La llei d'Ohm és la llei bàsica dels circuits elèctrics. Al mateix temps, ens permet explicar molts fenòmens naturals. Per exemple, es pot entendre per què l'electricitat no "bat" els ocells que s'asseuen als cables. Per a la física, la llei d'Ohm és extremadament significativa. Sense el seu coneixement, seria impossible crear circuits elèctrics estables o no hi hauria electrònica en absolut.
Dependència I=I(U) i el seu valor
La història del descobriment de la resistència dels materials està directament relacionada amb la característica corrent-tensió. Què és això? Prenem un circuit amb un corrent elèctric constant i considerem qualsevol dels seus elements: una làmpada, una canonada de gas, un conductor metàl·lic, un matràs d'electròlit, etc.
Canviant la tensió U (sovint anomenada V) subministrada a l'element en qüestió, farem un seguiment del canvi en la força del corrent (I) que el travessa. Com a resultat, obtindrem una dependència de la forma I \u003d I (U), que s'anomena "característica de voltatge de l'element" i és un indicador directe de la sevapropietats elèctriques.
La característica V/A pot semblar diferent per a diferents elements. La seva forma més simple s'obté considerant un conductor metàl·lic, fet per Georg Ohm (1789 - 1854).
La característica Volt-amper és una relació lineal. Per tant, el seu gràfic és una línia recta.
La llei en la seva forma més simple
La investigació d'Ohm sobre les característiques de corrent-tensió dels conductors va demostrar que la força del corrent dins d'un conductor metàl·lic és proporcional a la diferència de potencial als seus extrems (I ~ U) i inversament proporcional a un determinat coeficient, és a dir, I ~ 1/R. Aquest coeficient es va conèixer com a "resistència del conductor" i la unitat de mesura de la resistència elèctrica era Ohm o V/A.
Una cosa més a tenir en compte. La llei d'Ohm s'utilitza sovint per calcular la resistència en circuits.
Escriptura de la llei
La llei d'Ohm diu que la intensitat del corrent (I) d'una secció única del circuit és proporcional a la tensió d'aquesta secció i inversament proporcional a la seva resistència.
S'ha de tenir en compte que, en aquesta forma, la llei segueix sent certa només per a un tram homogeni de la cadena. Homogeni és aquella part del circuit elèctric que no conté una font de corrent. A continuació s'explicarà com utilitzar la llei d'Ohm en un circuit no homogeni.
Més tard, es va establir experimentalment que la llei continua sent vàlida per a les solucionselectròlits en un circuit elèctric.
Significat físic de la resistència
La resistència és una propietat dels materials, substàncies o mitjans per evitar el pas del corrent elèctric. Quantitativament, una resistència d'1 ohm significa que en un conductor amb una tensió d'1 V als seus extrems pot passar un corrent elèctric d'1 A.
Resistivitat elèctrica
Experimentalment, es va trobar que la resistència del corrent elèctric del conductor depèn de les seves dimensions: llargada, amplada, alçada. I també sobre la seva forma (esfera, cilindre) i el material del qual està feta. Així, la fórmula de la resistivitat, per exemple, d'un conductor cilíndric homogeni serà: R \u003d pl / S.
Si en aquesta fórmula posem s=1 m2 i l=1 m, aleshores R serà numèricament igual a p. A partir d'aquí, es calcula la unitat de mesura del coeficient de resistivitat del conductor al SI: és Ohmm.
A la fórmula de la resistivitat, p és el coeficient de resistència determinat per les propietats químiques del material del qual està fet el conductor.
Per considerar la forma diferencial de la llei d'Ohm, hem de considerar alguns conceptes més.
Densitat de corrent
Com sabeu, el corrent elèctric és un moviment estrictament ordenat de qualsevol partícula carregada. Per exemple, en els metalls, els portadors de corrent són els electrons, i en els gasos conductors, els ions.
Preneu el cas trivial quan tots els operadors actualshomogeni - conductor metàl·lic. Identifiquem mentalment un volum infinitament petit en aquest conductor i denotem amb u la velocitat mitjana (deriva, ordenada) dels electrons en el volum donat. A més, siga n la concentració de portadors de corrent per unitat de volum.
Ara dibuixem una àrea infinitesimal dS perpendicular al vector u i construïm al llarg de la velocitat un cilindre infinitesimal amb una alçada udt, on dt denota el temps durant el qual passaran tots els portadors de velocitat actuals continguts en el volum considerat. per l'àrea dS.
En aquest cas, la càrrega igual a q=neudSdt serà transferida pels electrons a través de l'àrea, on e és la càrrega de l'electró. Així, la densitat de corrent elèctric és un vector j=neu, que denota la quantitat de càrrega transferida per unitat de temps a través d'una unitat d'àrea.
Un dels avantatges de la definició diferencial de la Llei d'Ohm és que sovint us podeu sortir sense calcular la resistència.
Càrrega elèctrica. Intensitat del camp elèctric
La força del camp juntament amb la càrrega elèctrica és un paràmetre fonamental en la teoria de l'electricitat. Al mateix temps, es pot obtenir una idea quantitativa d'ells a partir d'experiments senzills disponibles per als escolars.
Per simplificar, considerarem un camp electrostàtic. Aquest és un camp elèctric que no canvia amb el temps. Aquest camp es pot crear mitjançant càrregues elèctriques estacionàries.
A més, cal un càrrec de prova per als nostres propòsits. En la seva capacitat utilitzarem un cos carregat, tan petit que no és capaç de provocarqualsevol pertorbació (redistribució de càrregues) als objectes circumdants.
Considerem al seu torn dues càrregues de prova preses, col·locades successivament en un punt de l'espai, que es troba sota la influència d'un camp electrostàtic. Resulta que els càrrecs estaran sotmesos a una influència invariable en el temps per part seva. Sigui F1 i F2 les forces que actuen sobre les càrregues.
Com a resultat de la generalització de les dades experimentals, es va trobar que les forces F1 i F2 es dirigeixen en una o en direccions oposades, i la seva relació F1/F2 és independent del punt de l'espai on es van col·locar alternativament les càrregues de prova. Per tant, la proporció F1/F2 és una característica dels mateixos càrrecs i no depèn del camp.
El descobriment d'aquest fet va permetre caracteritzar l'electrització dels cossos i més tard es va anomenar càrrega elèctrica. Així, per definició, resulta q1/q2=F1/F 2 , on q1 i q2 - la quantitat de càrrecs col·locats en un punt del camp, i F 1 i F2: forces que actuen sobre càrregues des del costat del camp.
A partir d'aquestes consideracions, es van establir experimentalment les magnituds de les càrregues de diverses partícules. En establir condicionalment un dels càrrecs de prova igual a un a la relació, podeu calcular el valor de l' altre càrrec mesurant la relació F1/F2.
Qualsevol camp elèctric es pot caracteritzar mitjançant una càrrega coneguda. Així, la força que actua sobre una càrrega de prova unitat en repòs s'anomena intensitat del camp elèctric i s'indica amb E. A partir de la definició de la càrrega, obtenim que el vector força té la forma següent: E=F/q.
Connexió dels vectors j i E. Una altra forma de la llei d'Ohm
En un conductor homogeni, el moviment ordenat de les partícules carregades es produirà en la direcció del vector E. Això vol dir que els vectors j i E seran co-dirigits. Com per determinar la densitat de corrent, seleccionem un volum cilíndric infinitament petit al conductor. Aleshores un corrent igual a jdS passarà per la secció transversal d'aquest cilindre, i la tensió aplicada al cilindre serà igual a Edl. També es coneix la fórmula de la resistivitat d'un cilindre.
Llavors, escrivint la fórmula de la intensitat del corrent de dues maneres, obtenim: j=E/p, on el valor 1/p s'anomena conductivitat elèctrica i és la inversa de la resistivitat elèctrica. Normalment es denota σ (sigma) o λ (lambda). La unitat de conductivitat és Sm/m, on Sm és Siemens. Unitat inversa d'ohm.
Així, podem respondre la pregunta anterior sobre la llei d'Ohm per a un circuit no homogeni. En aquest cas, els portadors de corrent es veuran afectats per la força del camp electrostàtic, que es caracteritza per la intensitat E1, i altres forces que actuen sobre ells des d'una altra font de corrent, que poden ser designat E 2. Aleshores s'aplicava la llei d'Ohmla secció no homogènia de la cadena semblarà: j=λ(E1 + E2).
Més sobre la conductivitat i la resistència
La capacitat d'un conductor de conduir un corrent elèctric es caracteritza per la seva resistivitat, que es pot trobar mitjançant la fórmula de la resistivitat, o conductivitat, calculada com el recíproc de la conductivitat. El valor d'aquests paràmetres està determinat tant per les propietats químiques del material conductor com per les condicions externes. En particular, la temperatura ambient.
Per a la majoria dels metalls, la resistivitat a temperatura normal és proporcional a aquesta, és a dir, p ~ T. Tanmateix, s'observen desviacions a temperatures baixes. Per a un gran nombre de metalls i aliatges a temperatures properes als 0 °K, el càlcul de la resistència va mostrar valors zero. Aquest fenomen s'anomena superconductivitat. Per exemple, el mercuri, l'estany, el plom, l'alumini, etc. tenen aquesta propietat. Cada metall té la seva pròpia temperatura crítica Tk, a la qual s'observa el fenomen de la superconductivitat.
Tingueu en compte també que la definició de resistivitat del cilindre es pot generalitzar a cables fets del mateix material. En aquest cas, l'àrea de la secció transversal de la fórmula de la resistivitat serà igual a la secció transversal del cable i l - la seva longitud.
