Ohms lov er den grunnleggende loven for elektriske kretser. Samtidig lar det oss forklare mange naturfenomener. For eksempel kan man forstå hvorfor elektrisitet ikke «slår» fuglene som sitter på ledningene. For fysikk er Ohms lov ekstremt viktig. Uten hans viten ville det være umulig å lage stabile elektriske kretser, ellers ville det ikke vært elektronikk i det hele tatt.
Dependence I=I(U) og dens verdi
Historien til oppdagelsen av motstanden til materialer er direkte relatert til strøm-spenningskarakteristikken. Hva det er? La oss ta en krets med konstant elektrisk strøm og vurdere hvilken som helst av dens elementer: en lampe, et gassrør, en metallleder, en elektrolyttkolbe osv.
Ved å endre spenningen U (ofte referert til som V) som leveres til det aktuelle elementet, vil vi spore endringen i styrken til strømmen (I) som går gjennom det. Som et resultat vil vi få en avhengighet av formen I \u003d I (U), som kalles "spenningskarakteristikken til elementet" og er en direkte indikator på detselektriske egenskaper.
V/A-karakteristikk kan se annerledes ut for forskjellige elementer. Den enkleste formen er oppnådd ved å betrakte en metallleder, som ble gjort av Georg Ohm (1789 - 1854).
Volt-ampere karakteristikk er et lineært forhold. Derfor er grafen en rett linje.
Loven i sin enkleste form
Ohms forskning på strømspenningskarakteristikkene til ledere viste at strømstyrken inne i en metallleder er proporsjonal med potensialforskjellen i endene (I ~ U) og omvendt proporsjonal med en viss koeffisient, det vil si I ~ 1/R. Denne koeffisienten ble kjent som "ledermotstand", og måleenheten for elektrisk motstand var Ohm eller V/A.
En ting til å merke seg. Ohms lov brukes ofte til å beregne motstand i kretser.
lovformulering
Ohms lov sier at strømstyrken (I) til en enkelt seksjon av kretsen er proporsjonal med spenningen i denne seksjonen og omvendt proporsjonal med motstanden.
Det skal bemerkes at i denne formen forblir loven gjeldende kun for en homogen del av kjeden. Homogen er den delen av den elektriske kretsen som ikke inneholder en strømkilde. Hvordan du bruker Ohms lov i en inhomogen krets vil bli diskutert nedenfor.
Senere ble det eksperimentelt fastslått at loven fortsatt gjelder for løsningerelektrolytter i en elektrisk krets.
Fysisk betydning av motstand
Motstand er en egenskap ved materialer, stoffer eller medier for å hindre passasje av elektrisk strøm. Kvantitativt betyr en motstand på 1 ohm at i en leder med en spenning på 1 V i endene kan det passere en elektrisk strøm på 1 A.
Elektrisk resistivitet
Eksperimentelt ble det funnet at motstanden til den elektriske strømmen til lederen avhenger av dens dimensjoner: lengde, bredde, høyde. Og også på formen (kule, sylinder) og materialet den er laget av. Således vil formelen for resistivitet for eksempel for en homogen sylindrisk leder være: R \u003d pl / S.
Hvis vi i denne formelen setter s=1 m2 og l=1 m, vil R være numerisk lik p. Herfra beregnes måleenheten for resistivitetskoeffisienten til lederen i SI - dette er Ohmm.
I resistivitetsformelen er p motstandskoeffisienten bestemt av de kjemiske egenskapene til materialet som lederen er laget av.
For å vurdere den differensielle formen til Ohms lov, må vi vurdere noen flere begreper.
Gjeldende tetthet
Som du vet, er elektrisk strøm en strengt bestilt bevegelse av ladede partikler. For eksempel i metaller er strømbærere elektroner, og i ledende gasser ioner.
Ta den trivielle saken når alle nåværende operatørerhomogen - metallleder. La oss ment alt skille ut et uendelig lite volum i denne lederen og betegne med u den gjennomsnittlige (drift, ordnede) hastigheten til elektroner i det gitte volumet. La videre n angi konsentrasjonen av strømbærere per volumenhet.
La oss nå tegne et uendelig areal dS vinkelrett på vektoren u og konstruere langs hastigheten en uendelig sylinder med en høyde udt, der dt angir tiden som alle strømhastighetsbærere i det betraktede volumet vil passere gjennom området dS.
I dette tilfellet vil ladningen lik q=neudSdt overføres av elektroner gjennom området, der e er elektronladningen. Dermed er den elektriske strømtettheten en vektor j=neu, som angir mengden ladning som overføres per tidsenhet gjennom en enhetsareal.
En av fordelene med Ohms lov-differensialdefinisjon er at du ofte kan klare deg uten å beregne motstanden.
Elektrisk ladning. Elektrisk feltstyrke
Feltstyrke sammen med elektrisk ladning er en grunnleggende parameter i elektrisitetsteorien. Samtidig kan en kvantitativ idé om dem fås fra enkle eksperimenter tilgjengelig for skolebarn.
For enkelhets skyld vil vi vurdere et elektrostatisk felt. Dette er et elektrisk felt som ikke endres med tiden. Et slikt felt kan skapes av stasjonære elektriske ladninger.
Det er også nødvendig med en testavgift for våre formål. I sin kapasitet vil vi bruke en ladet kropp - så liten at den ikke er i stand til å forårsakeeventuelle forstyrrelser (omfordeling av ladninger) i de omkringliggende objektene.
La oss vurdere to testladninger tatt, suksessivt plassert på ett punkt i rommet, som er under påvirkning av et elektrostatisk felt. Det viser seg at anklagene vil bli utsatt for tidsinvariant påvirkning fra hans side. La F1 og F2 være kreftene som virker på anklagene.
Som et resultat av generaliseringen av eksperimentelle data, ble det funnet at kreftene F1 og F2 er rettet enten i en eller i motsatte retninger, og deres forhold F1/F2 er uavhengig av punktet i rommet der testladningene ble plassert vekselvis. Derfor er forholdet F1/F2 en karakteristikk av selve kostnadene, og er ikke avhengig av feltet.
Oppdagelsen av dette faktum gjorde det mulig å karakterisere elektrisering av kropper og ble senere k alt elektrisk ladning. Dermed viser det seg per definisjon q1/q2=F1/F 2 , hvor q1 og q2 - mengden av belastninger som er plassert på ett punkt i feltet, og F 1 og F2 - tvinger som virker på ladninger fra siden av feltet.
Ut fra slike betraktninger ble størrelsen på ladningene til forskjellige partikler eksperimentelt fastslått. Ved å betinget sette en av testladningene lik én i forholdet, kan du beregne verdien av den andre ladningen ved å måle forholdet F1/F2.
Ethvert elektrisk felt kan karakteriseres gjennom en kjent ladning. Kraften som virker på en enhetstestladning i hvile kalles således den elektriske feltstyrken og er betegnet med E. Fra definisjonen av ladningen får vi at styrkevektoren har følgende form: E=F/q.
Forbindelse av vektorene j og E. En annen form for Ohms lov
I en homogen leder vil den ordnede bevegelsen til ladede partikler skje i retning av vektoren E. Dette betyr at vektorene j og E vil bli samrettet. Som ved å bestemme strømtettheten velger vi et uendelig lite sylindrisk volum i lederen. Da vil en strøm lik jdS gå gjennom tverrsnittet av denne sylinderen, og spenningen som påføres sylinderen vil være lik Edl. Formelen for resistiviteten til en sylinder er også kjent.
Deretter, når vi skriver formelen for strømstyrken på to måter, får vi: j=E/p, der verdien 1/p kalles elektrisk ledningsevne og er inversen av elektrisk resistivitet. Det er vanligvis betegnet σ (sigma) eller λ (lambda). Enheten for ledningsevne er Sm/m, der Sm er Siemens. Enhet invers av Ohm.
Dermed kan vi svare på spørsmålet ovenfor om Ohms lov for en inhomogen krets. I dette tilfellet vil strømbærerne bli påvirket av kraften fra det elektrostatiske feltet, som er karakterisert ved intensiteten E1, og andre krefter som virker på dem fra en annen strømkilde, som kan være betegnet E 2. Da gjaldt Ohms lovinhomogen del av kjeden vil se slik ut: j=λ(E1 + E2).
Mer om konduktivitet og motstand
En leders evne til å lede en elektrisk strøm er karakterisert ved dens resistivitet, som kan finnes gjennom resistivitetsformelen, eller ledningsevnen, beregnet som den resiproke av ledningsevnen. Verdien av disse parameterne bestemmes både av de kjemiske egenskapene til ledermaterialet og av ytre forhold. Spesielt omgivelsestemperaturen.
For de fleste metaller er resistiviteten ved normal temperatur proporsjonal med den, det vil si p ~ T. Imidlertid observeres avvik ved lave temperaturer. For et stort antall metaller og legeringer ved temperaturer nær 0°K viste motstandsberegningen nullverdier. Dette fenomenet kalles superledning. For eksempel har kvikksølv, tinn, bly, aluminium osv. denne egenskapen Hvert metall har sin egen kritiske temperatur Tk, der fenomenet superledning observeres.
Merk også at definisjonen av sylinderresistivitet kan generaliseres til ledninger laget av samme materiale. I dette tilfellet vil tverrsnittsarealet fra resistivitetsformelen være lik tverrsnittet av ledningen, og l - lengden.
