2.1.2. Закон ома для ділянки кола. Опір

Досліди показують, що при сталій температурі відношення напруги на кінцях провідника до сили струму залишається незмінним, тобто , або:

, (2.7)

де R - опір провідника. До такого висновку прийшов Г.Ом. Сила струму в провіднику прямо пропорційна різниці потенціалів (напрузі) на кінцях провідника й обернено пропорційна опору цього провідника. Величина, обернена опорові, називається електричною провідністю:

. (2.8)

Опір провідника в СІ вимірюють омами.

.

Рис. 2.1. Вольт-амперні характеристики (ВАХ) двох провідників

Закон Ома виражає однозначно лінійну залежність величини струму від напруги. Графік функції І = ƒ(U) називається вольт-амперною характеристикою даного провідника. Для провідників першого роду й електролітів вольт-амперна характеристика - пряма лінія, яка проходить через початок координат; тангенс кута нахилу її до осі абсцис чисельно дорівнює електропровідності провідника. На рис. 2.1. зображено вольт-амперні характеристики двох провідників різних опорів (R₁ < R₂).

Усяке тіло чинить опір електричному струму. Суть опору зводиться до витрат енергії джерел на роботу проти сил взаємодій рухомих заряджених частинок з навколишнім середовищем, зокрема в твердих тілах - проти сил взаємодії рухомих електронів з іонами кристалічної решітки, у рідинах і газах - проти сил внутрішнього тертя, якого зазнають рухомі сольвати (угрупування з іонів і нейтральних молекул).

Звичайно за опором тіла поділяються на три класи: провідники, непровідники (ізолятори) і напівпровідники. Цей поділ умовний, бо в природі не існує абсолютних провідників і абсолютних ізоляторів. Далі під провідником розумітимемо металеве тіло.

Опір провідника залежить від таких факторів: роду матеріалу, розмірів, домішок, деформацій, температури.

При заданій температурі опір однорідного провідника з незмінним перерізом S дорівнює:

, (2.9)

де l - довжина провідника; ρ - коефіцієнт пропорційності, що залежить від роду матеріалу провідника; інакше його називають питомим опором матеріалу. Величину, обернену до питомого опору , називають питомою провідністю матеріалу.

Відповідно до формули (2.9) одиницею питомого опору в СІ є ; у техніці питомий опір вимірюють одиницею .

Найменший питомий oпip мають срібло, мідь, алюміній. В електротехніці провідники виготовляють з міді або алюмінію. За однакових опорів алюмінієвий провідник товстіший від мідного, але алюміній має меншу густину, він дешевший, тому в багатьох випадках його доцільніше використовувати.

2.1.3. Сторонні сили. Джерело електричного струму

Рис. 2.2. Пояснення дії сторонніх сил

Нехай маємо провідник АВ, на кінцях якого утворена різниця потенціалів (φ₁ > φ₂), а отже, у провіднику існує електричне поле Е (поле кулонівських сил). Такий стан провідника нестійкий, і в ньому виникне короткочасний електричний струм І від А до В. Щоб утворити в провіднику постійний струм, очевидно, потрібно якось забезпечити колоподібний рух носіїв струму, тобто дальше переміщення їх по додатковому каналу від В до А (рис. 2.2.). Але якщо на ділянці АВ переміщення заряджених частинок здійснюється під дією сил електричного поля, то на ділянці ВА їх потрібно вже переміщувати проти сил електричного поля. Переміщення носіїв струму на цій ділянці можливе тільки під дією сторонніх сил, неелектричного походження:

, (2.10)

де - напруженість поля дії сторонніх сил.

Отже, в полі електричного струму обов'язково повинно бути джерело сторонніх сил; воно повинно забезпечувати колоподібний рух носіїв струму, подібно до того як насос забезпечує циркуляцію рідини в будь-якій замкнутій системі.

Легко побачити, що сторонні сили повинні виконувати роботу проти сил електричного поля, тому вони повинні бути пов'язані з відповідними сторонніми джерелами енергії. Сторонні сили виникають усередині джерела в процесах перетворення енергії інших видів в електричну: наприклад, механічної - на гідроелектростанціях, внутрішньої - на теплових електростанціях, хімічної - в гальванічних елементах і т.д.

Сторонні джерела енергії, пов'язані з процесами перетворення інших видів енергії в електричну, називаються джерелами електричного струму.

Джерела електричного струму характеризуються електрорушійною силою (скорочено її записують ЕРС):

. (2.11)

. Назва її не зовсім вдала, бо фактично йдеться не про силу, а енергетичну характеристику джерела.

Електрорушійна сила - характеристика джерела струму, вона чисельно дорівнює роботі, яку виконують сторонні сили по переміщенню носіїв струму, з сумарним зарядом, що дорівнює одиниці, по замкнутому електричному колу. Згідно з (2.11) ЕРС вимірюють у вольтах.