Закон на Ом - формула и обяснение

Досега въведохме две основни величини, характеризиращи постоянния ток – големина на тока и напрежение. Немският физик Г. Ом е установил експериментално връзката между тях при протичане наток в метални проводници. 

Материалът стъпва върху закона на Ом и го прилага към втория основен начин за свързване на консуматори – паралелния. Логиката е същата като при последователното свързване, но резултатите са почти огледални, и точно това сравнение е ядрото на урока. Паралелно свързване означава, че всички резистори са включени между едни и същи две точки. Токът, който излиза от източника, стига до възела и там се разклонява – всеки резистор получава своя част. Оттук идват трите основни извода. Първо, напрежението върху всички клонове е едно и също. Щом краищата им са свързани в едни и същи точки, разликата в потенциала между тях е обща за всички. Второ, токът се разпределя между клоновете и сборът им дава общия ток. През клона с по-малко съпротивление тече по-силен ток – зарядът върви по пътя на по-малката пречка. Трето, общото съпротивление се получава по-малко от най-малкото включено съпротивление. Това често обърква учениците, но идеята е проста: всеки нов клон добавя още един път за тока, а повече пътища означават по-лесно преминаване. Смисълът е практически. Паралелното свързване е това, което ученикът вижда всеки ден, без да го осъзнава – контактите вкъщи, лампите в стаята, уредите в кухнята. Всеки уред работи независимо от останалите и получава едно и също напрежение, защото инсталацията е паралелна. Ако беше последователна, изключването на една лампа щеше да загаси всичко. Оттук идва и разбирането за претоварване. Колкото повече уреди се включат, толкова по-малко става общото съпротивление и толкова по-силен ток тече през инсталацията. Това обяснява защо има предпазители и защо разклонителите не се претоварват. Идеята на целия материал е ученикът да не помни две отделни правила наизуст, а да разбира защо при последователно свързване се сумира едното, а при паралелно – другото. Щом схваща къде се разклонява токът и къде не, може да изведе останалото сам.

Учебен материал, който не изброява условията за протичане на постоянен ток, а ги извежда – едно по едно, като показва защо всяко от тях е необходимо. Именно този ход прави разработката различна. Тръгва се от прост опит с две заредени тела, съединени с проводник, и се проследява защо токът в него спира. Оттам естествено следва първото условие, после второто и накрая третото – и трите не са дадени наготово, а произлизат от разсъждението. Темата е електричният ток и електродвижещото напрежение, а изложението е на две страници в две озаглавени части. Първата половина въвежда самото понятие за ток и веднага посочва двете предпоставки за неговото възникване – наличието на свободни носители и причината те да се движат насочено. Дадени са и примери за трите различни среди, като при всяка е уточнено кои частици участват. Оттам следват трите основни характеристики. Особено полезно е уточнението при посоката: обяснено е защо в металите частиците се движат обратно на приетата посока – подробност, която се бърка постоянно. Големината е дадена с определение и с формула, а после от нея е изведена връзката между две мерни единици. Следва плътността, въведена като векторна величина с обяснение защо изобщо е нужна. Особено ценна е частта за постоянния ток. Показано е как двете общи формули се опростяват, когато величините не се менят с времето. Втората половина е за страничните сили. Обяснено е защо електростатичните сили не са достатъчни, каква работа трябва да се извърши и защо тя изисква внасяне на допълнителна енергия. Следва пресмятането на работата вътре в източника, от което е изведено електродвижещото напрежение – не като готово определение, а като резултат от извод. Финалната част е най-точна. Разгледан е случаят, при който действат едновременно двата вида сили, а от сбора на двете работи е получено напрежението. Оттам е обяснено защо то е обобщение на потенциалната разлика и кога двете съвпадат. Материалът съдържа две фигури, две номерирани формули и няколко междинни израза, а всяка величина се пояснява при първата си поява заедно с мерната си единица. Има и няколко препратки към други въпроси от същия конспект. Преподавателят получава готова опора за един учебен час, без нужда от подготовка. Двете части вършат работа и поединично – характеристиките на тока в единия час, страничните сили в другия. Студентът разполага с конспектен въпрос в завършен вид, при който трите условия и трите понятия се помнят лесно, защото са изведени, а не заучени. Годен е за устен изпит и за преговор преди семестриална проверка.

Три страници, в които една теория е представена в целия ѝ жизнен цикъл – от опитите, които я пораждат, през това, което тя обяснява, до причините, поради които се налага да бъде заменена. Точно тази трета част отличава материала. Повечето разработки спират след изводите; тук е отделен цял раздел на недостатъците на теорията. Първата част е историческа и експериментална. Проследено е как се стига до отговора кои са носителите на тока в металите. Описан е опитът на Рике с подробности за устройството му и за продължителността на измерването. След това е обяснена идеята на следващата група опити – защо рязкото спиране на проводник трябва да предизвика токов импулс и какво може да се определи от големината и от посоката на този импулс. Втората част въвежда самата теория на Друде. Основното допускане е формулирано чрез аналогия с идеалния газ, с препратка към предходен въпрос. Въведени са понятията среден свободен пробег, топлинна скорост и скорост на насочено движение, а за последните две е дадено и съпоставяне по порядък – подробност, която веднага показва защо едната се пренебрегва спрямо другата. Трите допускания на теорията са изведени поотделно и номерирани, а от тях са получени изразите за времето между два удара и за броя удари за единица време. Средището са двата извода. Законът на Ом в диференциална форма е получен чрез ускорението на електрона в постоянно поле, скоростта в края на пробега и средната скорост на насочено движение. По пътя е определен и коефициентът, за който в предходен въпрос само е било казано, че съществува. Законът на Джаул – Ленц е изведен чрез енергията, която електронът отдава при удар, броя на ударите и броя на електроните, като се стига до специфичната топлинна мощност. Финалната част разглежда слабите места. Обяснено е защо усъвършенстването на теорията влошава съгласуването с опита, а после е показано подробно едно конкретно противоречие – между следствието от теорията и експериментално установената зависимост. Изброени са и други явления, които теорията не обяснява количествено, но е направено и справедливото уточнение каква е стойността ѝ въпреки това. Формулите са номерирани, а на няколко места има препратки към други въпроси от конспекта. Студентът получава отговор, който покрива и трите очаквани части – опити, изводи и критика, така че въпросът е изчерпан независимо накъде тръгне изпитващият. Преподавателят получава изложение, удобно за раздаване към лекцията, а последният му раздел върши работа и самостоятелно – като въведение към квантовата теория за проводимостта.

Целият курс по физика, събран в четири листа. Материалът е ръкописен справочник с формули, подреден в осем раздела по две колони на страница, и е направен така, че нужната зависимост да се намери за секунди. Подредбата следва логиката на учебния курс. Първият раздел е механиката – модули на векторите на положението, скоростта и ускорението, дефиниции чрез производни, тангенциално и нормално ускорение, законите за равноускорително движение, средно преместване и средна скорост. Динамиката продължава с основното уравнение, модула на резултантната сила, импулса, връзката между силата и производната на импулса и закона за запазване на импулса за затворена система. Разделът за енергията и работата обхваща работата при постоянна и при променлива сила, мощността, кинетичната и потенциалната енергия, връзката между сила и градиент на потенциалната енергия, закона за запазване на енергията за отворена и за затворена система, работата на силата на тежестта и математическата формулировка за консервативна сила. Отделен раздел е посветен на въртеливото движение: ъглова скорост и ъглово ускорение, тангенциално и нормално ускорение, период, честота и брой обороти, кинетична енергия при въртене, инерчни моменти на цилиндър, пръстен и сфера, теоремата на Щайнер, момент на сила и на импулс и законът за запазване на момента на импулса. Електростатиката включва закона на Кулон, линейната, повърхностната и обемната плътност на заряда, теоремата на Гаус, интензитета на полето и принципа на суперпозицията, потока, потенциала и работата в електростатично поле, както и полето на точков заряд, на равномерно заредена равнина и на сферична повърхност. Разделът за електричеството обхваща тока и плътността му, електродвижещото напрежение, закона на Ом за участък и за цяла верига, съпротивлението, последователното и паралелното свързване, температурната зависимост и мощността на тока. Магнетизмът съдържа магнитния момент, магнитната индукция и интензитета, закона на Био–Савар–Лаплас с приложенията му, закона на Ампер, силата на Лоренц, магнитния поток, закона на Фарадей, индуктивността и енергията на магнитното поле. Последният раздел е за трептенията и вълните: хармонично трептене с уравненията за отклонение, скорост и ускорение, период и кръгова честота, пълна енергия, уравнение на плоска вълна, дължина и вълново число, фазова скорост, енергия на фотона и интерференчният опит на Юнг. Записът е сбит, с оградени основни формули и с кратки означения какво представлява всяка величина. За преподавателя това е удобен ориентир какъв набор от зависимости се очаква да бъде усвоен и готова основа за съставяне на задачи. За студента и ученика предимството е практическо: вместо да прелиства учебник, разполага с всички работни формули на четири страници – за преговор преди изпит, за бърза справка при решаване на задачи и за проверка дали нещо не е пропуснато.

Учебна разработка, при която една задача е решена стъпка по стъпка, а след всяка стъпка таблицата се попълва наново – така се вижда точно докъде е стигнало решението. Именно тази нарастваща таблица прави материала нагледен. В началото в нея стои само зададеното, а в края всички клетки са запълнени. Ученикът вижда как празните места изчезват едно по едно. Темата са последователно свързаните резистори, а материалът е част от учебна практика по електротехника. Изложението е на четири страници. Началото поставя образователната цел – какви умения се придобиват. Изброени са четири: измерване на две величини, определяне на еквивалентното съпротивление при два вида свързване и проверка на един основен закон. Следва условието на задачата с приведени числени стойности за напрежението и за трите съпротивления, придружено с принципна схема. Оттам решението върви на етапи. Първо се записва използваната зависимост, после началната таблица със зададените стойности. Следва правилото за еквивалентното съпротивление, пресмятането му и втори вид на таблицата, вече с една клетка повече. Особено ценно е обяснението защо през всички резистори протича един и същ ток. То не е просто заявено, а е обосновано с една причина – наличието само на един път за движение. След пресмятането на тока таблицата се попълва трети път, а после следват три отделни пресмятания за напреженията върху всеки резистор поотделно, всяко с междинните стъпки и с числените замествания. Финалната таблица е попълнена изцяло и позволява проверка чрез сбора на трите напрежения. Практическата част е онова, което отличава разработката. След изчисленията е показано как схемата се реализира наистина – с посочено конкретно съединително приспособление и с указание, че резултатът се проверява с измервателен уред. Материалът съдържа четири фигури: принципна схема, илюстрована схема, снимка на реализираната верига и накрая схема с включени измервателни уреди – с отбелязано къде точно се поставя всеки от тях и колко на брой са. Именно последната фигура рядко се среща в решени задачи, а тя показва разликата между двата вида уреди и начина им на свързване. Преподавателят получава готово упражнение за един час, което не изисква подготовка. Изчислителната и практическата част вършат работа и поединично. Ученикът разполага с решена задача, в която нищо не е прескочено, и с образец как се записва такова решение, включително как се води таблицата при отчитане. Материалът върши работа и при подготовка на протокол от упражнение.