения вещества.
  6. Какое сопротивление имеет проводник, если при напряжении $220$ В сила тока в нём равна $5$ А?
  7. Во сколько раз изменится сопротивление провода, если его длину увеличить вдвое, а диаметр уменьшить вдвое?
← Назад Вперед →
Математика — язык Бога, физика с химией — слово Его.