Закон Ома

Закон Ома — самый полезный из физических законов. Инженер-электрик, а пуще того — инженер-электронщик, без закона Ома, что портной без ножниц или швейной машинки. Даже обычный чел, напрочь забывший всю школьную физику, про закон Ома помнит и иногда, а то и часто, пользует.

Вот только понимает ли, что он пользует?

Что есть закон Ома?

Первый вопрос: это закон или дефиниция? Дефиниция это когда сопротивлением называют отношение напряжения к току. А закон — это когда независимо существовавшие величины опутывают какой-то зависимостью. Так вот — закон Ома — это Закон!

То есть его история отсчитывается от публикации Г.Ома 1826 года. А понятие сопротивления и формулы типа R=ρl/S учитель Фарадея Дэви употреблял еще в 1806 году, то есть за 20 лет до этого. Дело в том, что для того, чтобы определить сопротивление, вовсе не обязательно измерять напряжение и делить его на ток. Если есть эталон сопротивления и есть проводник, сопротивление которого надо измерить, то достаточно их соединить в параллель и сравнить токи. Во сколько раз меньше ток через измеряемый проводник по сравнению с током в эталонном, во столько раз его сопротивление выше эталонного. А ток измерять умели до Ома, потому что Ампер старше Ома. А Вольта старше Ампера, так что напряжение тоже умели измерять до закона Ома.

Второй вопрос: закон Ома — точный или приблизительный? И еще — это опытное наблюдение или это теоретическая зависимость? Если отношение напряжения к току с ростом напряжения меняется — это уже не закон Ома или всё еще закон Ома? Ответ: это всё еще закон Ома, просто на нелинейном проводнике. Более того, вот закон Кулона считается точным-преточным. Но в статике. А чуть динамика и он уже не точный. А закон Ома он поточнее будет, чем закон Кулона, но это длинно объяснять надо, так что в другой раз.

А вот третий вопрос он позаковыристей: почему U= IR — великий и всем известный закон Ома, а U = Q/C, где Q-заряд, а C — емкость, — безымянное соотношение?

Ну ничем емкость не хуже сопротивления. Возьмите проводник самой сложной или наоборот самой простой формы и напишите формулу для его емкости. Достаточно эту формулу перевернуть из числителя в знаменатель и заменить диэлектрическую проницаемость на электропроводность и получится точно такая же формула для сопротивления. То есть вроде как сопротивление — эта иная ипостась ёмкости или наоборот.

Так почему U = Q/C остается безымянным? По крайней мере 3 человека имело бы полное право, чтобы закон был назван в их честь — Кавендиш, Вольта и Фарадей. Возможно дело в том, что Кавендиш славы не искал, иначе мы бы заряд в Кавендишах измеряли, а не в Кулонах. А в честь Вольты и Фарадея и без того много чего назвали. А у Ома кроме его закона больше ничего не было. Его и пожалели.

Но вот самый важный вопрос про закон Ома касается напряжения или разности потенциалов. То, что в конденсаторе разность потенциалов — это понятно. Чем сильнее конденсатор заряжен, тем сильнее его пластины друг к другу притягиваются, тем больше в конденсаторе напряжение. В самом прямом физическом смысле. И еще, всякий заряженный конденсатор потенциально готов разрядиться и совершить какую-нибудь работу — оплачиваемую или не оплачиваемую.

А откуда потенциалы внутри провода?

Когда в электростатике вводят потенциал, то считают, что по какому бы проводнику и с какой бы скоростью заряд из точки А в точку Б не перенесли — совершённая работа одинакова.

А в проводниках это вовсе не так. Соедините параллельно 2 проводника — 1 Ом и 2 Ома. И перенесите заряд 1 Кулон за 1 секунду по одному проводнику и по другому. По проводнику 1 Ом при перенесении заряда 1 Кулон за 1 секунду протекает ток 1 А. Этот ток вызывает напряжение 1 В. Мощность в цепи 1 Вт, а работа 1 Джоуль. А по второму проводнику если перенести 1 Кулон за 1 секунду, то ток тоже 1 А, но напряжение уже 2 Вольта, мощность 2 Ватта и работа 2 Джоуля. То есть не всё равно по какому из путей мы переносим один и тот же заряд.

И главное как быстро мы его переносим. Можем медленно-медленно этот заряд переносить и тогда работа маленькая, а можем быстро-быстро то же количество заряда перенести и тогда работа большая.

Или, скажем, вот мы несли по 1 Ому 1 Кулон за секунду, а потом решили пронести за это же время 2 Кулона (по 1 Кулону в каждой руке). Ток получается 2 А, напряжение 2 Вольта, мощность 4 Ватта и работа 4 Джоуля. То есть кулонов перенесли вдвое больше, а работу проделали в четыре раза больше. Не было ничего такого в электростатике. И когда про потенциалы и работу в поле тяжести нас учили, то тоже такого не было. С механической работой всё аддитивно — перенёс два ведра с первого этажа на второй вместо одного ведра — сделал вдвое больше работы. А как нёс — два раза в одной руке или один раз в двух руках — без разницы.

То есть что-то не то с потенциалами в законе Ома.

С какого рожна эти потенциалы такие же как в конденсаторе?

Тут, конечно, возразить могут. Вот давайте параллельно любому проводнику прицепим конденсатор неважно какой емкости. На нем как раз такое напряжение и получится. Значит оно там было. Нет, не значит!. Вот давайте последовательно с проводником включим светодиод. Больше тока — больше света. Меняем ток в тысячи или даже миллионы раз — во сколько раз уменьшили ток, ровно во столько же раз уменьшили свет. Значит ли это, что ток это свет?

А вообще, что такое электрический ток?

Ток: мошкара, ветер или вода?

Электрический ток — это направленное движение заряженных частиц — нас этому учили.

А заряженные частицы гонит электрическое поле как мошкару гонит ветер. Но поскольку электроны маленькие и ленивые, то гнать их тяжело и гонятся они тихонько — со скоростью миллиметры в секунду. А вот ветер — он быстрый. Не успели на выключатель нажать, как лампочка сразу зажглась. Даже в другом конце комнаты. Так почему мы говорим, что ток это движение частиц? Разве мошкара — это ветер? Может нам про ветер говорить?

И ещё. Откуда сопротивление в проводе берется? Провод набит атомами, как труба камнями. Электроны на эти атомы натыкаются и тормозят. Поэтому сопротивление. Так может без атомов лучше?

Это мы чуть позже обсудим, а пока про воду. Ток течет по проводу, как вода по трубе. Типа того, что вот батарейка как насос накачивает бак, а потом вода по трубе из бака стекает. Только если все трубы водой заполнены, то никакого самотека нет — воде что по той трубе, которая заливает, что по той трубе, которая сливает — одинаково течь. Получается скорее шкив на валу мотора, чем водокачка. А шкив — это уже не закон всемирного тяготения (то есть аналог закона Кулона с потенциалами), а закон Гука. То есть прокручивает батарейка всю эту электрическую цепь как одно целое. И получается, что ток вдоль цепи — он твердый и почти не сжимаемый. Но вернемся к мошкаре и ветру.

По чему течет ток?

Был такой замечательный ученый Арнольд Зоммерфельд, который по своим заслугам был достоин Нобелевской премии. Но не получил. Потому что был немцем. А немцев тогда не любили. Но это присказка. Написал этот Зоммерфельд учебник по электродинамике. Очень хороший учебник. Все последующие учебники — это ремейки, а ремейки всегда хуже оригиналов. А уж нынешние ремейки ремейков вовсе дурацкие. И в этом своем оригинале Зоммерфельд написал, что энергия электрического тока летит отдельно от электрического тока вдоль провода снаружи от него, а по мере того как летит, проникает внутрь провода через боковую поверхность вдоль радиуса. Называется это — поток вектора Пойнтинга. Это потом все профессиональные учебники переписали. И этому учат. Кто-то не верит, но вопрос веры — это не вопрос физики, хотя возражения по этому поводу возможны.

Кстати, в последнее время есть много любителей Теслы и его русского продолжателя Авраменко. Они тоже считают, что энергия вполне может бежать вне провода, а провод может быть тонюсенький и не обязательно целый.

Но в традиционной практике привыкли, что всё-таки ток течет по целому проводу как вода по целой трубе. Толще труба — легче течь. Нужен для сварочного аппарата большой ток — нужны толстые провода. По закону Ома. А не по Зоммерфельду.

А что сам Ом говорил?

А сам Ом про потенциалы не говорил. Он вообще парень простой был, кирзовый. Он даже про электрических рыб ничего не знал, а все история электрической теории — это история изучения электрических рыб. Но про это в другой раз. Ом просто решил сделать чисто лабораторную работу и её опубликовать. Для диссера и для карьеры. У него папа-слесарь очень хотел, чтобы сын стал профессором. Ом сначала одну зависимость получил, логарифмическую. Потом ему хорошие люди помогли правильную методику наладить и он уже линейную зависимость получил. Это и назвали законом Ома. Только в нем никаких потенциалов не было. У Ома статья называлась «Определение закона, по которому металлы проводят контактное электричество». Контактное электричество — это согласно Вольте — напряжение на контакте двух разных металлов. Если мы возьмем реальную цепь, содержащую батарейку со свинцовыми клеммами, медный провод, реостат, намотанный нихромовой проволокой, лампочку с вольфрамовой спиралью и т. п., то там этого контактного электричества много. Но по закону Ома мы его никогда не считаем и вообще не учитываем. И правильно делаем, поскольку оно ни на что не влияет.

Кто-то другой потом подсунул разность потенциалов и вложил в закон Ома совсем другой, куда более мощный, смысл. А имя Ома оставил. Скорее всего, это был Кирхгоф. У Кирхгофа опять же заслуг было столько, что ему законом Ома больше, законом Ома меньше — без разницы.

А у Ома только один закон и был. Но зато очень полезный. И не понятный.

В общем, слава Богу, который сотворил электричество!