Закон Ома

Георг Симон Ом (16 марта 1789 - 6 июля 1854 гг.)

Почему пассажирам самолета, летящего через грозу, ничего не грозит? Как громоотводы спасают дома? Отчего лампочка, горящая в вашей квартире, не тускнеет, когда вы включаете другую? Ответы на эти вопросы дает закон Ома.

Электричество возникает вследствие движения электрических зарядов. Наличие электрического заряда — фундаментальное свойство элементарных частиц, определяющее их взаимодействие с электромагнитными полями. Эти поля создают силы, которые приводят заряженные частицы в движение. Как и энергия, общий заряд сохраняется, его нельзя уничтожить или создать, но можно перемещать из одного места в другое. Заряд может быть положительным либо отрицательным. Частицы с противоположными зарядами притягивают друг друга, частицы с одинаковыми отталкивают. Электроны имеют отрицательный заряд (измеренный в 1909-м Робертом Милликеном), протоны — положительный. Однако не все элементарные частицы заряжены. Нейтрон, как следует из его названия, заряда не имеет и потому «нейтрален». Статическое электричество Электричество может быть статическим, то есть фиксированным распределением зарядов, однако заряды могут и двигаться, создавая электрический ток.

Статическое электричество тоже возникает вследствие движения, при котором противоположные заряды скапливаются в различных местах. Например, если вы потрете пластмассовой расческой о рукав, она зарядится и сможет притягивать к себе маленькие тела, обладающие противоположными зарядами — такие, как клочки бумаги. Подобным же образом возникают молнии — трение молекул при вихревом движении в грозовых тучах приводит к накоплению в них электричества, а резкий разряд создает молнию. Последняя может достигать в длину нескольких миль, а температура ее — десятков тысяч градусов по Цельсию.

В движении

Электрический ток в наших домах — это поток зарядов. Металлическая проволока проводит электричество потому, что в металле электроны не связаны с атомными ядрами и их можно легко привести в движение. Металлы называют «проводниками» электричества. Электроны движутся по металлическому проводу, как вода по трубе. В других материалах двигаться могут положительные заряды. Когда в воде растворяют химическое вещество, его электроны и положительно заряженные ядра атомов (ионы) отделяются друг от друга. Проводящие материалы, такие как металл, позволяют зарядам легко перемещаться в них. Материалы, не пропускающие электричество, — керамика или пластики — называются «изоляторами». Материалы, проводящие электричество лишь при определенных условиях, именуются «полупроводниками».

Подобно гравитации, электрический ток может создаваться градиентом — в данном случае электрическим полем или электрическим потенциалом. Точно так же, как простое изменение высоты (гравитационного потенциала) заставляет реку течь вниз, изменение электрического потенциала на двух концах проводящего материала заставляет поток зарядов течь через него. Такая «разница потенциалов», или напряжение, направляет электрический ток и, кроме того, снабжает заряды энергией.

Сопротивление

Когда ударяет молния, поток электрических зарядов устремляется к земле через ионизированный воздух. При этом он аннулирует направляющую его разницу потенциалов, отчего удар молнии выглядит как прохождение тока огромной величины. Именно этот ток, а не напряжение убьет вас, если пройдет через ваше тело. На практике через большинство материалов заряды с такой огромной скоростью продвигаться не могут, потому что сталкиваются с сопротивлением.

Сопротивление ограничивает величину тока, поскольку рассеивает электрическую энергию, преобразуя ее в тепловую. Чтобы вас не убила молния, вы можете встать на изолятор, — к примеру, на резиновый коврик, обладающий очень большим сопротивлением. Можно также укрыться в металлической клетке, поскольку пройти через ее прутья молнии легче, чем через ваше тело, состоящее преимущественно из воды. Такую конструкцию называют «клеткой Фарадея» — по имени Майкла Фарадея, построившего первую из них в 1836 году.



Клетка Фарадея

Рисунок электрического поля, создаваемый клеткой Фарадея — полым проводником, означает, что заряды переносятся снаружи клетки, а внутри она полностью нейтральна. Для ученых XIX века, проводивших демонстрации искусственно созданных молний, клетки Фарадея были весьма полезны. Они и сейчас позволяют оберегать электронное оборудование и объясняют, почему вам ничто не грозит в металлическом самолете, летящем через грозу, — даже если в него попадает молния. Такую же безопасность обеспечивает металлический автомобиль, — если, конечно, вы не поставите его рядом с деревом.

Молния



В 1752 году, в Филадельфии, Бенжамин Франклин успешно «извлек» электричество из грозовой тучи с помощью воздушного змея.

В среднем каждую секунду по поверхности Земли бьет сотня молний — или 8,6 миллиона молний в день. В одних только США земля получает за год 20 миллионов ударов молнии от 100 000 гроз.

Подобным же образом работает громоотвод Бенжамина Франклина, обеспечивающий для тока молнии путь, который обладает низким сопротивлением, — молния скорее ударит в громоотвод, чем в здание с высоким сопротивлением. Наилучший результат дают заостренные металлические стержни, потому что на кончиках их имеет место высокая концентрация электрического поля, а это повышает вероятность того, что электричество изберет, направляясь к земле, именно этот путь. Концентрацию электрического поля создают и высокие деревья, поэтому прятаться под ними в грозу — идея не из лучших.

Цепи

Потоки электричества следуют по замкнутым контурам, «электрическим цепям». Движение тока и энергии по цепям можно сравнить с движением воды по череде труб. Сила тока подобна скорости потока воды, напряжение — ее давлению, а сопротивление — ширине трубы или пропускного отверстия вставленной в нее заслонки. Георг Ом опубликовал в 1826-м один из самых полезных для интерпретации электрических цепей законов. В алгебраической форме он выглядит так: V = IR, то есть падение напряжения (V) равно произведению силы тока (I) на сопротивление (R). Согласно закону Ома, напряжение пропорционально силе тока и сопротивлению. Удвойте напряжение в цепи — и вы удвоите протекающий через нее ток, но при условии, что сопротивление останется неизменным; чтобы сохранить прежний ток, нужно удвоить и сопротивление.

Сила тока и сопротивление обратно пропорциональны. Закон Ома применим даже к очень сложным цепям со множеством контуров. Простейшую цепь можно представить себе как одну электрическую лампочку, подсоединенную проводом к батарее. Батарея обеспечивает разность потенциалов, необходимую для движения тока по проводу, а вольфрамовая спираль лампочки обеспечивает сопротивление, преобразующее электрическую энергию в свет и тепло. А если вы введете в цепь вторую лампочку? Согласно закону Ома, если лампочки идут в цепи одна за другой, сопротивление удваивается, напряжение на каждой из них будет падать, следовательно, энергию, доступную каждой, нужно будет разделить на два. Если вы создаете таким образом систему освещения квартиры, пользы это вам не принесет: при всяком включении второй лампочки обе будут гореть тускло.

Но если подсоединить вторую лампочку поперек замкнутой цепи, включающей в себя и первую, на каждой из них будет происходить полное падение напряжения. В месте подсоединения ток будет расходиться по двум путям и проходить через лампочки по отдельности — вторая лампочка будет гореть так же ярко, как первая. Такая цепь называется «параллельной». А первая, в которой сопротивления следуют одно за другим, «последовательной». Закон Ома позволяет рассчитывать напряжения и токи в любой точке любой цепи.

Отрывок из книги Джоанны Бейкер "Физика: 50 идей, о которых нужно знать"