Ohmov zakon je osnovni zakon električnih vezij. Hkrati nam omogoča razlago številnih naravnih pojavov. Na primer, lahko razumemo, zakaj elektrika ne "premaga" ptic, ki sedijo na žicah. Za fiziko je Ohmov zakon izjemno pomemben. Brez njegove vednosti bi bilo nemogoče ustvariti stabilna električna vezja ali pa sploh ne bi bilo elektronike.
Odvisnost I=I(U) in njena vrednost
Zgodovina odkritja upornosti materialov je neposredno povezana s tokovno-napetostno karakteristiko. kaj je to? Vzemimo vezje s stalnim električnim tokom in upoštevajmo katerega koli od njegovih elementov: svetilko, plinsko cev, kovinski prevodnik, bučko z elektrolitom itd.
Spreminjamo napetost U (pogosto imenovano V), ki jo dovaja zadevni element, bomo sledili spremembi jakosti toka (I), ki teče skozenj. Kot rezultat bomo dobili odvisnost oblike I \u003d I (U), ki se imenuje "napetostna značilnost elementa" in je neposreden pokazatelj njegovegaelektrične lastnosti.
V/A značilnost je lahko za različne elemente videti drugače. Njegovo najpreprostejšo obliko dobimo z upoštevanjem kovinskega prevodnika, ki ga je naredil Georg Ohm (1789 - 1854).
Volt-amperska karakteristika je linearna zveza. Zato je njegov graf ravna črta.
Zakon v najpreprostejši obliki
Ohmova raziskava o tokovno-napetostnih značilnostih prevodnikov je pokazala, da je tokovna moč znotraj kovinskega prevodnika sorazmerna potencialni razliki na njegovih koncih (I ~ U) in obratno sorazmerna določenemu koeficientu, to je I ~ 1/R. Ta koeficient je postal znan kot "upornost prevodnika", merska enota električnega upora pa je bila Ohm ali V/A.
Opozoriti je treba še na eno stvar. Ohmov zakon se pogosto uporablja za izračun upora v tokokrogih.
besedilo zakona
Ohmov zakon pravi, da je jakost toka (I) posameznega odseka vezja sorazmerna napetosti v tem delu in obratno sorazmerna njegovi upornosti.
Opozoriti je treba, da v tej obliki zakon velja le za homogen odsek verige. Homogen je tisti del električnega tokokroga, ki ne vsebuje vira toka. Kako uporabiti Ohmov zakon v nehomogenem vezju, bomo obravnavali spodaj.
Pozneje je bilo eksperimentalno ugotovljeno, da zakon še vedno velja za rešitveelektroliti v električnem krogu.
Fizični pomen upora
Odpornost je lastnost materialov, snovi ali medijev, ki preprečujejo prehod električnega toka. Kvantitativno upor 1 ohm pomeni, da lahko v prevodniku z napetostjo 1 V na koncih teče električni tok 1 A.
Električna upornost
Poskusno je bilo ugotovljeno, da je upor električnega toka prevodnika odvisen od njegovih dimenzij: dolžine, širine, višine. In tudi na njegovo obliko (krogla, valj) in material, iz katerega je izdelan. Tako bo formula za upornost, na primer, homogenega valjastega prevodnika: R \u003d pl / S.
Če v tej formuli damo s=1 m2 in l=1 m, bo R številčno enak p. Od tu se izračuna merska enota za koeficient upornosti prevodnika v SI - to je Ohmm.
V formuli za upornost je p uporni koeficient, določen s kemičnimi lastnostmi materiala, iz katerega je izdelan prevodnik.
Da bi upoštevali diferencialno obliko Ohmovega zakona, moramo upoštevati še nekaj konceptov.
Trenutna gostota
Kot veste, je električni tok strogo urejeno gibanje kakršnih koli nabitih delcev. Na primer, v kovinah so nosilci toka elektroni, v prevodnih plinih pa ioni.
Vzemite trivialni primer, ko so vsi trenutni operaterjihomogen - kovinski prevodnik. V tem prevodniku miselno izpostavimo neskončno majhen volumen in označimo z u povprečno (drift, urejeno) hitrost elektronov v danem volumnu. Nadalje naj n označuje koncentracijo tokovnih nosilcev na enoto prostornine.
Sedaj narišemo neskončno malo površino dS pravokotno na vektor u in vzdolž hitrosti konstruiramo neskončno mali valj z višino udt, kjer dt označuje čas, v katerem bodo minili vsi trenutni nosilci hitrosti v obravnavanem volumnu skozi območje dS.
V tem primeru bodo elektroni prenesli naboj, enak q=neudSdt, skozi območje, kjer je e naboj elektrona. Tako je gostota električnega toka vektor j=neu, ki označuje količino naboja, prenesenega na enoto časa skozi enoto površine.
Ena od prednosti diferencialne definicije Ohmovega zakona je, da se lahko pogosto znebite brez izračuna upora.
Električno polnjenje. Jakost električnega polja
Moč polja skupaj z električnim nabojem je temeljni parameter v teoriji elektrike. Hkrati je mogoče pridobiti kvantitativno predstavo o njih iz preprostih poskusov, ki so na voljo šolarjem.
Za preprostost bomo upoštevali elektrostatično polje. To je električno polje, ki se s časom ne spreminja. Takšno polje lahko ustvarijo stacionarni električni naboji.
Za naše namene je potrebna tudi preizkusna cena. V svoji zmogljivosti bomo uporabili nabito telo - tako majhno, da ga ne more povzročitikakršne koli motnje (prerazporeditev nabojev) v okoliških predmetih.
Pomenimo dva vzeta testna naboja, ki sta zaporedoma postavljena na eno točko v prostoru, ki je pod vplivom elektrostatičnega polja. Izkazalo se je, da bodo obtožbe podvržene časovno nespremenljivemu vplivu z njegove strani. Naj bosta F1 in F2 sile, ki delujejo na naboje.
Kot rezultat posploševanja eksperimentalnih podatkov je bilo ugotovljeno, da sta sili F1 in F2 usmerjeni bodisi v eno oz. v nasprotnih smereh in njihovo razmerje F1/F2 je neodvisno od točke v prostoru, kjer so bili izmenično nameščeni preskusni naboji. Zato je razmerje F1/F2 značilnost samih dajatev in ni odvisno od polja.
Odkritje tega dejstva je omogočilo karakterizacijo elektrizacije teles in je bilo kasneje imenovano električni naboj. Tako se po definiciji izkaže q1/q2=F1/F 2 , kjer je q1 in q2 - znesek bremenitve na eni točki polja, in F 1 in F2 - sile, ki delujejo na naboje s strani polja.
Iz takih premislekov so bile eksperimentalno določene velikosti nabojev različnih delcev. S pogojno nastavitvijo enega od testnih nabojev enakega eni v razmerju, lahko izračunate vrednost drugega naboja z merjenjem razmerja F1/F2.
Vsako električno polje je mogoče opisati z znanim nabojem. Tako se sila, ki deluje na enotni preskusni naboj v mirovanju, imenuje jakost električnega polja in je označena z E. Iz definicije naboja dobimo, da ima vektor jakosti naslednjo obliko: E=F/q.
Povezava vektorjev j in E. Druga oblika Ohmovega zakona
V homogenem prevodniku bo urejeno gibanje nabitih delcev potekalo v smeri vektorja E. To pomeni, da bosta vektorja j in E sousmerjena. Tako kot pri določanju gostote toka izberemo v prevodniku neskončno majhen valjast volumen. Potem bo skozi prerez tega valja prešel tok, enak jdS, in napetost, ki se uporablja na valj, bo enaka Edl. Znana je tudi formula za upornost valja.
Potem, če zapišemo formulo za jakost toka na dva načina, dobimo: j=E/p, kjer se vrednost 1/p imenuje električna prevodnost in je obratna električna upornost. Običajno se označuje kot σ (sigma) ali λ (lambda). Enota prevodnosti je Sm/m, kjer je Sm Siemens. Inverzna enota oma.
Tako lahko odgovorimo na zgoraj zastavljeno vprašanje o Ohmovem zakonu za nehomogeno vezje. V tem primeru bo na nosilce toka vplivala sila iz elektrostatičnega polja, za katero je značilna jakost E1, in druge sile, ki nanje delujejo iz drugega vira toka, ki se lahko označeno z E 2. Potem je veljal Ohmov zakonnehomogen odsek verige bo videti takole: j=λ(E1 + E2).
Več o prevodnosti in upornosti
Zmožnost prevodnika, da prevaja električni tok, je značilna njegova upornost, ki jo lahko najdemo s formulo upornosti ali prevodnosti, izračunano kot recipročna prevodnost. Vrednost teh parametrov je določena tako s kemičnimi lastnostmi prevodnega materiala kot z zunanjimi pogoji. Zlasti temperatura okolice.
Pri večini kovin je upornost pri normalni temperaturi sorazmerna z njo, to je p ~ T. Pri nizkih temperaturah pa opazimo odstopanja. Za veliko število kovin in zlitin pri temperaturah blizu 0°K je izračun upornosti pokazal ničelne vrednosti. Ta pojav se imenuje superprevodnost. To lastnost imajo na primer živo srebro, kositer, svinec, aluminij itd. Vsaka kovina ima svojo kritično temperaturo Tk, pri kateri opazimo pojav superprevodnosti.
Upoštevajte tudi, da je definicijo upornosti cilindra mogoče posplošiti na žice iz istega materiala. V tem primeru bo površina preseka iz formule upornosti enaka preseku žice, l pa njeni dolžini.
