Ом заңы – электр тізбектерінің негізгі заңы. Сонымен бірге көптеген табиғат құбылыстарын түсіндіруге мүмкіндік береді. Мысалы, электр тоғының сымдарда отырған құстарды неге «ұрмайтынын» түсінуге болады. Физика үшін Ом заңы өте маңызды. Оның білімінсіз тұрақты электр тізбектерін жасау мүмкін емес немесе электроника мүлде болмас еді.
Тәуелділік I=I(U) және оның мәні
Материалдар кедергісінің ашылу тарихы ток-кернеу сипаттамасымен тікелей байланысты. Бұл не? Тұрақты электр тогы бар тізбекті алайық және оның кез келген элементтерін қарастырайық: шам, газ құбыры, металл өткізгіш, электролит колба және т.б.
Қарастырылып отырған элементке берілетін U (көбінесе V деп аталады) кернеуін өзгерте отырып, біз ол арқылы өтетін ток (I) күшінің өзгеруін қадағалаймыз. Нәтижесінде біз I \u003d I (U) түріндегі тәуелділікті аламыз, ол «элементтің кернеу сипаттамасы» деп аталады және оның тікелей көрсеткіші болып табылады.электрлік қасиеттер.
V/A сипаттамасы әртүрлі элементтер үшін басқаша көрінуі мүмкін. Оның қарапайым түрі Георг Ом (1789 - 1854) жасаған металл өткізгішті қарастыру арқылы алынған.
Вольт-амперлік сипаттама – сызықтық қатынас. Сондықтан оның графигі түзу болады.
Заң қарапайым түрде
Омның өткізгіштердің ток кернеуінің сипаттамаларын зерттеуі металл өткізгіштің ішіндегі ток күші оның ұштарындағы потенциалдар айырмасына пропорционал (I ~ U) және белгілі бір коэффициентке кері пропорционал екенін көрсетті, яғни I ~ 1/R. Бұл коэффициент «өткізгіш кедергісі» деп аталды және электр кедергісінің өлшем бірлігі Ом немесе V/A болды.
Тағы бір ескеретін жайт. Ом заңы жиі тізбектердегі кедергіні есептеу үшін қолданылады.
Заң тұжырымы
Ом заңы тізбектің бір бөлігінің ток күші (I) осы бөлімдегі кернеуге пропорционал және оның кедергісіне кері пропорционал екенін айтады.
Бұл формада заң тек тізбектің біртекті бөлімі үшін ғана ақиқат болып қалатынын атап өту керек. Біртекті - электр тізбегінің ток көзі жоқ бөлігі. Біртекті емес тізбекте Ом заңын қалай қолдану керектігі төменде талқыланады.
Кейінірек бұл заң шешімдер үшін жарамды болып қала беретіні эксперименталды түрде анықталдыэлектр тізбегіндегі электролиттер.
Қарсыласудың физикалық мағынасы
Қарсылық – материалдардың, заттардың немесе тасымалдағыштардың электр тогының өтуін болдырмайтын қасиеті. Сандық түрде 1 Ом кедергі оның ұштарында кернеуі 1 В өткізгіште 1 А электр тогы өтуі мүмкін екенін білдіреді
Электр кедергісі
Тәжірибе жүзінде өткізгіштің электр тогының кедергісі оның өлшемдеріне: ұзындығына, еніне, биіктігіне тәуелді екені анықталды. Сондай-ақ оның пішіні (шар, цилиндр) және ол жасалған материал бойынша. Осылайша, мысалы, біртекті цилиндрлік өткізгіштің кедергісі формуласы келесідей болады: R \u003d pl / S.
Егер бұл формулада s=1 m2 және l=1 м деп қойсақ, онда R сандық жағынан p-ке тең болады. Осыдан СИ-дегі өткізгіштің кедергі коэффициентінің өлшем бірлігі есептеледі - бұл Омм.
Меншікті кедергі формуласында p - өткізгіш жасалған материалдың химиялық қасиеттерімен анықталатын кедергі коэффициенті.
Ом заңының дифференциалдық түрін қарастыру үшін тағы бірнеше ұғымды қарастыру керек.
Ток тығыздығы
Өздеріңіз білетіндей, электр тогы кез келген зарядталған бөлшектердің қатаң реттелген қозғалысы болып табылады. Мысалы, металдарда ток тасушылар электрондар, ал өткізгіш газдарда иондар.
Ағымдағы барлық тасымалдаушылар болған кезде маңызды емес жағдайды алайықбіртекті – металл өткізгіш. Осы өткізгіштегі шексіз аз көлемді ойша бөліп алайық және берілген көлемдегі электрондардың орташа (дрейф, реттелген) жылдамдығын u арқылы белгілейік. Әрі қарай, n бірлік көлемдегі ток тасымалдаушылардың концентрациясын белгілейік.
Енді u векторына перпендикуляр dS шексіз аз ауданын салайық және жылдамдық бойымен биіктігі udt болатын шексіз аз цилиндрді тұрғызайық, мұндағы dt қарастырылатын көлемдегі барлық ток жылдамдығының тасымалдаушылары өтетін уақытты білдіреді. dS аймағы арқылы.
Бұл жағдайда q=neudSdt тең заряд электрондар арқылы аудан арқылы тасымалданады, мұндағы e – электрон заряды. Осылайша, электр тогының тығыздығы j=neu векторы болып табылады, ол бірлік аудан арқылы бірлік уақытта тасымалданатын заряд мөлшерін білдіреді.
Ом заңының дифференциалдық анықтамасының артықшылықтарының бірі - кедергіні есептемей-ақ жиі жетуге болатындығы.
Электр заряды. Электр өрісінің кернеулігі
Өрістің кернеулігі электр зарядымен бірге электр тогы теориясындағы негізгі параметр болып табылады. Сонымен қатар, олардың сандық идеясын мектеп оқушыларына қолжетімді қарапайым эксперименттерден алуға болады.
Қарапайымдылық үшін электростатикалық өрісті қарастырамыз. Бұл уақыт өткен сайын өзгермейтін электр өрісі. Мұндай өрісті стационарлық электр зарядтары жасауға болады.
Сонымен қатар, біздің мақсаттарымыз үшін сынақ ақысы қажет. Оның сыйымдылығында біз зарядталған денені қолданамыз - соншалықты кішкентай, ол тудыруға қабілетті емесайналадағы нысандардағы кез келген бұзылулар (зарядтардың қайта бөлінуі).
Кезекпен электростатикалық өрістің әсерінен кеңістіктің бір нүктесінде орналастырылған екі сынақ зарядын қарастырайық. Айыптаулар оның тарапынан уақытша инварианттық әсерге ұшырайтыны белгілі болды. F1 және F2 зарядтарға әсер ететін күштер болсын.
Тәжірибелік мәліметтерді жалпылау нәтижесінде F1 және F2 күштері бір немесе бір бағытта бағытталғаны анықталды. қарама-қарсы бағытта және олардың F1/F2 қатынасы сынақ зарядтары кезектесіп орналастырылған кеңістіктегі нүктеге тәуелсіз. Сондықтан F1/F2 қатынасы зарядтардың өзіне тән сипатты болып табылады және өріске тәуелді емес.
Бұл фактінің ашылуы денелердің электрленуін сипаттауға мүмкіндік берді және кейінірек электр заряды деп аталды. Осылайша, анықтамасы бойынша q1/q2=F1/F 2 , мұнда q1 және q2 - өрістің бір нүктесінде орналастырылған зарядтар мөлшері және F 1 және F2 - өріс жағынан зарядтарға әсер ететін күштер.
Осындай пайымдаулардан әртүрлі бөлшектердің зарядтарының шамасы тәжірибе жүзінде анықталды. Сынақ алымдарының біреуін шартты түрде арақатынаста біреуге тең етіп орнату арқылы басқа зарядтың мәнін F1/F2 арақатынасын өлшеу арқылы есептеуге болады..
Кез келген электр өрісін белгілі заряд арқылы сипаттауға болады. Осылайша, тыныштықтағы бірлік сынақ зарядына әсер ететін күш электр өрісінің кернеулігі деп аталады және E арқылы белгіленеді. Зарядтың анықтамасынан біз күш векторының келесі түрге ие екенін аламыз: E=F/q.
j және E векторларының қосылуы. Ом заңының басқа түрі
Біртекті өткізгіште зарядталған бөлшектердің реттелген қозғалысы E векторының бағытында болады. Бұл j және E векторлары бірге бағытталатынын білдіреді. Токтың тығыздығын анықтаудағыдай, өткізгіштегі шексіз аз цилиндрлік көлемді таңдаймыз. Сонда осы цилиндрдің көлденең қимасы арқылы jdS-ке тең ток өтеді, ал цилиндрге берілген кернеу Edl-ге тең болады. Цилиндрдің меншікті кедергісінің формуласы да белгілі.
Содан кейін ток күшінің формуласын екі жолмен жаза отырып, мынаны аламыз: j=E/p, мұндағы 1/p мәні электр өткізгіштік деп аталады және электр кедергісіне кері шама. Ол әдетте σ (сигма) немесе λ (лямбда) деп белгіленеді. Өткізгіштік бірлігі - Sm/m, мұндағы Sm - Siemens. Омға кері бірлік.
Осылайша, біртекті емес тізбек үшін Ом заңы туралы жоғарыда қойылған сұраққа жауап бере аламыз. Бұл жағдайда ток тасымалдаушыларға E1 интенсивтілігімен сипатталатын электростатикалық өрістің күші және басқа ток көзінен оларға әсер ететін басқа күштер әсер етеді. E 2 белгіленген. Содан кейін Ом заңы қолданылдытізбектің біртекті емес бөлігі келесідей болады: j=λ(E1 + E2).
Өткізгіштік пен қарсылық туралы толығырақ
Өткізгіштің электр тогын өткізу қабілеті оның меншікті кедергісімен сипатталады, оны меншікті кедергі формуласы арқылы табуға болады немесе өткізгіштіктің кері шамасы ретінде есептелетін өткізгіштік. Бұл параметрлердің мәні өткізгіш материалдың химиялық қасиеттерімен де, сыртқы жағдайлармен де анықталады. Атап айтқанда, қоршаған орта температурасы.
Көптеген металдар үшін қалыпты температурадағы меншікті кедергі оған пропорционал, яғни p ~ T. Алайда төмен температурада ауытқулар байқалады. 0°К-қа жақын температурада металдар мен қорытпалардың көп саны үшін қарсылық есебі нөлдік мәндерді көрсетті. Бұл құбылыс асқын өткізгіштік деп аталады. Мысалы, сынап, қалайы, қорғасын, алюминий, т.б осындай қасиетке ие. Әр металдың өзіндік сыни температурасы Tk болады, бұл кезде асқын өткізгіштік құбылысы байқалады.
Сонымен қатар цилиндр кедергісінің анықтамасын бір материалдан жасалған сымдарға жалпылауға болатынын ескеріңіз. Бұл жағдайда кедергі формуласынан көлденең қиманың ауданы сымның көлденең қимасына, ал l - оның ұзындығына тең болады.
