Prawo Ohma okiem fizyka

Drogi Czytelniku, czy przyszło Ci kiedykolwiek do głowy, że Wielka Fizyka zagości na Twoim biurku gdzieś między lutownicą, garścią oporników, tranzystorów i schematem układu który mozolnie budujesz?
Jeśli nie, to wiedz, że właśnie zapukała do Ciebie za pośrednictwem cyklu artykułów Piotra Góreckiego…

Nazywam się Wojciech Dębski i z wykształcenia jestem fizykiem (teoretykiem), a zawodowo pracuję w Instytucie Geofizyki PAN.

Zajmuję się fizyką trzęsień ziemi – począwszy od prac laboratoryjnych, przez pomiary w kopalniach, aż po duże trzęsienia ziemi, metodami analizy danych pomiarowych i zaawansowanymi symulacjami numerycznymi. Elektronika – moje hobby od szkoły podstawowej – wielokrotnie przydawała mi się w pracy zawodowej.

Poniższy artykuł jest właśnie o tym, że Wielka Fizyka zapukała także do Ciebie i może na dłużej zagości na Twoim biurku za sprawą cyklu artykułów Piotra Góreckiego, poświęconych tak prozaicznemu zagadnieniu (dla elektronika rzecz jasna) jak prawo Ohma.

Do mnie też się odezwała, choć pierwszy raz zapukała bardzo dawno temu i to w zupełnie inny sposób. Po przeczytaniu kilku pierwszych artykułów poświęconych temu zagadnieniu, zdałem sobie bowiem sprawę, że może i Ty stawiasz sobie pytanie:

Zaraz, zaraz jak to jest? Z jednej strony Pan Piotr pisze, że prawo Ohma to nie żadne prawo i walczy z poglądem, że jest to podstawa elektroniki, a z drugiej, jak przychodzi do analizy jakiegoś konkretnego obwodu/schematu, to bez żenady je stosuje.

Chyba coś tu jest nie tak. Jeśli takie pytanie, albo inne typu „nic z tego nie rozumiem” zagościło w Twej głowie, to wiedz, że tak właśnie „puka” do Ciebie Wielka Fizyka. Warto więc otworzyć jej drzwi i znaleźć odpowiedź na takie pytania. Postanowiłem i ja odpowiedzieć na to zaproszenie i pokazać, jak sprawa prawa Ohma wygląda z punktu widzenia fizyka, a przy okazji wesprzeć Pana Piotra w jego wędrówce na radiową oślą łączkę, która to łączka kusi z oddali, a gdy się na nią wejdzie zamienia się w amazońską puszczę.

Mam nadzieję, że tych z Was, dla których fizyka to okropnie nudny i niezrozumiały szkolny przedmiot pełny dziwacznych wzorów, których trzeba się nauczyć na pamięć przed klasówką, tekst ten zachęci do poszukania, gdzie fizyka ukryła się w Waszym hobby. A tych, którzy są profesjonalnymi elektronikami przeniesie w czasy, gdy z lutownicą i poparzonymi palcami sami ją odkrywali. A więc do rzeczy.

Czy prawo Ohma jest filarem elektroniki?

Zacznijmy od postawionego pytania (i słusznie udzielonej negatywnej odpowiedzi) czy prawo Ohma jest jednym z filarów elektroniki?

Otóż, z punktu widzenia fizyki oczywiście nie jest żadnym prawem, ani elektroniki, ani tym bardziej fizyki, co za chwilę wyjaśnię. W pytaniu tym pojawia się jednak jeden ważny element związany ze słowem „prawo’’.

W naszym codziennym rozumieniu słowo prawo (w znaczeniu fizycznym, technicznym) oznacza, że jest to pewna obowiązująca zasada, która niejako rządzi procesem, którym się zajmujemy. Takie rozumienie praw fizyki, elektryki, itp. jest oczywiście słuszne, choć wymaga pewnego doprecyzowania.

Pierwszą sprawą jest to, że widząc takie prawo, wyrażone zwykle za pomocą jakiegoś wzoru matematycznego, np. U = I × R, często zapominamy, że prawo takie ma jakiś zakres stosowalności.

Jeśli spróbujemy je zastosować poza zakresem jego „działania’’, to oczywiście otrzymamy błędne wyniki, choć czasami na pierwszy rzut oka mogą wyglądać całkiem realistycznie. Tak więc z punktu widzenia fizyki musimy pamiętać, żeby powołując się lub używając jakiegoś prawa sprawdzić, czy można je stosować w zagadnieniu, którym się zajmujemy.

Prawo Ohma nie jest tu wyjątkiem, o czym pisze w swych artykułach Piotr Górecki.

Druga sprawa: czy prawo Ohma jest rzeczywiście prawem fizyki, jak to sugeruje nazwa?

Tu odpowiedź też jest negatywna! Aby to zrozumieć musimy jednak najpierw poznać, co fizyk rozumie pod pojęciem prawa fizycznego i skąd takie prawa się biorą.

Skąd się biorą prawa fizyki?

Otóż fizyka to nauka, która stara się wyjaśnić, jak i dlaczego zachodzą różne procesy, które obserwujemy wokół nas. Badając takie procesy, a pierwsze wzmianki o tym, że ludzkość to interesowało, pochodzą ze starożytności (np. Archimedes, Heron, itp.), powoli zbieraliśmy jako ludzkość doświadczenie skłaniające do przemyśleń. W trakcie takich dociekań poszukując odpowiedzi na te pytania, filozofowie, a później fizycy i inżynierowie zauważyli, że istnieją pewne zasady, które są zawsze spełnione, niezależnie od tego jakie procesy badają. Najprostsze, znane od dawna zasady to prawo zachowania masy, energii, pędu, a w zakresie nas interesującym – prawo zachowania ładunku elektrycznego.

Prawa te obowiązują w sposób absolutny jeśli badamy procesy, które są odizolowane od otoczenia, a jeśli tak nie jest – to gdy „otoczenie’’ dołączymy do naszych rozważań. Do tej pory nigdy nie zaobserwowano ich złamania.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w marcowym numerze czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 3/2025). Pełną wersję czasopisma znajdziesz pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 3/2025 znajduje się tutaj.

Wojciech Dębski
debski@igf.edu.pl

 

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) stałymi Patronami ZE, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając kawę” (10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać – Postaw kawę za:
– jeśli jeden numer ZE – 10 zł,
– jeśli kilka numerów ZE – Własna kwota. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10 zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dodać dedykację/Wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery ZE mam wysłać na podany adres e-mailowy. Jeśli ma to być numer z tym artykułem trzeba zaznaczyć, że chodzi o ZE 3/2025.
UWAGA!!! E-mail z linkiem do materiałów (Smash) wysyłamy zazwyczaj w ciągu 24 godzin. Czasem zdarza się jednak, że trafia do spamu. Jeśli więc nie pojawi się w ciągu 48 godzin prosimy sprawdzić w folderze spam, a ewentualny problem zgłosić na adres: kontakt@piotr-gorecki.pl.