Отримання знань
дистанційна підтримка освіти школярів
Закон Ома
Постійний електричний струм може бути створений тільки в замкнутому колі, в якому вільні носії заряду циркулюють по замкнутих траєкторіях.
Електричне поле в різних точках такого кола не змінюється з часом. Отже, електричне поле в колі постійного струму має характер замороженого електростатичного поля.
Але при переміщенні електричного заряду в електростатичному полі по замкнутій траєкторії, робота електричних сил дорівнює нулю.
Тому для існування постійного струму необхідна наявність в електричному колі пристрою, здатного створювати і підтримувати різницю потенціалів на ділянках ланцюга за рахунок роботи сил неелектростатичного походження.
Такі пристрої називаються джерелами постійного струму. Сили неелектростатичного походження, що діють на вільні носії заряду з боку джерел струму, називаються сторонніми силами.
Природа сторонніх сил може бути різною. У гальванічних елементах або акумуляторах вони виникають в результаті електрохімічних процесів, в генераторах постійного струму сторонні сили виникають при русі провідників в магнітному полі. Джерело струму в електричному колі відіграє ту ж роль, що і насос, який необхідний для перекачування рідини в замкнутій гідравлічній системі. Під дією сторонніх сил електричні заряди рухаються усередині джерела струму проти сил електростатичного поля, завдяки чому в замкнутому колі може підтримуватися постійний електричний струм.
Так позначаються елементи електричного кола на принципових схемах.
При переміщенні електричних зарядів по колу постійного струму сторонні сили, що діють усередині джерел струму, здійснюють роботу.
Фізична величина, рівна відношенню роботи Aст сторонніх сил при переміщенні заряду q від негативного полюса джерела струму до позитивного до величини цього заряду, називається електрорушійною силою джерела (ЕРС):
Таким чином, ЕРС визначається роботою, що здійснюється сторонніми силами при переміщенні одиничного позитивного заряду. Електрорушійна сила, як і різниця потенціалів, вимірюється в вольтах (В).
При переміщенні одиничного позитивного заряду по замкнутому колу постійного струму робота сторонніх сил дорівнює сумі ЕРС, що діють в цьому колі, а робота електростатичного поля дорівнює нулю.
Коло постійного струму можна розбити на окремі ділянки. Ті ділянки, на яких не діють сторонні сили (т. е. ділянки, що не містять джерел струму), називаються однорідними. Ділянки, що включають джерела струму, називаються неоднорідними.
При переміщенні одиничного позитивного заряду по деякій ділянці кола роботу здійснюють як електростатичні (кулонівські), так і сторонні сили. Робота електростатичних сил дорівнює різниці потенціалів Δφ12 = φ1 ––φ2 між початковою (1) і кінцевою (2) точками неоднорідної ділянки. Робота сторонніх сил рівна за визначенням електрорушійній силі ε 12 ,що діє на даній ділянці. Тому повна робота рівна
|
Величину U12 прийнято називати напругою на ділянці кола 1–2. В разі однорідної ділянки напруга дорівнює різниці потенціалів:
|
Німецький фізик Р. Ом в 1826 році експериментально встановив, що сила струму, який протікає по однорідному металевому провідникові (т. е. провідникові, в якому не діють сторонні сили), пропорційна напрузі U на кінцях провідника:
|
де R = const.
Величину R прийнято називати електричним опором. Провідник, що має електричний опір, називається резистором. ------------ Дане співвідношення виражає
закон Ома для однорідної ділянки кола: сила струму в провіднику прямо пропорційна прикладеній напрузі і обернено пропорційна опору провідника.
У СІ одиницею електричного опору провідників служить ом (Ом). Опір в 1 Ом має така ділянка кола, в якій при напрузі 1 В виникає струм силою в 1 А.
Провідники, для яких справедливий закон Ома, називаються лінійними. Графічна залежність сили струму I від напруги U (такі графіки називаються вольт-амперними характеристиками скорочено ВАХ) зображається прямою лінією, що проходить через початок координат.
Слід зазначити, що існує багато матеріалів і пристроїв, для яких не виконується закон Ома, наприклад напівпровідниковий діод або газорозрядна лампа. Навіть у металевих провідників при струмах достатньо великої сили спостерігається відхилення від лінійного закону Ома, оскільки електричний опір металевих провідників росте із зростанням температури.
Для ділянки кола, що містить ЕРС, закон Ома записується в наступній формі:
|
Це співвідношення прийнято називати узагальненим законом Ома або законом Ома для неоднорідної ділянки кола..
На мал. 2 зображено замкнуте коло постійного струму. Ділянка кола c d є однорідною.
 |
| Малюнок 2. Коло постійного струму |
За законом Ома
| IR = Δφcd. |
Ділянка (ab) містить джерело струму з ЕДС, рівною 
.
За законом Ома для неоднорідної ділянки
Ir = Δφab +  . |
Додамо обидві рівності, отримаємо:
| I (R + r) = Δφcd + Δφab + . |
Але Δφcd =Δφba = – Δφab. Тому
|
Ця формула - закон Ома для повного кола:
Сила струму в повному колі дорівнює електрорушійній силі джерела, що ділиться на суму опорів однорідної і неоднорідної ділянок кола.
Опір r неоднорідної ділянки на мал. .2 можна розглядувати як внутрішній опір джерела струму. В цьому випадку ділянка (ab) на мал.2 є внутрішньою ділянкою джерела. Якщо крапки а і b замкнути провідником, опір якого малий в порівнянні з внутрішнім опором джерела (R << r), тоді в колі потече струм короткого замикання
|
Сила струму короткого замикання – максимальна сила струму, яку можна отримати від даного джерела з електрорушійною силою і внутрішнім опором r. У джерел з малим внутрішнім опором струм короткого замикання може бути дуже великий і викликати руйнування електричного кола або джерела. Наприклад, у свинцевих акумуляторів, використовуваних в автомобілях, сила струму короткого замикання може складати декілька сотень ампер. Особливо небезпечні короткі замикання в освітлювальних мережах, що живляться від підстанцій (тисячі ампер). Щоб уникнути руйнівної дії таких великих струмів, в ланцюг включаються запобіжники або спеціальні автомати захисту мереж.
У ряді випадків для запобігання небезпечним значенням сили струму короткого замикання до джерела послідовно під'єднується деякий зовнішній опір. Тоді опір r дорівнює сумі внутрішнього опору джерела і зовнішнього опору, і при короткому замиканні сила струму не виявиться надмірно великою.
Якщо зовнішнє коло розімкнено, то Δφba = – Δφab = , тобто різниця потенціалів на полюсах розімкненої батареї рівна її ЕРС.
Якщо зовнішній опір навантаження R включено і через батарею протікає струм, різниця потенціалів на її полюсах стає рівною
| Δφba = – Ir. |
На мал. 3 дано схематичне зображення джерела постійного струму з ЕРС рівною і внутрішнім опором r у трьох режимах: «холостий хід», робота на навантаження і режим короткого замикання Вказані напруженість 
електричного поля усередині батареї і сили, що діють на позитивні заряди: 
– електрична сила і 
– стороння сила. У режимі короткого замикання електричне поле усередині батареї зникає.
 |
| Малюнок 3. Схематичне зображення джерела постійного струму: 1 – батарея розімкнена; 2 – батарея замкнута на зовнішній опір R; 3 – режим короткого замикання |