Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Эксперименты Г. Ома по изучению тока,
текущего через замкнутую цепь. Закон Ома.

Дата: 1827.

Методы: количественный анализ, на основе некоторых общих предположений (например, сопротивление проводника пропорционально его длине).

Прямота эксперимента: использованы результаты опытов Эрстеда.

Искусственность изучаемых условий: естественные условия, приведенные к простым (линейный проводник, постоянный ток).

Исследуемые фундаментальные принципы: закон Ома, дрейфовый характер тока в металлах.

Имя немецкого физика Георга Ома (1787–1854) носит основной закон, описывающий проводимость металлов. Необходимо отметить, что ток, текущий в полупроводниках, сверхпроводниках, электролитах, в вакуумном диоде, не удовлетворяет закону Ома, тем не менее, последний обладает большой общностью, особенно в его дифференциальной форме.

Современный вид закона Ома:

где  — ЭДС источника питания,  — его внутреннее сопротивление,  — сопротивление нагрузки, а  — текущий через нее ток. В дифференциальном виде этот закон выражает плотность тока  в проводнике через напряженность электрического поля  в нем:

,

где  — проводимость вещества.

К выражению для своего закона Георг Ом пришел на основании эксперимента, в котором для измерения тока, текущего по проводнику, использовалось открытое Эрстедом и исследованное Ампером магнитное действие тока. Текущий в линейном проводнике ток приводил к повороту крутильных весов, состоявших из магнитной стрелки, подвешенной на упругой нити. Изначально в качестве источника ЭДС Ом использовал вольтов столб из гальванических элементов, однако в силу большого внутреннего сопротивления такого источника экспериментально подтвердить окончательный вид зависимости силы тока от сопротивления нагрузки с его использованием было практически невозможным. Тем не менее, Ом установил правильный вид зависимости, пока что наполовину гипотетически.

Более точные опыты Ом провел, когда было открыто явление термоэлектричества. Теперь в качестве источника ЭДС использовалась дифференциальная термопара (см. схему справа), которая представляет из себя два спая проводников из разных металлов A и B, содержащиеся при разных температурах . Такой источник питания обладает малым внутренним сопротивлением, и, кроме того, изменяя разность температур на спаях, можно варьировать его ЭДС. Варьируя длину и материал проводника-нагрузки и ЭДС источника (через изменение температур спаев), Ом пришел к следующей форме своего закона:

где  — угол закручивания нити,  — длина проводника, а константы  постоянны для данного материала проводника и разности температур спаев. Первую из этих констант Ом называл «электроскопической силой» (впоследствии ЭДС) и установил, что она зависит от разности температур, вторую же он связал с сопротивлением всей цепи, не считая нагрузки. Обобщение полученной экспериментальной формулы и привело к закону Ома, записанному в начале статьи. Также существует так называемый закон Ома для участка цепи, который обычно изучают в школьном курсе физики:

где  — напряжение (разность потенциалов) на участке цепи,  — его активное сопротивление, а  — текущий через него ток. Сравнив этот закон с законом Ома для всей цепи, можно получить определение напряжения источника питания:

Как видим, реально выдаваемое источником в цепь нагрузки напряжение меньше ЭДС источника. Более того, например, у гальванических элементов (в частности, «сухих», не аккумуляторных батарей) в процессе их эксплуатации внутреннее сопротивление увеличивается (батарея, как говорят, «садится»), что приводит к уменьшению напряжения при тех же нагрузках.

Несмотря на кажущуюся очевидность закона Ома, он был принят научной общественностью совсем не сразу после открытия. Скептически настроенные ученые считали, что относительная простота закона обманчива и связана с условиями проводимого эксперимента при достаточно скудных средствах измерения электрических величин. Тем не менее, сегодня этот закон проверен в широких пределах изменения входящих в него величин.

По сути дела, закон Ома утверждает, что электродвижущая сила, разгоняющая заряды, полностью компенсируется своеобразным трением тока о кристаллическую решетку проводника, так что заряды дрейфуют по проводнику равномерно. Именно такой, дрейфовый характер тока следует из закона Ома. Скорость дрейфа носителей заряда для проводника площадью 1мм2, через который течет ток 10А, имеет порядок нескольких миллиметров в секунду.

<<К предыдущему эксперименту  |  Электродинамика  |  К следующему эксперименту>>