Книга: Покоренный электрон

Разница электрических уровней

Разница электрических уровней

Одновременно с Фарадеем жил и работал немецкий физик Георг Ом. Ом старался понять явление электрического тока, сравнивал его с другими, хорошо известными всем, явлениями природы.

«Почему река течет в море?» — спрашивал себя этот ученый. Потому, что уровень воды в ее верховьях выше, чем уровень воды в море. Разница уровней создает напор, и вода течет. А почему течет ток по проводам? Очевидно, и здесь существует разница уровней, создающая напор, заставляющая электричество течь от высокого уровня к более низкому. Если это так, то гальваническую батарею можно уподобить насосу, который перекачивает воду из одного сосуда в другой и создает разность уровней. Нижние части сосудов соединены трубкой, по которой вода течет из сосуда с более высоким уровнем в сосуд с более низким уровнем, а насос, своей работой постоянно поддерживая разность уровней, заставляет воду непрерывно течь по трубке (рис. 32).

Рис. 32. Разность уровней в сообщающихся сосудах создает напор и движение жидкости в трубке, которая эти сосуды соединяет, а насос наверху непрерывно создает разность уровней.

Трубка, соединяющая сосуды с водой, может быть различной и по форме, и по материалу, и по устройству. Очевидно, что по тонкой трубке воде труднее течь, чем по толстой, по короткой — лучше, чем по длинной; по трубке с гладкими стенками — свободней, по трубке, забитой песком или шероховатой — с трудом.

Тонкий провод окажет электрическому току большее сопротивление, чем толстый, а короткий — меньшее, чем длинный. Серебряный или медный провода подобны чистым хорошим трубкам; железная или никелиновая проволоки — это как бы трубки, забитые песком и шероховатые. По такому проводу току придется «пробираться» с большим усилием.

Какая же величина соответствует высоте уровня при протекании электрического тока? Поверхностям одинаковых уровней воды в сосудах соответствуют точки одинакового потенциала в цепи. Разность потенциалов — это разность электрических уровней. Она и вызывает движение электрических зарядов.

«Отчего же зависит сила тока?» — спрашивал себя Ом. Во-первых, от разности потенциалов: чем больше «напор», тем сильнее будет ток. Во-вторых, от сопротивления проводника: чем больше будет сопротивление проводника, тем слабее потечет ток.

Ученый проверил свои соображения на опыте и установил, что сила тока в проводнике равна разности потенциалов на концах проводника, деленной на сопротивление проводника (разумеется, все величины должны быть взяты в определенных мерах). Это и есть закон Ома. Его обычно выражают в виде формулы i = u/r, где i — сила тока, u — разность потенциалов (напряжение), r — сопротивление проводника.

Закон Ома — один из основных законов электротехники. Зная две величины, из входящих в формулу закона, всегда можно найти третью. Если известны сила тока и разность потенциалов — найдем сопротивление проводника: r = u/i.

Зная силу тока и сопротивление проводника, найдем напряжение: u = i/r.

Ученые встретили закон Ома с большим недоверием. Электрические явления казались им невероятно сложными, разнообразными, не поддающимися расчету. И вдруг выясняется, что все необычайно просто: i равно u, деленному на r. Простота отпугивала ученых. Они сомневались, возражали, отрицали выводы Ома.

Около двадцати лет продолжалась борьба, однако, опровергнуть закон Ома никто не смог. Исследования русского ученого Э. X. Ленца подтвердили правильность этой зависимости, и примерно с 1847 года закон Ома получил всеобщее признание.