1. Czy ruch ładunków w przewodniku natrafia na jakieś przeszkody?
Wyobraź sobie las i uczniów, którzy mają przez ten las przejść. By nie pogubili się i razem dotarli do celu – ich ruch musi być uporządkowany. Drzewa i krzewy lasu powodują, że nie da się dążyć prosto do celu. Trzeba zboczyć, ominąć drzewo. Ruch uczniów jest przez to spowolniony. Natężenie „strumienia uczniów” jest mniejsze, niż gdyby na ich drodze lasu nie było. W lesie nie można się zanadto rozpędzić. Las stawia opór.
Skojarz!
Podobnie jest z prądem elektrycznym. Ciągłe zderzenia z atomami psują uporządkowany ruch elektronów lub innych nośników prądu. W przewodniku prąd płynie wtedy, gdy na nośniki prądu działają siły elektryczne.
II zasada dynamiki mówi, że gdy na ciało działa stała siła, to porusza się ono ze stałym przyspieszeniem proporcjonalnym do tej siły. Ładunki powinny się więc rozpędzać, a natężenie prądu powinno rosnąć, mimo że nie zwiększamy napięcia. Z doświadczenia wynika, że tak nie jest. Dlaczego? Dlatego, że co się ładunek rozpędzi, to zderzenia powodują, że wytraca swą prędkość, przekazując część energii atomowi, z którym się zderzył. Dzięki tym zderzeniom prędkość ładunku pozostaje (tak w sumie) stała.
Zauważ!
Oznacza to, że przez przewodnik przepływa stała ilość ładunku w jednostce czasu. Czyli stałe jest natężenie prądu, dopóki źródło prądu nie wykona nad porcjami ładunku dodatkowej pracy, czyli dopóki nie zwiększymy napięcia na końcach przewodnika. Im więcej tych zderzeń, tym trudniej ładunkom przecisnąć się na drugą stronę przewodnika. Tym trudniej płynie się prądowi. Tym większy opór stawia przewodnik przepływowi prądu.
To tak, jak w naszym przykładzie z uczniami. Im gęstszy las, im więcej drzew trzeba ominąć, tym przedzieranie się uczniów jest wolniejsze, tym mniejszy jest „strumień uczniów”.
2. Jaka jest miara oporu, który materiał przewodnika stawia przepływowi prądu?
Wyobraź sobie, że wykonujesz jakąś pracę, na przykład przesuwasz szafę. Albo lepiej dwie szafy – najpierw jedną, a później drugą. Pierwsza szafa porusza się łatwo. Wykonujecie pewną pracę i efekt jest widoczny – szafa szybko się przesuwa. Oznacza to, że opory ruchu są niewielkie. Gorzej jest z drugą szafą. Wykonujesz tę samą pracę co za pierwszym razem, ale szafa porusza się bardzo powoli. Opory ruchu są duże. Jako miarę oporów ruchu można uznać szybkość, z jaką przesuwa się szafa w czasie, gdy wykonujemy ustaloną pracę. Czy nie można byłoby podobnie mierzyć oporu stawianego przez przewodnik przepływowi prądu?
Skojarz!
Zamiast szafy mamy porcję ładunku elektrycznego. Pracę wykonaną przez siły elektryczne nad porcją ładunku o wielkości jednego kulomba nazywamy napięciem. Szybkości szafy natomiast odpowiada ilość przepływającego na sekundę ładunku, czyli natężenie prądu. Zatem miarą oporu elektrycznego może być natężenie prądu uzyskane pod wpływem danego napięcia. Zwiększenie napięcia (czyli zwiększenie wykonywanej pracy) spowoduje zwiększenie ilości przepływającego w jednostce czasu ładunku, czyli natężenia prądu, ale opory pozostają te same. To tak, jakbyśmy bardziej przyłożyli się do przesuwania szafy i uzyskali większą jej szybkość. Opory ruchu się jednak przez to nie zmienią. Zatem miarą oporu elektrycznego może być stosunek przyłożonego do przewodnika napięcia do uzyskanego w ten sposób natężenia prądu przepływającego przez przewodnik.
Zapamiętaj!
Jak każdą wielkość fizyczną, opór wyrażamy w pewnych jednostkach. Jednostka oporu elektrycznego to om. Cóż to takiego? Otóż om to opór takiego przewodnika, że napięcie o wartości 1 wolt wywołuje w nim prąd o natężeniu 1 ampera.
Uwaga! Jeżeli ten sam jeden wolt wywoła prąd mniejszy niż 1 amper, to znaczy, że opór jest większy niż 1 Ω, bo ta sama przyczyna wywołuje słabszy skutek.
3. Jaka jest zależność między napięciem elektrycznym i natężeniem prądu?
Różnie bywa z tą zależnością. W przypadku wielu przewodników zależność ta jest najprostsza: natężenie prądu (skutek) jest proporcjonalne do przyłożonego napięcia (przyczyna). Jeśli napięcie na końcach przewodnika zwiększymy, powiedzmy cztery razy, to i natężenie prądu płynącego przez ten przewodnik wzrośnie czterokrotnie. Taka zależność między napięciem i natężeniem prądu nosi nazwę prawa Ohma.
Zapiszmy to prawo porządnie.
Natężenie prądu płynącego przez przewodnik jest wprost proporcjonalne do napięcia panującego na końcach tego przewodnika.
I jest proporcjonalne do U
Współczynnik proporcjonalności jest odwrotnością oporu elektrycznego. By się o tym przekonać, wystarczy przekształcić nieco wzór na opór elektryczny (definicję oporu).
Jest to dość oczywiste. Im większe napięcie przyłożymy, tym większy prąd popłynie. Im większy opór stawia przewodnik, tym prąd będzie mniejszy. Przypomnij sobie przykład z szafą – im większą pracę będziecie wykonywać, tym większy będzie efekt: szafa szybciej się będzie przesuwać. Im większe będą opory ruchu, tym ten efekt będzie słabszy – szafa będzie poruszać się wolniej.