ომის კანონი

ომის კანონი.

საზოგადოდ, სხეულები ელექტრულად ნეიტრალურები არიან, ე.ი. არ არიან დამუხტულნი. მეორეს მხრივ, ვიცით, რომ სხეულები შედგებიან ატომებისაგან, რომლებიც, თავის მხრივ, შედგებიან დადებითად დამუხტული ბირთვებისა და უარყოფითად დამუხტული ელექტრონებისაგან. ელექტრონეიტრალურობა ნიშნავს, რომ ბირთვების ჯამური დადებითი მუხტი ზუსტად ისეთი სიდიდისაა, როგორიც ელექტრონების ჯამური უარყოფითი მუხტი. მეტალებში ატომები მოწესრიგებულად არიან განლაგებულნი – ქმნიან ე.წ. კრისტალურ მესერს. 

 რკინის კრისტალური მესერის მოდელი.

სპილენძის კრისტალური მესერის მოდელი.

 ატომებში ბირთვის ირგვლივ მბრუნავი ელექტრონების ნაწილს შეუძლია ატომის დატოვება და მეტალში თავისუფლად გადაადგილება – მეტალები ელექტრო-გამტარებს წარმოადგენენ. ნაწილობრივ უელექტრონებოდ დარჩენილი და, ცხადია, დადებითად დამუხტული ატომები, რომლებსაც იონები ეწოდებათ, მყარად არინ დაბმულნი კრისტალურ მესერში და გადაადგილება თავისუფლად არ შეუძლიათ. ისინი მხოლოდ განუწყვეტლივ ირხევიან წონასწორობის მახლობლობაში. რხევითი მოძრაობის გამო, მათ გააჩნიათ კინეტიკური ენერგია. იონების საშუალო კინეტიკური ენერგიის ზომას წარმოადგენს ტემპერატურა. რაც უფრო სწრაფად ირხევიან იონები, მით მეტია სხეულის ტემპერატურა.
თუ რომელიმე A სხეული უარყოფითად არის დამუხტული, ანუ მასზე გვაქვს ელექტრონების სიჭარბე,  ხოლო B სხეული დადებითად არის დამუხტული (ელექტრონების ნაკლებობა),  მაშინ ამბობენ, რომ ამ ორ სხეულს შორის არსებობს პოტენციალთა სხვაობა, ანუ ძაბვა V. 

თუ ამ სხეულებს გამტარით (მეტალის მავთულით) შევაერთებთ, მაშინ იმის გამო, რომ ერთსახელა მუხტები განიზიდებიან, ხოლო სხვადასხვა სახელიანი – მიიზიდებიან, ჭარბი ელექტორნები A სხეულიდან დაიწყებენ გადასვლას B სხეულზე. გამტარში ადგილი ექნება ელექტრონების მოწესრიგებულ (არა ქაოტურ) მოძრაობას A სხეულიდან B სხეულისაკენ. მუხტების მოწესრიგებულ მოძრაობას ელექტრული დენი ეწოდება, ხოლო გამტარის განიკვეთში დროის ერთეულში გამავალი მუხტის რაოდენობას – დენის ძალა. დენის ძალა განისაზღვრება ფორმულით I=Q/t, სადაც Q – გამტარის განიკვეთში გასული მუხტის სიდიდეა,  t – დრო, რომლის განმავლობაშიც ამ მუხტმა  გამტარის განიკვეთში გაიარა. დენის ძალის საზომი ერთეულია ამპერი. ერთი და იმავე დროში, რაც უფრო მეტი მუხტი გაივლის გამტარის განიკვეთში, მით მეტია დენის ძალა. ან, რაც უფრო სწრაფად გაივლის გამტარის განიკვეთში ერთი და იგივე მუხტის რაოდენობა, მით უფრო დიდია დენის ძალა. გამტარში გამავალ ცალკეულ ელექტრონზე მოქმედი ძალა მით მეტია, რაც უფრო მეტია B სხეულის დადებითი მუხტი – დიდი დადებითი მუხტი უფრო დიდი ძალით მიიზიდავს ელექტრონს. იგივე ითქმის A სხეულის უარყოფით მუხტზეც – დიდი ერთსახელა მუხტი უფრო დიდი ძალით განიზიდავს ელექტრონს. რა თქმა უნდა, დიდი ძალის მოქმედების შემთხვევაში ელექტრონი უფრო სწრაფად იმოძრავებს. ამრიგად, რაც მეტია ძაბვა, მით უფრო სწრაფად გადიან მუხტები გამტარის განიკვეთში, ე.ი. მით უფრო მეტია დენის ძალა. დენის ძალა გამტარში პირდაპირ პროპორციულია მის ბოლოებზე არსებული ძაბვისა.
ანალოგიისთვის განვიხილოთ ქვემოთ მოყვანილი ნახაზი.
რაც უფრო მაღალი იქნება წყლის დონე ვერტიკალურ ცილინდრში, მით მეტი იქნება წნევა მის ფსკერზე და მით მეტი იქნება წყლის დინების სიჩქარე ცილინდრთან მიერთებულ მილში. აქ გვაქვს ანალოგია წნევასა და ძაბვას შორის, ისევე როგორც ელექტრულ დენსა და მილში წყლის დინებას შორის.
ცილინდრიდან წყლის გამოდინებისას წყლის დონე ცილინდრში იკლებს და წნევა ფსკერზე მცირდება. ამიტომ, მილის განიკვეთში დროის ერთეულში გამავალი წყლის რაოდენობაც შემცირდება და, ბოლოს, დინება შეწყდება. წყლის უწყვეტი დინებისათვის საჭიროა გამოდინებული წყალი უკან დავაბრუნოთ ცილინდრში, მაგ., წყლის ტუმბოს საშუალებით. ტუმბო მუშაობს გარეშე (არა ჰიდროსტატიკური) ძალების გავლენით, მაგ., ბენზინის ძრავის დახმარებით. ან ასე:
ზუსტად ასევე, იმისთვის, რომ გამტარში დენი არ შეწყდეს, საჭიროა მის ბოლოებს მივუერთოთ კვების წყარო – გენერატორი, ბატარეა ან სხვ. ამ მოწყობილობებში გარეშე ძალები (არა ელექტრული) ახორციელებენ მუხტების განცალკევებას – დადებითი მუხტების თავმოყრას „+“ პოლუსზე და უარყოფითისას -„-„ პოლუსზე. აი, როგორ ასახა ეს მხატვარმა:
დენის წყაროს „-„ პოლუსიდან „+“ პოლუსზე ერთეულოვანი დადებითი მუხტის გადატანაზე გარეშე ძალების მიერ დახარჯულ მუშაობას კვების წყაროს ელექტრო მამოძრავებელი ძალა ეწოდება. ელექტრომამოძრავებელი ძალა, ისევე, როგორც ძაბვა, ვოლტებში იზომება.
დავუბრუნდეთ დენისა და წყლის დინების ანალოგიას. თუ ცილინდრთან მიერთებული მილი გამოვსებულია კენჭებით, მაშინ წყლის ნაკადი მილში  კენჭებს შორის მოძრაობისას ეჯახება კენჭებს და გადასცემს რა მათ ენერგიას, კარგავს სიჩქარეს – ადგილი აქვს დინებისადმი წინააღმდეგობის გაწევას. ანალოგიურად, ელექტრონები იონებს შორის  მოძრაობისას ეჯახებიან მათ, გადასცემენ თავიანთი ენერგიის ნაწილს და კარგავენ სიჩქარეს. ამის გამო დენის ძალა წრედში მცირდება. რაც უფრო მეტ წინააღმდეგობას გაუწევს გამტარი ელექტრონების მოძრაობას, მით ნაკლები იქნება დენის ძალა. მეორეს მხრივ, ზემოთ მივედით დასკვნამდე, რომ დენის ძალა ძაბვის პროპორციულია. თუ ამ ორ გარემოებას გავაერთიანებთ ერთ ფორმულაში, გამტარში გამავალი დენის ძალისთვის მივიღებთ I=V/R, სადაც V  გამტარის ბოლოებზე ძაბვაა, R –  გამტარის წინააღმდეგობა (ელექტრული წინაღობა). ზემოთ მოყვანილი ფორმულა აღწერს კანონს, რომელსაც მისი აღმომჩენის გეორგ ომის (Ohm) საპატივსაცემოდ ომის კანონი ეწოდება: გამტარში გამავალი დენის ძალა პირდაპირ პროპორციულია მის ბოლოებზე პოტენციალთა სხვაობისა (ძაბვისა) და უკუპროპორციულია  მისი ელექტრული წინაღობისა. გამტარის წინაღობის ერთეულს ომი (Ohm) ეწოდება. მის აღსანიშნავად მიღებულია ბერძნული ასო ომეგას  გამოყენება.
 

1 ომი ისეთი გამტარის წინაღობაა, რომელს ბოლოებზეც 1 ვოლტი ძაბვის არსებობისას მასში დენის ძალა 1 ამპერის ტოლია.

ომის კანონი შეიძლება ასე გადმოვწეროთ: R=V/I. მაგრამ ეს სულაც არ ნიშნავს, რომ წინაღობა ძაბვის პროპორციული, ან დენის ძალის უკუპროპორციულია. გამტარის წინაღობა არ არის დამოკიდებული  ძაბვაზე ან დენის ძალაზე. იგი დამოკიდებულია გამტარის თვისებებზე.
თუ კენჭებიან მილს დავაგრძელებთ, გაიზრდება კენჭებთან დაჯახებების რიცხვი და, მაშასადამე, ენერგიის დანაკარგებიც. წინააღმდეგობა მილის სიგრძის ზრდასთან ერთად იზრდება. მეორეს მხრივ, თუ მილის განიკვეთს გავზრდით (უფრო დიდი დიამეტრის მილს ავიღებთ), მაშინ კენჭებს შორის სიცარიელეების საერთო ფართი მილის განიკვეთში გაიზრდება და წყალი მილში უფრო თავისუფლად გაივლის – წინააღმდეგობა შემცირდება. წინააღმდეგობა დამოკიდებულია არა მარტო მილის ზომებზე, არამედ მილის გვარობაზეც. კერძოდ, მნიშვნელობა აქვს კენჭების ზომებს და ფორმას, აგრეთვე იმას, თუ რამდენად გამოვსებულია მილი კენჭებით.
ანალოგიურად, გამტარის ელექტრული წინაღობა პირდაპირ პროპორციულია გამტარის სიგრძის და უკუპროპორციულია მისი განიკვეთის ფართის. R=r(L/S). პროპორციულობის კოეფიციენტი r დამოკიდებულია გამტარის გვარობაზე – რა ნივთიერებისგან არის დამზადებული გამტარი. ამ კოეფიციენტს გამტარის კუთრი წინაღობა ეწოდება. თუ ფორმულაში L=1 და S=1, მაშინ R=r. ანუ კუთრი წინაღობა ერთეულოვანი სიგრძისა და ერთეულოვანი განიკვეთის მქონე გამტარის წინაღობაა. კარგ გამტარებს მცირე კუთრი წინაღობა აქვთ. ყველაზე დაბალი კუთრი წინაღობები გააჩნიათ ვერცხლს, სპილენძს, ალუმინს.
როგორც ზემოთ აღვნიშნეთ, ტემპერატურის მატებასთან ერთად იზრდება კრისტალურ მესერში იონების რხევის საშუალო კინეტიკური ენერგია. ეს ნიშნავს, რომ იონები უფრო სწრაფად იწყებენ რხევას. ამ დროს ელექტრონების მათთან დაჯახებების ალბათობაც იზრდება და ამიტომ, იზრდება გამტარის წინაღობაც. მეტალებში წინაღობის ტემპერატურაზე დამოკიდებულებას წრფივი ხასიათი აქვს. ეს გარემოება გამოიყენება ტემპერატურის გაზომვისათვის განკუთვნილ ხელსწყოებში – თერმორეზისტორებში.
თუ ცელსიუსის ნოლ გრადუს ტემპერატურაზე გამტარის კუთრ წინაღობას აღვნიშნავთ r0-ით, მაშინ ცელსიუსის t გრადუს ტემპერატურაზე მისი კუთრი წინაღობა იქნება r=r0(1+at), სადაც a – წინაღობის ტემპერატურული კოეფიციენტია.
იონებთან დაჯახებისას ელექტრონების მიერ მათთვისენერგიის გადაცემა იწვევს  იონების საშუალო კინეტიკური ენერგიის ზრდას, ანუ ტემპერატურის მატებას. დენის გავლისას გამტარი თბება. ამ დროს მასში გამოიყოფა სიმძლავრე, რომელიც ძაბვისა და დენის ძალის ნამრავლის ტოლია P=VI.  თუ მაღალი წინაღობის გამტარს დენის წყაროსთან მივაერთებთ დაბალი წინაღობის მქონე მავთულების საშუალებით, მაშინ დენის გატარებისას სითბოს ძირითადი რაოდენობა სწორედ მაღალი წინაღობის მქონე უბანზე გამოიყოფა, რადგანაც აქ დაჯახებების რიცხვი უფრო მეტია. ეს უბანი შეიძლება ისე გათბეს, რომ ნათებაც კი დაიწყოს. სწორედ ასე არის მოწყობილი თომას ედისონის მიერ გამოგონილი ვარვარების ნათურა, რომელსაც ჩვენ განათებისთვის ვხმარობთ ( იხ. პუბლიკაცია “ელექტრონათურა”).
სხვათა შორის, ედისონს დიდი წვლილი მიუძღვის კიდევ ერთი გამოგონების დანერგვაში. ეს არის ელექტრო სკამი – სიკვდილით დასჯის ინსტრუმენტი. მე-19 საუკუნის ბოლოს საყოველთაო დავას იწვევდა საკითხი, თუ რომელ ელექტროქსელებზე უნდა გაკეთებულიყო არჩევანი, მუდმივი დენის ქსელებზე, თუ უფრო პროგრესულ – ცვლადი დენის ქსელებზე. ედისონი მუდმივი დენის მომხრე იყო. ამიტომ, ცვლადი დენისთვის სახელის გასატეხად მან დიდი ძალისხმევა დახარჯა ცვლად დენზე მომუშავე ელექტროსკამის დანერგვაზე ამერიკის ციხეებში. მიზანი იყო ხალხამდე მიეტანა სლოგანი – „ცვლადი დენი მკვლელია“. ედისონი დამარცხდა, ამჟამად მთელს მსოფლიოში იყენებენ მხოლოდ ცვლადი დენის ელექტროქსელებს. მაგრამ ის გარემოება, რომ დენი კლავს, ყოველ ჩვენგანს უნდა ახსოვდეს. ელექტრო მოწყობილობებთან მუშაობისას აუცილებლად უნდა დავიცვათ უსაფრთხოების წესები. იმუშავეთ ყოველთვის ერთი ხელით – მარჯვენათი (თუნდაც ცაცია იყოთ). ეს შეამცირებს დენის გულში გავლის ალბათობას. მუშაობისას არ დადგეთ გამტარ იატაკზე (მიწა, ცემენტი). ერიდეთ ლითონის მილებთან და რადიატორებთან შეხებას.