Ohms lag är den grundläggande lagen för elektriska kretsar. Samtidigt låter det oss förklara många naturfenomen. Till exempel kan man förstå varför elektriciteten inte "slår" fåglarna som sitter på ledningarna. För fysiken är Ohms lag extremt betydelsefull. Utan hans vetskap skulle det vara omöjligt att skapa stabila elektriska kretsar, annars skulle det inte finnas någon elektronik alls.
Dependence I=I(U) och dess värde
Historien för upptäckten av materialresistans är direkt relaterad till ström-spänningskarakteristiken. Vad det är? Låt oss ta en krets med konstant elektrisk ström och överväga något av dess element: en lampa, ett gasrör, en metallledare, en elektrolytkolv, etc.
Om du ändrar spänningen U (ofta kallad V) som tillförs elementet i fråga, kommer vi att spåra förändringen i styrkan hos strömmen (I) som passerar genom det. Som ett resultat kommer vi att få ett beroende av formen I \u003d I (U), som kallas "elementets spänningskarakteristik" och är en direkt indikator på desselektriska egenskaper.
V/A-egenskapen kan se olika ut för olika element. Dess enklaste form erhålls genom att betrakta en metallledare, vilket gjordes av Georg Ohm (1789 - 1854).
Volt-ampere karakteristik är ett linjärt samband. Därför är dess graf en rak linje.
Lagen i sin enklaste form
Ohms forskning om ström-spänningsegenskaper hos ledare visade att strömstyrkan inuti en metallledare är proportionell mot potentialskillnaden vid dess ändar (I ~ U) och omvänt proportionell mot en viss koefficient, det vill säga I ~ 1/R. Denna koefficient blev känd som "ledarresistans", och måttenheten för elektrisk resistans var Ohm eller V/A.
En sak till att notera. Ohms lag används ofta för att beräkna resistans i kretsar.
lagsformulering
Ohms lag säger att strömstyrkan (I) för en enskild sektion av kretsen är proportionell mot spänningen i denna sektion och omvänt proportionell mot dess resistans.
Det bör noteras att i denna form gäller lagen endast för en homogen del av kedjan. Homogen är den del av den elektriska kretsen som inte innehåller en strömkälla. Hur man använder Ohms lag i en inhomogen krets kommer att diskuteras nedan.
Senare fastställdes det experimentellt att lagen fortfarande gäller för lösningarelektrolyter i en elektrisk krets.
Fysisk betydelse av motstånd
Beständighet är en egenskap hos material, ämnen eller media för att förhindra att elektrisk ström passerar. Kvantitativt betyder ett motstånd på 1 ohm att i en ledare med en spänning på 1 V i sina ändar kan en elektrisk ström på 1 A passera
Elektrisk resistivitet
Experimentellt fann man att motståndet hos ledarens elektriska ström beror på dess dimensioner: längd, bredd, höjd. Och även på dess form (sfär, cylinder) och materialet från vilket den är gjord. Således kommer formeln för resistivitet, till exempel, för en homogen cylindrisk ledare att vara: R \u003d pl / S.
Om vi i denna formel sätter s=1 m2 och l=1 m, så kommer R att vara numeriskt lika med p. Härifrån beräknas måttenheten för resistivitetskoefficienten för ledaren i SI - detta är Ohmm.
I resistivitetsformeln är p motståndskoefficienten som bestäms av de kemiska egenskaperna hos materialet som ledaren är gjord av.
För att överväga den differentiella formen av Ohms lag måste vi överväga några fler begrepp.
Strömdensitet
Som du vet är elektrisk ström en strikt beordrad rörelse av laddade partiklar. Till exempel i metaller är strömbärare elektroner och i ledande gaser joner.
Ta det triviala fallet när alla nuvarande operatörerhomogen - metallledare. Låt oss ment alt peka ut en oändligt liten volym i denna ledare och beteckna med u medelhastigheten (drift, ordnad) elektroner i den givna volymen. Låt vidare n beteckna koncentrationen av strömbärare per volymenhet.
Låt oss nu rita en infinitesimal area dS vinkelrätt mot vektorn u och konstruera längs hastigheten en infinitesimal cylinder med en höjd udt, där dt anger tiden under vilken alla aktuella hastighetsbärare som ingår i den betraktade volymen kommer att passera genom området dS.
I det här fallet kommer laddningen lika med q=neudSdt att överföras av elektroner genom området, där e är elektronladdningen. Den elektriska strömtätheten är således en vektor j=neu, som anger mängden laddning som överförs per tidsenhet genom en enhetsarea.
En av fördelarna med Ohms lags differentialdefinition är att du ofta klarar dig utan att beräkna motståndet.
Elektrisk laddning. Elektrisk fältstyrka
Fältstyrka tillsammans med elektrisk laddning är en grundläggande parameter i teorin om elektricitet. Samtidigt kan en kvantitativ uppfattning om dem erhållas från enkla experiment som är tillgängliga för skolbarn.
För enkelhetens skull kommer vi att överväga ett elektrostatiskt fält. Detta är ett elektriskt fält som inte förändras med tiden. Ett sådant fält kan skapas av stationära elektriska laddningar.
Det krävs också en testavgift för våra ändamål. I sin egenskap kommer vi att använda en laddad kropp - så liten att den inte är kapabel att orsakaeventuella störningar (omfördelning av avgifter) i de omgivande objekten.
Låt oss i sin tur betrakta två testladdningar som tagits, successivt placerade vid en punkt i rymden, som är under påverkan av ett elektrostatiskt fält. Det visar sig att anklagelserna kommer att utsättas för tidsinvariant inflytande från hans sida. Låt F1 och F2 vara de krafter som verkar på anklagelserna.
Som ett resultat av generaliseringen av experimentella data fann man att krafterna F1 och F2 är riktade antingen i en eller i motsatta riktningar, och deras förhållande F1/F2 är oberoende av den punkt i rymden där testladdningarna placerades omväxlande. Därför är förhållandet F1/F2 en egenskap för själva avgifterna och beror inte på fältet.
Upptäckten av detta faktum gjorde det möjligt att karakterisera elektriseringen av kroppar och kallades senare elektrisk laddning. Per definition visar det sig alltså q1/q2=F1/F 2 , där q1 och q2 - mängden debiteringar som placerats på en punkt i fältet, och F 1 och F2 - krafter som agerar på laddningar från sidan av fältet.
Från sådana överväganden fastställdes storleken på laddningarna av olika partiklar experimentellt. Genom att villkorligt ställa in en av testladdningarna lika med en i förhållandet, kan du beräkna värdet på den andra laddningen genom att mäta förhållandet F1/F2.
Vilket elektriskt fält som helst kan karakteriseras genom en känd laddning. Sålunda kallas kraften som verkar på en enhetstestladdning i vila den elektriska fältstyrkan och betecknas med E. Från definitionen av laddningen får vi att styrkevektorn har följande form: E=F/q.
Anslutning av vektorer j och E. En annan form av Ohms lag
I en homogen ledare kommer den ordnade rörelsen av laddade partiklar att ske i riktning mot vektorn E. Detta innebär att vektorerna j och E kommer att vara samriktade. Som vid bestämning av strömtätheten väljer vi en oändligt liten cylindrisk volym i ledaren. Då kommer en ström lika med jdS att passera genom tvärsnittet av denna cylinder, och spänningen som appliceras på cylindern kommer att vara lika med Edl. Formeln för resistiviteten hos en cylinder är också känd.
När vi sedan skriver formeln för strömstyrkan på två sätt, får vi: j=E/p, där värdet 1/p kallas elektrisk ledningsförmåga och är inversen av elektrisk resistivitet. Det betecknas vanligtvis σ (sigma) eller λ (lambda). Enheten för konduktivitet är Sm/m, där Sm är Siemens. Enhet invers av Ohm.
Därmed kan vi svara på frågan ovan om Ohms lag för en inhomogen krets. I detta fall kommer strömbärarna att påverkas av kraften från det elektrostatiska fältet, som kännetecknas av intensiteten E1, och andra krafter som verkar på dem från en annan strömkälla, som kan vara betecknad E 2. Då gällde Ohms laginhomogen sektion av kedjan kommer att se ut så här: j=λ(E1 + E2).
Mer om ledningsförmåga och motstånd
Förmågan hos en ledare att leda en elektrisk ström kännetecknas av dess resistivitet, som kan hittas genom resistivitetsformeln, eller ledningsförmågan, beräknad som den reciproka konduktiviteten. Värdet på dessa parametrar bestäms både av ledarmaterialets kemiska egenskaper och av yttre förhållanden. Särskilt den omgivande temperaturen.
För de flesta metaller är resistiviteten vid normal temperatur proportionell mot den, det vill säga p ~ T. Däremot observeras avvikelser vid låga temperaturer. För ett stort antal metaller och legeringar vid temperaturer nära 0°K visade resistansberäkningen nollvärden. Detta fenomen kallas supraledning. Till exempel har kvicksilver, tenn, bly, aluminium, etc. denna egenskap. Varje metall har sin egen kritiska temperatur Tk, vid vilken fenomenet supraledning observeras.
Observera att definitionen av cylinderresistivitet kan generaliseras till ledningar gjorda av samma material. I det här fallet kommer tvärsnittsarean från resistivitetsformeln att vara lika med trådens tvärsnitt och l - dess längd.
