Как мы уже говорили, чтобы создать электрический ток в проводнике, необходимо существование электрического поля. Иными словами, на концах этого проводника должны быть разные потенциалы, то есть проводник должен находиться под напряжением. Как вы понимаете, чем больше будет разность потенциалов, тем больше будет напряженность электрического поля. Следовательно, поле будет действовать на заряды сильнее, и они будут двигаться по проводнику быстрее. Это приведет к увеличению силы тока. Таким образом, мы можем заключить, что для каждого проводника существует определенная взаимосвязь между напряжением и силой тока. Зависимость силы тока от напряжения в данном проводнике называют вольт-амперной характеристикой проводника.
Подавая различное напряжение на концы проводника можно измерять силу тока и, таким образом, вывести зависимость между силой тока и напряжением. Наиболее простую форму имеет вольт-амперная характеристика металлов и растворов электролитов. Итак, эту вольт-амперную характеристику установил Георг Ом, проведя многочисленные опыты. Он доказал, что сила тока в проводнике прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника.
Как вы знаете из курса физики восьмого класса, закон Ома для участка цепи звучит так: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна приложенному к нему напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению данного участка:
Единица измерения сопротивления названа в честь Георга Ома:
Как видно из формулы, проводник обладает сопротивлением 1 Ом, если при напряжении 1 В, в этом проводнике возникает сила тока в 1 А.
Если мы изобразим эту зависимость графически, то графики будут представлять собой прямые линии. Это говорит нам о линейной зависимости силы тока от напряжения.
Угол наклона прямой, соответствующей каждому проводнику будет обусловлен сопротивлением проводника. Используя наш график, мы можем с уверенностью сказать, что проводник номер 3 обладает самым маленьким сопротивлением, а проводник номер 1 обладает самым большим сопротивлением:
То есть, при одинаковом напряжении во всех трех проводниках будет различная сила тока, в зависимости от сопротивления данного проводника.
Очевидно, что сопротивление — это основная электрическая характеристика проводника, которая и обуславливает индивидуальную вольт-амперную характеристику. Разумеется, пользуясь законом Ома, можно определить сопротивление того или иного проводника экспериментально. Рассмотрим участок цепи между точками 1 и 2, обладающими различными потенциалами.
Подключим вольтметр для измерения разности потенциалов и подключим амперметр для измерения силы тока в проводнике. Тогда сопротивление проводника будет равно отношению напряжения между точками 1 и 2 к силе тока:
В восьмом классе мы уже говорили, чем обусловлено сопротивление проводников. Дело в том, что свободные электроны, перемещаясь по проводнику, неизбежно взаимодействуют с кристаллической решеткой, соударяясь с ее узлами, с ионами или различными примесями. Все это приводит к замедлению движения электронов, то есть, к уменьшению силы тока. Исходя из этого, можно сделать вывод, что чем длиннее проводник, тем больше его сопротивление.
Чем толще проводник, тем меньше его сопротивление.
И, конечно же, сопротивление проводника зависит от самого вещества, из которого сделан проводник.
Также, сопротивление зависит от внешних условий (в первую очередь от температуры), но к этому вопросу мы вернемся чуть позже — при изучении полупроводников. Таким образом, сопротивление проводника рассчитывается по формуле:
Напомним, какие величины входят в эту формулу. l — это длина проводника, S — это площадь поперечного сечения проводника, а ρ0 — это удельное сопротивление проводника.
Удельным сопротивлением проводника называется сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2.
Если мы выразим удельное сопротивление из формулы, по которой рассчитывается сопротивление проводника, то убедимся, что удельное сопротивление измеряется в омах умноженных на метр:
Конечно, удельные сопротивления многих материалов уже давно измерены экспериментально и сведены в таблицы.
Как вы видите, в таблице все вещества разделены на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Нетрудно догадаться, что проводники обладают очень маленьким удельным сопротивлением (поэтому они и хорошо проводят ток). Диэлектрики, напротив, обладают огромным удельным сопротивлением (поэтому их используют для изоляции). Полупроводники занимают промежуточную стадию, но их удельные сопротивления интереснее рассматривать в таблицах, показывающих зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры. Если вы обратили внимание, то в таблице указано, что данные значения удельных сопротивлений тех или иных веществ наблюдаются при определенной температуре. Поэтому, следует понимать, что при других температурах, эти значения могут быть иными.
Закон Ома для участка цепи имеет огромное значение для расчета электрических цепей, поэтому, было бы хорошо, если бы вы запомнили формулу, описывающую закон Ома.
Пример решения задачи.
Задача. В лампе накаливания используется вольфрамовая нить, радиус которой равен 0,01 мм. Длина этой нити составляет 20 см. Если лампочка рассчитана на 80 мА, то, каково напряжение на ней?
