Warto przeczytać

Zastanówmy się, co nastąpi, gdy do końców przewodnikaprzewodnik elektrycznyprzewodnika przyłożymy stałe napięcie elektryczne? Z pewnością popłynie prąd, czyli ładunki zgromadzone wewnątrz niego zaczną się przemieszczać w kierunku określonym przez działające siły. Jak duże będzie jednak natężenie tego prądu, czyli ile ładunku przepłynie przez przekrój poprzeczny tego przewodnika w jednostce czasu? Dla każdego przewodnika odpowiedź będzie inna. Zależy ona od właściwości przewodnika. Wielkością fizyczną, która opisuje tę cechę przewodnika nazywa się oporem elektrycznymopór elektryczny (rezystancja)oporem elektrycznym lub rezystancjąopór elektryczny (rezystancja)rezystancją. Jeśli przy określonej wartości napięcia przez przewodnik płynie prąd o dużym natężeniu, przewodnik ma mały opór. Mała wartość natężenia prądu oznaczałaby, że przewodnik „stawia duży opór” prądowi elektrycznemu. Zależność tę można wyrazić następującym wzorem:

$\begin{array}{}\text{(1)}& I\sim \frac{1}{R}\end{array}$

gdzie R oznacza opór elementu, a I – natężenie przepływającego przezeń prądu przy określonej wartości napięcia elektrycznego.

RD3sbPsv24n9D

Rys. 1. Zdjęcie przedstawia mężczyznę w średnim wieku ze średniej długości włosami lekko pofalowanymi. Mężczyzna ubrany jest w ciemną marynarkę. Zdjęcie jest czarno‑białe.

Dotyczące tego zjawiska prawo fizyki odkrył w XIX wieku Georg Simon Ohm (Rys. 1.) stwierdzając doświadczalnie, że:

Dla każdego przewodnika, natężenie płynącego przezeń prądu jest proporcjonalne do napięcia przyłożonego do jego końców.

$\begin{array}{}\text{(2)}& I\sim U\end{array}$

Łącząc zależności (1) i (2) otrzymujemy następującą postać prawa Ohma:

$\begin{array}{}\text{(3)}& 𝐈=\frac{𝐔}{𝐑}\end{array}$

Wielkość R, to opór elektryczny charakteryzujący dany przewodnik, pełniący rolę współczynnika proporcjonalności we wzorze (3), przekształconym do postaci:

$\begin{array}{}\text{(4)}& U=RI\end{array}$

Natężenie prądu stałego I płynącego przez przewodnik jest proporcjonalne do napięcia U przyłożonego do jego końców. Wartość uzyskanego natężenia prądu (czyli wielkości strumienia elektronów) zależy nie tylko od podłączonego napięcia, ale także od właściwości przewodnika. Każdy przewodnik stawia pewien opór R i zmniejsza natężenie prądu ponieważ przemieszczające się elektrony zderzają się z atomami przewodnika. Jednostką oporu elektrycznego jest 1 om, którego symbolem jest 1 Ωomega:

Opornik ma opór 1 oma, jeżeli przyłożone napięcie 1 wolta wywołuje przepływ prądu o natężeniu 1 ampera.

Żeby właściwie zrozumieć prawo Ohma, trzeba zdać sobie sprawę na czym polega zjawisko prądu elektrycznego i czym jest natężenie prądu, a czym jest jego przyczyna czyli napięcie. Prawo Ohma mówi, że natężenie prądu jest proporcjonalnie do przyłożonego napięcia. Na co dzień używamy mnóstwo urządzeń elektrycznych, jak pralka, żarówka, odkurzacz itp.  Występowanie prądu elektrycznego polega na uporządkowanym ruchu elektronów w przewodnikach. Czyli, podczas przepływu prądu przez rezystor, praca prądu zamieniana jest na ciepło, a przy przepływie przez silnik elektryczny na pracę mechaniczną. A natężenie prądu, czym jest?  Natężenie to wielkość strumienia elektronów, czyli wielkość ładunku przepływającego przez przewodnik w jednostce czasu. Im większe natężenie prądu tym większa pracę i moc elektryczną możemy uzyskać. A napięcie?  Napięcie to różnica potencjałów powodująca przepływ prądu. Przykładem źródła napięcia jest bateria, która zamienia energię z reakcji chemicznej na energię elektryczną (Rys. 2.).

RytdV6TWiR9Ke

Rys. 2. Na zdjęciu jest pięć baterii typu paluszki, trzy baterie typu AAA (mniejsze) i dwie baterie typu AA (większe).

Skoro więc napięcie to różnica potencjałów powodująca przepływ prądu, a prawo Ohma głosi, że natężenie, będące efektem przyłożonego napięcia, zachowuje się proporcjonalnie do swojej przyczyny, to gdy przyłożone napięcie wzrośnie dwa razy  spowoduje również dwukrotny wzrost przepływ prądu (natężenia prądu) (Rys. 3. ). Wartość uzyskanego natężenia prądu (czyli wielkości strumienia elektronów) zależy nie tylko od podłączonego napięcia, ale też od właściwości przewodnika. Każdy przewodnik stawia pewien opór i zmniejsza natężenie prądu ponieważ przemieszczające się elektrony zderzają się z atomami przewodnika.

R18iHVWgonsaa

Rys. 3. Rysunek przedstawia dwa obwody elektryczne. Na lewym jest bateria półtora woltowa i amperomierz , który wskazuje natężenie prądu, które przyjmujemy jako jednostkowe. Na prawym schemacie jest bateria o napięciu dziewięć woltów i amperomierz, który wskazuje natężenie sześć razy większe.

Gdzie można wykorzystać prawo Ohma? Przykładem może być wiatraczek na upalne dni. Regulacja prędkości w wiatraczku chłodzącym polega na zmianie oporu zmieniającej z kolei natężenie prądu (przy tym samym napięciu). Załączenie większego oporu spowoduje spadek natężenia i obrotów wiatraczka. Generalnie rezystory wykorzystuje się w praktycznie każdym współczesnym urządzeniu elektronicznym. Należą do elementów, na których opiera się większość projektów schematów elektrycznych. Najczęściej stosowane są w celu m.in.: zabezpieczenia przed przeciążeniem elementu, regulacji parametrów urządzenia, wytwarzania ciepła, czy zmniejszenia napięcia.

Pamiętajmy, że Prawo Ohma jest spełniane jedynie przez część materiałów – głównie przez metale i materiały ceramiczne. Obowiązuje dla metali, grafitu oraz dla większości materiałów ceramicznych i elektrolitów. Istnieją jednak elementy obwodów elektrycznych, które go nie spełniają, na przykład półprzewodniki.

Dodatkowo, jeśli zmienia się temperatura przewodnika, zmienia się także jego opór elektryczny i prawa Ohma nie można w takich warunkach zastosować.

Słowniczek