Legea lui Ohm este legea de bază a circuitelor electrice. În același timp, ne permite să explicăm multe fenomene naturale. De exemplu, se poate înțelege de ce electricitatea nu „bate” păsările care stau pe fire. Pentru fizică, legea lui Ohm este extrem de semnificativă. Fără cunoștințele lui, ar fi imposibil să se creeze circuite electrice stabile sau nu ar exista deloc electronice.
Dependența I=I(U) și valoarea acesteia
Istoria descoperirii rezistenței materialelor este direct legată de caracteristica curent-tensiune. Ce este? Să luăm un circuit cu un curent electric constant și să luăm în considerare oricare dintre elementele sale: o lampă, o conductă de gaz, un conductor metalic, un balon cu electrolit etc.
Schimbând tensiunea U (denumită adesea V) furnizată elementului în cauză, vom urmări modificarea puterii curentului (I) care trece prin acesta. Ca rezultat, vom obține o dependență de forma I \u003d I (U), care se numește „caracteristica de tensiune a elementului” și este un indicator direct al acesteia.proprietăți electrice.
Caracteristica V/A poate arăta diferit pentru diferite elemente. Forma sa cea mai simplă este obținută luând în considerare un conductor metalic, lucru realizat de Georg Ohm (1789 - 1854).
Caracteristica Volt-amper este o relație liniară. Prin urmare, graficul său este o linie dreaptă.
Legea în forma sa cea mai simplă
Cercetările lui Ohm asupra caracteristicilor curent-tensiune ale conductorilor au arătat că puterea curentului în interiorul unui conductor metalic este proporțională cu diferența de potențial la capetele acestuia (I ~ U) și invers proporțională cu un anumit coeficient, adică I ~ 1/R. Acest coeficient a devenit cunoscut sub numele de „rezistența conductorului”, iar unitatea de măsură a rezistenței electrice a fost Ohm sau V/A.
Încă un lucru de remarcat. Legea lui Ohm este adesea folosită pentru a calcula rezistența în circuite.
Formularea legii
Legea lui Ohm spune că puterea curentului (I) a unei singure secțiuni a circuitului este proporțională cu tensiunea din această secțiune și invers proporțională cu rezistența acesteia.
De remarcat că în această formă legea rămâne valabilă doar pentru o secțiune omogenă a lanțului. Omogenă este acea parte a circuitului electric care nu conține o sursă de curent. Cum să utilizați legea lui Ohm într-un circuit neomogen va fi discutat mai jos.
Ulterior, s-a stabilit experimental că legea rămâne valabilă pentru soluțiielectroliți într-un circuit electric.
Semnificația fizică a rezistenței
Rezistența este o proprietate a materialelor, substanțelor sau mediilor de a preveni trecerea curentului electric. Cantitativ, o rezistență de 1 ohm înseamnă că într-un conductor cu o tensiune de 1 V la capete poate trece un curent electric de 1 A.
Rezistivitate electrică
Experimental, s-a constatat că rezistența curentului electric al conductorului depinde de dimensiunile acestuia: lungime, lățime, înălțime. Și, de asemenea, asupra formei sale (sferă, cilindru) și a materialului din care este realizat. Astfel, formula pentru rezistivitate, de exemplu, a unui conductor cilindric omogen va fi: R \u003d pl / S.
Dacă în această formulă punem s=1 m2 și l=1 m, atunci R va fi egal numeric cu p. De aici, se calculează unitatea de măsură pentru coeficientul de rezistivitate al conductorului în SI - acesta este Ohmm.
În formula rezistivității, p este coeficientul de rezistență determinat de proprietățile chimice ale materialului din care este realizat conductorul.
Pentru a lua în considerare forma diferențială a legii lui Ohm, trebuie să luăm în considerare încă câteva concepte.
Densitatea curentului
După cum știți, curentul electric este o mișcare strict ordonată a oricăror particule încărcate. De exemplu, în metale, purtătorii de curent sunt electronii, iar în gazele conducătoare, ionii.
Luați cazul banal când toți transportatorii actualiomogen – conductor metalic. Să evidențiem mental un volum infinit de mic în acest conductor și să notăm cu u viteza medie (derivare, ordonată) a electronilor în volumul dat. În plus, să fie n concentrația purtătorilor de curent pe unitate de volum.
Acum să desenăm o arie infinitezimală dS perpendiculară pe vectorul u și să construim de-a lungul vitezei un cilindru infinitezimal cu o înălțime udt, unde dt desemnează timpul în care vor trece toți purtătorii de viteză curent conținut în volumul considerat. prin zona dS.
În acest caz, sarcina egală cu q=neudSdt va fi transferată de electroni prin zonă, unde e este sarcina electronilor. Astfel, densitatea curentului electric este un vector j=neu, care denotă cantitatea de sarcină transferată pe unitatea de timp printr-o unitate de suprafață.
Unul dintre avantajele definiției diferențiale ale Legii lui Ohm este că deseori te poți descurca fără a calcula rezistența.
Încărcare electrică. Intensitatea câmpului electric
Intensitatea câmpului împreună cu sarcina electrică este un parametru fundamental în teoria electricității. În același timp, o idee cantitativă a acestora poate fi obținută din experimente simple disponibile elevilor.
Pentru simplitate, vom lua în considerare un câmp electrostatic. Acesta este un câmp electric care nu se modifică în timp. Un astfel de câmp poate fi creat de sarcini electrice staționare.
De asemenea, este necesară o taxă de testare pentru scopurile noastre. În capacitatea sa vom folosi un corp încărcat - atât de mic încât nu este capabil să provoaceorice perturbări (redistribuirea sarcinilor) în obiectele din jur.
Să considerăm pe rând două sarcini de test luate, plasate succesiv într-un punct din spațiu, care se află sub influența unui câmp electrostatic. Se pare că acuzațiile vor fi supuse unei influențe invariabile în timp din partea lui. Fie F1 și F2 să fie forțele care acționează asupra sarcinilor.
Ca urmare a generalizării datelor experimentale, s-a constatat că forțele F1 și F2 sunt direcționate fie într-una, fie în direcții opuse, iar raportul lor F1/F2 este independent de punctul din spațiu în care încărcăturile de testare au fost plasate alternativ. Prin urmare, raportul F1/F2 este o caracteristică a taxelor în sine și nu depinde de câmp.
Descoperirea acestui fapt a făcut posibilă caracterizarea electrizării corpurilor și ulterior a fost numită sarcină electrică. Astfel, prin definiție, se dovedește q1/q2=F1/F 2 , unde q1 și q2 - valoarea taxelor plasate într-un punct al câmpului și F 1 și F2 - forțe care acționează asupra încărcăturilor de pe marginea câmpului.
Din astfel de considerente, mărimile sarcinilor diferitelor particule au fost stabilite experimental. Prin stabilirea condiționată a uneia dintre taxele de testare egală cu una în raport, puteți calcula valoarea celeil alte taxe măsurând raportul F1/F2.
Orice câmp electric poate fi caracterizat printr-o sarcină cunoscută. Astfel, forța care acționează asupra unei sarcini unitare de testare în repaus se numește intensitatea câmpului electric și se notează cu E. Din definiția sarcinii, obținem că vectorul rezistență are următoarea formă: E=F/q.
Conexiunea vectorilor j și E. O altă formă a legii lui Ohm
Într-un conductor omogen, mișcarea ordonată a particulelor încărcate va avea loc în direcția vectorului E. Aceasta înseamnă că vectorii j și E vor fi co-direcționați. Ca și în determinarea densității curentului, selectăm un volum cilindric infinit mic în conductor. Apoi un curent egal cu jdS va trece prin secțiunea transversală a acestui cilindru, iar tensiunea aplicată cilindrului va fi egală cu Edl. Este cunoscută și formula pentru rezistivitatea unui cilindru.
Apoi, scriind formula pentru puterea curentului în două moduri, obținem: j=E/p, unde valoarea 1/p se numește conductivitate electrică și este inversul rezistivității electrice. Se notează de obicei σ (sigma) sau λ (lambda). Unitatea de unitate de conductivitate este Sm/m, unde Sm este Siemens. Unitatea inversă a Ohmului.
Astfel, putem răspunde la întrebarea pusă mai sus despre legea lui Ohm pentru un circuit neomogen. În acest caz, purtătorii de curent vor fi afectați de forța din câmpul electrostatic, care se caracterizează prin intensitatea E1, și de alte forțe care acționează asupra lor de la o altă sursă de curent, care poate fi desemnat E 2. Apoi s-a aplicat legea lui Ohmsecțiunea neomogenă a lanțului va arăta astfel: j=λ(E1 + E2).
Mai multe despre conductivitate și rezistență
Capacitatea unui conductor de a conduce un curent electric este caracterizată de rezistivitatea acestuia, care poate fi găsită prin formula de rezistivitate, sau conductivitate, calculată ca reciproca conductivității. Valoarea acestor parametri este determinată atât de proprietățile chimice ale materialului conductor, cât și de condițiile externe. În special, temperatura mediului ambiant.
Pentru majoritatea metalelor, rezistivitatea la temperatura normală este proporțională cu aceasta, adică p ~ T. Cu toate acestea, abaterile se observă la temperaturi scăzute. Pentru un număr mare de metale și aliaje la temperaturi apropiate de 0°K, calculul rezistenței a arătat valori zero. Acest fenomen se numește supraconductivitate. De exemplu, mercurul, staniul, plumbul, aluminiul etc. au această proprietate. Fiecare metal are propria sa temperatură critică Tk, la care se observă fenomenul de supraconductivitate.
De asemenea, rețineți că definiția rezistivității cilindrului poate fi generalizată la firele din același material. În acest caz, aria secțiunii transversale din formula de rezistivitate va fi egală cu secțiunea transversală a firului și l - lungimea acestuia.
