Закон Ома
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: закон Ома для участка цепи, электрическое сопротивление.
Рассмотрим некоторый элемент электрической цепи постоянного тока. Это может быть что угодно: металлический проводник, раствор электролита, лампочка накаливания, газоразрядная трубка. . .
Будем менять напряжение \(U\), поданное на наш элемент, и измерять силу тока \(I\), протекающего через него. Получим функциональную зависимость \(I = I(U)\). Эта зависимость называется вольт-амперной характеристикой элемента и является наиважнейшим показателем его электрических свойств.
Вольт-амперные характеристики различных элементов цепи могут выглядеть по-разному.
Очень простой вид имеет вольт-амперная характеристика металлического проводника. Эту зависимость экспериментально установил Георг Ом.
Закон Ома для участка цепи
Оказалось, что сила тока в металлическом проводнике прямо пропорциональна напряжению на его концах: \(I \sim U\). Коэффициент пропорциональности принято записывать в виде \(1/R\):
\(I=\frac{\displaystyle U}{\displaystyle R \vphantom{1^a}}.\) (1)
Величина \(R\) называется сопротивлением проводника. Измеряется сопротивление в омах (Ом). Как видим, Ом=В/А.
Дадим словесную формулировку закона Ома.
Закон Ома для участка цепи. Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке и обратно пропорциональна сопротивлению участка.
Закон Ома оказался справедливым не только для металлов, но и для растворов электролитов.
Сформулированный закон имеет место для так называемого однородного участка цепи — участка, не содержащего источников тока. Закон Ома для неоднородного участка (на котором имеется источник тока) мы обсудим позже.
Вольт-амперная характеристика (1) является линейной функцией. Её графиком служит прямая линия (рис. 1).

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика металлического проводника
По этой причине металлические проводники (и электролиты) называются линейными элементами. А вот газоразрядная трубка, например, является нелинейным элементом — её вольт-амперная характеристика уже не будет линейной функцией. Но об этом мы поговорим позднее.
Электрическое сопротивление
А сейчас давайте подумаем вот о чём. Пусть к концам проводника приложено постоянное напряжение \(U\). Тогда на свободные заряды проводника действует сила со стороны стационарного электрического поля. Раз есть сила — значит, эти заряды должны двигаться с ускорением; скорость их направленного движения будет увеличиваться, а вместе с ней будет возрастать и сила тока. Но закон Ома гласит, что сила тока будет постоянной. Как же так?
Дело в том, что сила со стороны стационарного поля — не единственная сила, действующая на свободные заряды проводника.
Например, свободные электроны металла, совершая направленное движение, сталкиваются с ионами кристаллической решётки. Возникает своего рода сила сопротивления, действующая со стороны проводника на свободные заряды. Эта сила уравновешивает электрическую силу, с которой на свободные заряды действует стационарное поле. В результате скорость направленного движения заряженных частиц не меняется по модулю (точнее говоря, свободные электроны всё же двигаются равноускоренно, но только в промежутках между соударениями с ионами кристаллической решётки. В среднем же оказывается, что электроны перемещаются с постоянной скоростью); вместе с ней остаётся постоянной и сила тока.
Так что величина \(R\) названа сопротивлением не случайно. Она и в самом деле показывает, в какой степени проводник «сопротивляется» прохождению тока.
Удельное сопротивление
Возьмём два проводника из одинакового материала с равными поперечными сечениями; пусть отличаются только их длины. Ясно, что сопротивление будет больше у того проводника, у которого больше длина. В самом деле, при большей длине проводника свободным зарядам труднее пройти сквозь него: каждый свободный электрон встретит на своём пути больше ионов кристаллической решётки. Аналогия такая: чем длиннее заполненная машинами улица, тем труднее будет через неё проехать.
Пусть теперь проводники отличаются только площадью поперечного сечения. Ясно, что чем больше площадь, тем меньше сопротивление проводника. Снова аналогия: чем шире шоссе, тем больше его пропускная способность, т. е. тем меньше его «сопротивление» движению машин.
Опыт подтверждает эти соображения и показывает, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине \(l\) и обратно пропорционально площади поперечного сечения \(S\):
\(R=\rho \frac{\displaystyle l}{\displaystyle S \vphantom{1^a}}.\) (2)
Коэффициент пропорциональности \(\rho\) уже не зависит от геометрии проводника; он является характеристикой вещества проводника и называется удельным сопротивлением данного вещества. Величины удельных сопротивлений различных веществ можно найти в соответствующей таблице.
В каких единицах измеряется удельное сопротивление? Давайте выразим его из формулы (2):
\(\rho= \frac{\displaystyle RS}{\displaystyle l \vphantom{1^a}}.\)
Получим:
\([\rho]= \frac{\displaystyle OM \cdot M^2}{\displaystyle M \vphantom{1^a}}=OM \cdot M\)
Однако такая «теоретическая» единица измерения не всегда удобна. Она вынуждает при расчётах переводить площадь поперечного сечения в квадратные метры, тогда как на практике чаще всего речь идёт о квадратных миллиметрах (для проводов, например). На такой случай предусмотрена «практическая» единица:
\(\frac{\displaystyle OM \cdot MM^2}{\displaystyle M \vphantom{1^a}}\)
В таблице задачника Рымкевича удельное сопротивление даётся как в «теоретических» единицах, так и в «практических».