Как связано напряжение с силой тока для металлического проводника

Обновлено: 04.10.2024

Распространенная фраза в отношении электробезопасности звучит примерно так: «Убивает не напряжение, а ток!». Хотя в этом есть доля правды, об опасности поражения электрическим током нужно понимать больше, чем эта простая пословица. Если бы напряжение не представляло опасности, никто бы никогда не распечатал и не вывесил надписи: ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ! ОПАСНО ДЛЯ ЖИЗНИ!

Принцип «убивает ток», по сути, верен. Это электрический ток сжигает ткани, заставляет мышцы замереть и вызывает фибрилляцию сердца. Однако электрический ток не возникает сам по себе: должно быть доступно напряжение, чтобы заставить ток протекать через пострадавшего. Тело человека также оказывает сопротивление току, что тоже необходимо учитывать.

Взяв закон Ома для напряжения, тока и сопротивления и выразив его через ток для заданных напряжения и сопротивления, мы получим следующее уравнение:

Сила тока, проходящего через тело человека, равна величине напряжения, приложенного между двумя точками этого тела, деленной на электрическое сопротивление, оказываемое телом между этими двумя точками. Очевидно, что чем большее напряжение доступно, тем легче ток будет проходить через любое заданное сопротивление.

Следовательно, существует опасность высокого напряжения, которое может создавать ток, достаточный для получения травмы или смерти. И наоборот, если тело имеет более высокое сопротивление, то при любом заданном напряжении будет протекать меньший ток. Насколько опасно напряжение, зависит от полного сопротивления цепи, препятствующего прохождению электрического тока.

Сопротивление тела человека не является фиксированной величиной. Оно варьируется от человека к человеку и время от времени. Существует даже метод измерения жировых отложений, основанный на измерении электрического сопротивления между пальцами рук и ног.

Разный процент жира в организме обеспечивает разное сопротивление: эта переменная влияет на электрическое сопротивление в организме человека. Чтобы методика работала точно, человек должен регулировать потребление жидкости за несколько часов до теста, что указывает на то, что гидратация тела является еще одним фактором, влияющим на электрическое сопротивление тела человека.

Сопротивление тела человека также зависит от того, как происходит контакт с кожей: от руки к руке, от руки к ноге, от ступни к ступне, от кисти руки к ее локтю и т.д. Пот, богатый солью и минералами, будучи жидкостью, является отличным проводником электричества. То же самое и с кровью с таким же высоким содержанием проводящих химикатов.

Таким образом, контакт с проводом потной рукой или открытой раной будет оказывать гораздо меньшее сопротивление току, чем контакт с чистой сухой кожей.

Измеряя электрическое сопротивление чувствительным прибором, я получаю в результате примерно 1 миллион Ом (1 МОм) между руками, держась за металлические щупы измерителя пальцами. Прибор показывает меньшее сопротивление, когда я плотно сжимаю щупы, и большее сопротивление, когда я держу их свободно.

Я сижу за компьютером и печатаю эти слова, мои руки чистые и сухие. Если бы я работал в жаркой, грязной промышленной среде, сопротивление между моими руками, вероятно, было бы намного меньше, представляя меньшее сопротивление смертельному току и большую опасность поражения электрическим током.

Насколько опасен электрический ток?

Ответ на этот вопрос также зависит от нескольких факторов. Химический состав тела человека оказывает значительное влияние на то, как электрический ток влияет на человека. Некоторые люди очень чувствительны к току и испытывают непроизвольное сокращение мышц от ударов статического электричества.

Другие могут получить большой разряд статического электричества и почти не почувствовать его, не говоря уже о мышечном спазме. Несмотря на эти различия, с помощью тестов были разработаны приблизительные руководящие принципы, которые показывают, что для проявления вредных эффектов требуется очень небольшой ток (опять же, информацию об источнике этих данных смотрите в конце главы).

Все значения силы тока даны в миллиамперах (миллиампер равен 1/1000 ампера):

Воздействие электрического тока на организм человека

Влияние на организм	Мужчины/женщины	Постоянный ток	Переменный ток, 60 Гц	Переменный ток, 10 кГц
Легкое покалывание руки	мужчины	1,0 мА	0,4 мА	7 мА
Легкое покалывание руки	женщины	0,6 мА	0,3 мА	5 мА
Болевой порог	мужчины	5,2 мА	1,1 мА	12 мА
Болевой порог	женщины	3,5 мА	0,7 мА	8 мА
Больно, но сознательное управление мышцами сохраняется	мужчины	62 мА	9 мА	55 мА
Больно, но сознательное управление мышцами сохраняется	женщины	41 мА	6 мА	37 мА
Больно, невозможно отпустить провод	мужчины	76 мА	16 мА	75 мА
Больно, невозможно отпустить провод	женщины	51 мА	10,5 мА	50 мА
Сильная боль, трудно дышать	мужчины	90 мА	23 мА	94 мА
Сильная боль, трудно дышать	женщины	60 мА	15 мА	63 мА
Возможна фибрилляция сердца после 3 секунд воздействия	мужчины и женщины	500 мА	100 мА

«Гц» обозначает единицу измерения герц. Это параметр того, насколько быстро изменяется переменный ток, известный как частота. Таким образом, столбец значений, обозначенный «Переменный ток, 60 Гц», относится к току, который меняется с частотой 60 циклов (1 цикл = период времени, когда ток сначала течет в одном направлении, а затем в другом в направлении) в секунду.

Последний столбец, обозначенный «Переменный ток, 10 кГц», относится к переменному току, который совершает десять тысяч (10 000) циклов каждую секунду.

Имейте в виду, что эти цифры являются приблизительными, поскольку люди с различным химическим составом тела могут реагировать по-разному. Было высказано предположение, что для переменного тока при протекании поперек грудной клетки достаточно всего 17 мА, чтобы при определенных условиях вызвать у человека фибрилляцию. Большинство данных относительно вызванной фибрилляции получены в результате испытаний на животных. Очевидно, что проводить тесты на вызов фибрилляции желудочков на людях непрактично, поэтому имеющиеся данные отрывочны.

И если вам интересно, я понятия не имею, почему женщины более восприимчивы к электрическому току, чем мужчины!

Предположим, я положил руки на клеммы источника переменного напряжения с частотой 60 Гц (60 циклов в секунду). Какое напряжение потребуется при чистой, сухой коже, чтобы получить ток в 20 миллиампер (достаточно, чтобы я не мог отпустить источник напряжения)? Чтобы определить его, мы можем использовать закон Ома:

\[E = IR = (20 \ мА)(1 \ МОм) = 20 000 \ вольт = 20 кВ\]

Имейте в виду, что с точки зрения электробезопасности это «идеальный случай» (чистая, сухая кожа), и что это значение напряжения представляет собой величину, необходимую для вызова оцепенения. Чтобы вызвать болезненный удар, потребуется гораздо меньшее напряжение! Кроме того, имейте в виду, что физиологические эффекты любой конкретной силы тока могут значительно отличаться от человека к человеку, и что эти расчеты являются приблизительными.

Обрызгав пальцы водой, чтобы имитировать пот, я смог измерить сопротивление «рука-рука» – всего 17000 Ом (17 кОм). Имейте в виду, что это касается только одного пальца каждой руки, касающегося тонкой металлической проволоки. Пересчитав напряжение, необходимое для возникновения тока в 20 мА, мы получим следующее значение:

\[E = IR = (20 \ мА)(17 \ кОм) = 340 \ вольт\]

В этом реалистичном состоянии, чтобы вызвать ток 20 миллиампер на пути «рука-рука», потребуется напряжение всего 340 вольт. Тем не менее, всё же возможно получить смертельный удар от меньшего напряжения, чем это. При условии гораздо более низкого значения сопротивления тела, увеличенного за счет, например, контакта с кольцом на пальце (полоса из золота, обернутая по окружности пальца, является отличной точкой контакта для поражения электрическим током) или полного контакта с большим металлическим предметом, таким как труба или металлическая ручка инструмента, сопротивление тела может упасть до 1000 Ом (1 кОм), что приведет к тому, что даже более низкое напряжение может представлять потенциальную опасность.

\[E = IR = (20 \ мА)(1 \ кОм) = 20 \ вольт\]

Обратите внимание, что в этом состоянии 20 вольт достаточно, чтобы вызвать через человека ток в 20 миллиампер; достаточно, чтобы вызвать оцепенение. Помните, было высказано предположение, что сила тока всего 17 миллиампер может вызвать фибрилляцию желудочков (сердца). При сопротивлении «рука-рука» 1000 Ом для создания этого опасного состояния потребуется всего 17 вольт.

\[E = IR = (17 \ мА)(1 \ кОм) = 17 \ вольт\]

Семнадцать вольт – это не так много для электрических систем. Конечно, это «наихудший» сценарий с переменным напряжением 60 Гц и отличной проводимостью тела, но он показывает, насколько низкое напряжение при определенных условиях может представлять серьезную угрозу.

Условия, необходимые для создания сопротивления тела 1000 Ом, не должны быть такими экстремальными, как те, которые были представлены (потная кожа при контакте с золотым кольцом). Сопротивление тела может уменьшаться при прикладывании напряжения (особенно если оцепенение заставляет пострадавшего крепче держать проводник), поэтому при длительном прикладывании напряжения удар может усилиться после первого контакта.

То, что начинается как легкий шок (ровно настолько, чтобы «заморозить» пострадавшего, чтобы он не мог двигаться), может перерасти в нечто, достаточно серьезное, чтобы убить человека, поскольку сопротивление его тела уменьшается, а сила тока соответственно увеличивается.

Исследования предоставили примерный набор значений электрического сопротивления для точек контакта человека в различных условиях (информацию об источнике этих данных смотрите в конце главы):

контакт пальца с проводом: от 40 000 Ом до 1 000 000 Ом в сухом состоянии, от 4 000 Ом до 15 000 Ом во влажном состоянии;
удерживание провода рукой: от 15 000 Ом до 50 000 Ом в сухом состоянии, от 3 000 Ом до 5 000 Ом во влажном состоянии;
удерживание рукой металлических плоскогубц: от 5 000 Ом до 10 000 Ом в сухом состоянии, от 1 000 Ом до 3 000 Ом во влажном состоянии;
контакт с ладонью: от 3 000 Ом до 8 000 Ом в сухом состоянии, от 1 000 Ом до 2 000 Ом во влажном состоянии;
удержание одной рукой 1,5-дюймовой металлической трубы: от 1 000 Ом до 3 000 Ом в сухом состоянии, от 500 Ом до 1 500 Ом во влажном состоянии;
удержание двумя руками 1,5-дюймовой металлической трубы: от 500 Ом до 1 500 Ом в сухом состоянии, от 250 Ом до 750 Ом во влажном состоянии;
рука погружена в токопроводящую жидкость: от 200 Ом до 500 Ом.
нога погружена в токопроводящую жидкость: от 100 Ом до 300 Ом.

Обратите внимание на значения сопротивления для двух условий с 1,5-дюймовой металлической трубой. Сопротивление, измеренное при захвате трубы двумя руками, составляет ровно половину того сопротивления, когда трубу держит одна рука.

Рисунок 1 – Сопротивление при удержании металлической трубы одной рукой

При удержании двумя руками площадь контакта с телом будет вдвое больше, чем с одной рукой. Это важный урок: электрическое сопротивление между любыми контактирующими объектами уменьшается с увеличением площади контакта при прочих равных условиях. Если держать трубу двумя руками, у тока будет два параллельных пути, по которым он течет из трубы в тело человека (или наоборот).

Рисунок 2 – Сопротивление при удержании металлической трубы двумя руками

Как мы увидим в следующей главе, пути в параллельной цепи всегда приводят к меньшему общему сопротивлению, чем любой отдельный путь, рассматриваемый отдельно.

В промышленности консервативным пороговым значением для опасного напряжения обычно считается 30 вольт. Осторожный человек должен рассматривать любое напряжение выше 30 вольт как опасное, не полагаясь на нормальное сопротивление тела для защиты от удара. Тем не менее, при работе с электричеством всё же хорошо бы держать руки чистыми и сухими и снимать все металлические украшения.

Даже при более низком напряжении металлические украшения могут представлять опасность, поскольку проводят ток, достаточный для ожога кожи, при контакте между двумя точками цепи. В частности, металлические кольца были причиной нескольких ожогов пальцев из-за замыкания между точками в низковольтной, сильноточной цепи.

Кроме того, напряжение ниже 30 может быть опасным, если его достаточно, чтобы вызвать неприятное ощущение, которое может вызвать вздрагивание и случайное соприкосновение с более высоким напряжением или другой опасностью. Я вспоминаю, как однажды жарким летним днем работал над автомобилем.

Я был в шортах, и моя голая нога касалась хромированного бампера автомобиля, когда я затягивал контакты аккумулятора. Когда я прикоснулся металлическим ключом к положительной (незаземленной) стороне 12-вольтовой батареи, я почувствовал покалывание в том месте, где моя нога касалась бампера. Сочетание плотного контакта с металлом и моей вспотевшей кожи позволило ощутить удар всего лишь при напряжении 12 вольт.

К счастью, ничего страшного не произошло, но если бы двигатель работал и удар ощущался в моей руке, а не в ноге, я мог бы рефлекторно дернуть руку в сторону вращающегося вентилятора или уронить металлический ключ на клеммы аккумулятора (создав больший ток через гаечный ключ с большим количеством искр).

Это иллюстрирует еще один важный урок, касающийся электробезопасности; электрический ток может быть косвенной причиной травмы, заставляя вас дернуться или вызывать спазмы частей вашего тела.

Опасность электрического тока также зависит от пути его протекания через человеческое тело. Ток будет влиять на все мышцы, находящиеся на его пути, а поскольку мышцы сердца и легких (диафрагмы), вероятно, являются наиболее важными для выживания, пути протекания тока, проходящие через грудную клетку, являются наиболее опасными. Поэтому при протекании электрического тока по пути «рука-рука» есть больше шансов для получения травм и летального исхода.

Во избежание подобных ситуаций рекомендуется работать с цепями, находящимися под напряжением, только одной рукой. Конечно, всегда безопаснее работать в цепи, когда она отключена, но это не всегда практично или возможно.

При работе одной рукой, как правило, предпочтение отдается правой руке по двум причинам: большинство людей правши (что обеспечивает дополнительную координацию при работе), и сердце расположено в грудной полости слева от центра.

Для левшей этот совет может быть не лучшим. Если такой человек недостаточно ловко работает правой рукой, он может подвергнуть себя большей опасности, используя руку, с которой ему менее всего комфортно, даже если электрический ток через другую руку может представлять большую опасность для его сердца. Относительная опасность между электрическим ударом через одну руку или через другую, вероятно, меньше, чем опасность работы с менее оптимальной координацией, поэтому выбор руки для работы лучше всего оставить на усмотрение человека.

Лучшая защита от ударов цепи под напряжением – это сопротивление, а сопротивление может быть добавлено к телу с помощью изолированных инструментов, перчаток, обуви и других средств. Ток в цепи является функцией доступного напряжения, деленного на общее сопротивление на пути протекания тока. Как мы рассмотрим более подробно позже в этой книге, сопротивления складываются, когда они составляются так, что ток течет только по одному пути:

Рисунок 3 – Сопротивление тела при прямом контакте

Человек напрямую прикасается к источнику напряжения: ток ограничен только сопротивлением тела человека.

Далее мы увидим эквивалентную схему для человека в изолирующих перчатках и ботинках:

Рисунок 4 – Сопротивление при контакте в изолирующих перчатках и ботинках

Человек одет в изолирующие перчатки и ботинки: ток теперь ограничен полным сопротивлением цепи.

Поскольку, чтобы замкнуть цепь обратно к источнику напряжения, электрический ток должен пройти через ботинок и тело и перчатку. И общая сумма этих сопротивлений противодействует прохождению тока в большей степени, чем любое из этих сопротивлений, рассматриваемое отдельно.

Безопасность – одна из причин, по которой электрические провода обычно покрывают пластиковой или резиновой изоляцией: чтобы значительно увеличить сопротивление между проводником и тем, что может с ним контактировать.

К сожалению, изолировать проводники линии электропередачи, чтобы обеспечить безопасность в случае случайного контакта, было бы непомерно дорого. Таким образом, в этом случае безопасность обеспечивается за счет того, что эти линии должны находиться достаточно далеко, вне зоны досягаемости, чтобы никто не мог случайно их коснуться.

Закон Ома (снова!)

Закон Ома: как связаны между собой напряжение, ток и сопротивление

Первая и, возможно, самая важная взаимосвязь между током, напряжением и сопротивлением называется законом Ома, который был открыт Георгом Симоном Омом и опубликован в его статье 1827 года «Гальваническая цепь, исследованная математически».

Напряжение, ток и сопротивление

Электрическая цепь образуется, когда создается проводящий путь, позволяющий электрическому заряду непрерывно перемещаться. Это непрерывное движение электрического заряда по проводникам цепи называется током, и о нем часто говорят как о «потоке», как о потоке жидкости через полую трубу.

Сила, побуждающая носители заряда «течь» по цепи, называется напряжением. Напряжение – это особая мера потенциальной энергии, которая всегда относительна между двумя точками. Когда мы говорим об определенной величине напряжения, присутствующего в цепи, мы имеем в виду измерение потенциальной энергии для перемещения носителей заряда из одной конкретной точки этой цепи в другую конкретную точку. Без упоминания двух конкретных точек термин «напряжение» не имеет значения.

Ток, как правило, проходит через проводники с некоторой степенью трения или противодействия движению. Это противодействие движению правильнее называть сопротивлением. Величина тока в цепи зависит от величины напряжения и величины сопротивления в цепи, препятствующего прохождению тока. Как и напряжение, сопротивление – это величина, измеряемая между двумя точками. По этой причине величины напряжения и сопротивления часто указываются как «между» двумя точками в цепи.

Единицы измерения: вольт, ампер и ом

Чтобы иметь возможность делать осмысленные утверждения об этих величинах в цепях, нам нужно уметь описывать их количества так же, как мы могли бы количественно определить массу, температуру, объем, длину или любые другие физические величины. Для массы мы можем использовать единицы «килограмм» или «грамм». Для температуры мы можем использовать градусы Фаренгейта или градусы Цельсия. В таблице ниже приведены стандартные единицы измерения электрического тока, напряжения и сопротивления:

Единицы измерения тока, напряжения, сопротивления

Величина	Символ	Единица измерения	Сокращение единицы измерения
Ток	I	Ампер	А
Напряжение	V	Вольт	В
Сопротивление	R	Ом	Ом

«Символ», присвоенный каждой величине, представляет собой стандартную букву латинского алфавита, используемую для представления этой величины в формулах. Подобные стандартизированные буквы распространены во всех физических и технических дисциплинах и признаны во всем мире. «Сокращение единицы измерения» для каждой величины представляет собой алфавитный символ(ы), используемый в качестве сокращенного обозначения конкретной единицы измерения.

Каждая единица измерения названа в честь известного экспериментатора в области электричества: ампер в честь француза Андре М. Ампера, вольт в честь итальянца Алессандро Вольта, а ом в честь немца Георга Симона Ома.

Математический символ для каждой величины также имеет значение. «R» для сопротивления и «V» для напряжения говорят сами за себя («Resistance» и «Voltage», соответственно), тогда как «I» для тока кажется немного странным. Предполагается, что буква «I» должна представлять «интенсивность» («Intensity»)(потока заряда). Судя по исследованиям, которые мне удалось провести, кажется, что есть некоторые разногласия по поводу значения слова «I». Другой символ напряжения, «E», означает «электродвижущую силу» («Electromotive force»). Символы «E» и «V» по большей части взаимозаменяемы, хотя в некоторых текстах «E» зарезервировано для обозначения напряжения на источнике (таком как батарея или генератор), а «V»– для обозначения напряжения на любом другом элементе.

Все эти символы выражаются заглавными буквами, за исключением случаев, когда величина (особенно напряжение или ток) описывается в терминах короткого периода времени (так называемые «мгновенные» значения). Например, напряжение батареи, которое стабильно в течение длительного периода времени, будет обозначаться заглавной буквой «E», тогда как пиковое напряжения при ударе молнии в тот самый момент, когда она попадает в линию электропередачи, скорее всего, будет обозначаться строчной буквой «е» (или строчной буквой «v»), чтобы отметить это значение как имеющееся в один момент времени. Это же соглашение о нижнем регистре справедливо и для тока: строчная буква «i» представляет ток в некоторый момент времени. Однако большинство измерений в цепях постоянного тока, которые стабильны во времени, будут обозначаться заглавными буквами.

Кулон и электрический заряд

Одна из основных единиц электрических измерений, которую часто преподают в начале курсов электроники, но нечасто используют впоследствии, – это кулон – единица измерения электрического заряда, пропорциональная количеству электронов в несбалансированном состоянии. Один кулон заряда соответствует 6 250 000 000 000 000 000 электронов. Символом количества электрического заряда является заглавная буква «Q», а единица измерения кулонов обозначается «Кл». Единица измерения тока, ампер, равна 1 кулону заряда, проходящему через заданную точку в цепи за 1 секунду. В этом смысле, ток – это скорость движения электрического заряда через проводник.

Как указывалось ранее, напряжение – это мера потенциальной энергии на единицу заряда, доступная для стимулирования протекания тока из одной точки в другую. Прежде чем мы сможем точно определить, что такое «вольт», мы должны понять, как измерить эту величину, которую мы называем «потенциальной энергией». Общей метрической единицей измерения энергии любого вида является джоуль, равный количеству работы, совершаемой силой в 1 ньютон при движении на 1 метр (в том же направлении). В этих научных терминах 1 вольт равен 1 джоулю электрической потенциальной энергии на (деленному на) 1 кулон заряда. Таким образом, 9-вольтовая батарея выделяет 9 джоулей энергии на каждый кулон заряда, проходящего через цепь.

Эти единицы и символы электрических величин станут очень важны, когда мы начнем исследовать отношения между ними в цепях.

Формула закона Ома

Основное открытие Ома заключалось в том, что величина электрического тока, протекающего через металлический проводник в цепи, при любой заданной температуре прямо пропорциональна напряжению, приложенному к нему. Ом выразил свое открытие в виде простого уравнения, описывающего взаимосвязь напряжения, тока и сопротивления:

В этом алгебраическом выражении напряжение (E) равно току (I), умноженному на сопротивление (R). Используя алгебру, мы можем преобразовать это уравнение в других два варианта, решая его для I и R соответственно:

Анализ простых схем с помощью закона Ома

Давайте посмотрим, как эти формулы работают, чтобы помочь нам анализировать простые схемы:

Рисунок 1 – Пример простой схемы

В приведенной выше схеме есть только один источник напряжения (батарея слева) и только один источник сопротивления току (лампа справа). Это позволяет очень легко применить закон Ома. Если мы знаем значения любых двух из трех величин (напряжения, тока и сопротивления) в этой цепи, мы можем использовать закон Ома для определения третьей.

В этом первом примере мы вычислим величину тока (I) в цепи, учитывая значения напряжения (E) и сопротивления (R):

Рисунок 2 – Пример 1. Известны напряжение источника и сопротивление лампы

Какая величина тока (I) в этой цепи?

Во втором примере мы вычислим величину сопротивления (R) в цепи, учитывая значения напряжения (E) и тока (I):

Рисунок 3 – Пример 2. Известны напряжение источника и ток в цепи

Какое сопротивление (R) оказывает лампа?

В последнем примере мы рассчитаем величину напряжения, подаваемого батареей, с учетом значений тока (I) и сопротивления (R):

Рисунок 4 – Пример 3. Известны ток в цепи и сопротивление лампы

Какое напряжение обеспечивает батарея?

\[E = IR = (2 \ А)(7 \ Ом) = 14 \ В\]

Метода треугольника закона Ома

Закон Ома – очень простой и полезный инструмент для анализа электрических цепей. Он так часто используется при изучении электричества и электроники, что студент должен запомнить его. Если вы не очень хорошо умеете работать с формулами, то для его запоминания существует простой прием, помогающий использовать его для любой величины, зная две других. Сначала расположите буквы E, I и R в виде треугольника следующим образом:

Рисунок 5 – Треугольник закона Ома

Если вы знаете E и I и хотите определить R, просто удалите R с картинки и посмотрите, что осталось:

Рисунок 6 – Закон Ома для определения R

Если вы знаете E и R и хотите определить I, удалите I и посмотрите, что осталось:

Рисунок 7 – Закон Ома для определения I

Наконец, если вы знаете I и R и хотите определить E, удалите E и посмотрите, что осталось:

Рисунок 8 – Закон Ома для определения E

В конце концов, вам придется научиться работать с формулами, чтобы серьезно изучать электричество и электронику, но этот совет может облегчить запоминание ваших первых вычислений. Если вам удобно работать с формулами, всё, что вам нужно сделать, это зафиксировать в памяти E = IR и вывести из нее две другие формулы, когда они вам понадобятся!

Закон Ома для «чайников»: понятие, формула, объяснение

Говорят: «не знаешь закон Ома – сиди дома». Так давайте же узнаем (вспомним), что это за закон, и смело пойдем гулять.

Основные понятия закона Ома

Как понять закон Ома? Нужно просто разобраться в том, что есть что в его определении. И начать следует с определения силы тока, напряжения и сопротивления.

Сила тока I

Пусть в каком-то проводнике течет ток. То есть, происходит направленное движение заряженных частиц – допустим, это электроны. Каждый электрон обладает элементарным электрическим зарядом (e= -1,60217662 × 10 -19 Кулона). В таком случае через некоторую поверхность за определенный промежуток времени пройдет конкретный электрический заряд, равный сумме всех зарядов протекших электронов.

Отношение заряда к времени и называется силой тока. Чем больший заряд проходит через проводник за определенное время, тем больше сила тока. Сила тока измеряется в Амперах.

Напряжение U, или разность потенциалов

Это как раз та штука, которая заставляет электроны двигаться. Электрический потенциал характеризует способность поля совершать работу по переносу заряда из одной точки в другую. Так, между двумя точками проводника существует разность потенциалов, и электрическое поле совершает работу по переносу заряда.

Физическая величина, равная работе эффективного электрического поля при переносе электрического заряда, и называется напряжением. Измеряется в Вольтах. Один Вольт – это напряжение, которое при перемещении заряда в 1 Кл совершает работу, равную 1 Джоуль.

Сопротивление R

Ток, как известно, течет в проводнике. Пусть это будет какой-нибудь провод. Двигаясь по проводу под действием поля, электроны сталкиваются с атомами провода, проводник греется, атомы в кристаллической решетке начинают колебаться, создавая электронам еще больше проблем для передвижения. Именно это явление и называется сопротивлением. Оно зависит от температуры, материала, сечения проводника и измеряется в Омах.

Памятник Георгу Симону Ому

Формулировка и объяснение закона Ома

Закон немецкого учителя Георга Ома очень прост. Он гласит:

Сила тока на участке цепи прямо пропорционально напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Георг Ом вывел этот закон экспериментально (эмпирически) в 1826 году. Естественно, чем больше сопротивление участка цепи, тем меньше будет сила тока. Соответственно, чем больше напряжение, тем и ток будет больше.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Данная формулировка закона Ома – самая простая и подходит для участка цепи. Говоря "участок цепи" мы подразумеваем, что это однородный участок, на котором нет источников тока с ЭДС. Говоря проще, этот участок содержит какое-то сопротивление, но на нем нет батарейки, обеспечивающей сам ток.

Если рассматривать закон Ома для полной цепи, формулировка его будет немного иной.

Пусть у нас есть цепь, в ней есть источник тока, создающий напряжение, и какое-то сопротивление.

Закон запишется в следующем виде:

Объяснение закона Ома для полой цепи принципиально не отличается от объяснения для участка цепи. Как видим, сопротивление складывается из собственно сопротивления и внутреннего сопротивления источника тока, а вместо напряжения в формуле фигурирует электродвижущая сила источника.

Кстати, о том, что такое что такое ЭДС, читайте в нашей отдельной статье.

Как понять закон Ома?

Чтобы интуитивно понять закон Ома, обратимся к аналогии представления тока в виде жидкости. Именно так думал Георг Ом, когда проводил опыты, благодаря которым был открыт закон, названный его именем.

Представим, что ток – это не движение частиц-носителей заряда в проводнике, а движение потока воды в трубе. Сначала воду насосом поднимают на водокачку, а оттуда, под действием потенциальной энергии, она стремиться вниз и течет по трубе. Причем, чем выше насос закачает воду, тем быстрее она потечет в трубе.

Отсюда следует вывод, что скорость потока воды (сила тока в проводе) будет тем больше, чем больше потенциальная энергия воды (разность потенциалов)

Сила тока прямо пропорциональна напряжению.

Теперь обратимся к сопротивлению. Гидравлическое сопротивление – это сопротивление трубы, обусловленное ее диаметром и шероховатостью стенок. Логично предположить, что чем больше диаметр, тем меньше сопротивление трубы, и тем большее количество воды (больший ток) протечет через ее сечение.

Сила тока обратно пропорциональна сопротивлению.

Такую аналогию можно проводить лишь для принципиального понимания закона Ома, так как его первозданный вид – на самом деле довольно грубое приближение, которое, тем не менее, находит отличное применение на практике.

В действительности, сопротивление вещества обусловлено колебанием атомов кристаллической решетки, а ток – движением свободных носителей заряда. В металлах свободными носителями являются электроны, сорвавшиеся с атомных орбит.

Ток в проводнике

В данной статье мы постарались дать простое объяснение закона Ома. Знание этих на первый взгляд простых вещей может сослужить Вам неплохую службу на экзамене. Конечно, мы привели его простейшую формулировку закона Ома и не будем сейчас лезть в дебри высшей физики, разбираясь с активным и реактивным сопротивлениями и прочими тонкостями.

Если у Вас возникнет такая необходимость, Вам с удовольствием помогут сотрудники нашего студенческого сервиса. А напоследок предлагаем Вам посмотреть интересное видео про закон Ома. Это действительно познавательно!

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Зависимость напряжения на концах металлического проводника от силы тока

Для металлических проводников напряжение на концах проводника прямо пропорционально силе тока в проводнике. Значит, отношение не зависит ни от напряжения, ни от силы тока и является поэтому характеристикой самого проводника. Это отношение называют сопротивлением проводника.Каждый проводник имеет определенное сопротивление: например, из приведенных графиков следует, что сопротивления данных проводников различны:

Смотрите также похожие статьи.

Электродинамика

Читайте также: