Az Ohm törvénye az elektromos áramkörök alaptörvénye. Ugyanakkor sok természeti jelenség magyarázatát teszi lehetővé. Például meg lehet érteni, hogy az elektromosság miért nem "veri meg" a vezetékeken ülő madarakat. A fizika szempontjából Ohm törvénye rendkívül jelentős. Az ő tudta nélkül lehetetlen lenne stabil elektromos áramköröket létrehozni, vagy egyáltalán nem lenne elektronika.
I függőség=I(U) és értéke
Az anyagok ellenállásának felfedezésének története közvetlenül kapcsolódik az áram-feszültség karakterisztikához. Ami? Vegyünk egy állandó elektromos áramú áramkört, és vegyük figyelembe annak bármely elemét: lámpa, gázcső, fémvezető, elektrolitpalack stb.
A szóban forgó elemre szolgáltatott U feszültség (gyakran V-nek nevezett) változtatásával nyomon követjük a rajta áthaladó áram (I) erősségének változását. Ennek eredményeként megkapjuk az I \u003d I (U) formájú függőséget, amelyet "az elem feszültségjellemzőjének" neveznek, és ez az elem közvetlen mutatója.elektromos tulajdonságok.
A V/A jellemző eltérően nézhet ki a különböző elemeknél. A legegyszerűbb formáját egy fémvezető figyelembevételével kapjuk meg, amelyet Georg Ohm (1789-1854) készített.
Volt-amper karakterisztika lineáris összefüggés. Ezért a grafikonja egy egyenes.
A törvény a legegyszerűbb formájában
Ohm kutatása a vezetők áram-feszültség jellemzőiről kimutatta, hogy a fémvezető belsejében az áramerősség arányos a végének potenciálkülönbségével (I ~ U), és fordítottan arányos egy bizonyos együtthatóval, azaz I ~ 1/R. Ez az együttható „vezető ellenállás” néven vált ismertté, és az elektromos ellenállás mértékegysége Ohm vagy V/A.
Még egy dolog, amit érdemes megjegyezni. Az Ohm törvényét gyakran használják az áramkörök ellenállásának kiszámítására.
Jogi megfogalmazás
Ohm törvénye szerint az áramkör egyetlen szakaszának áramerőssége (I) arányos az ebben a szakaszban lévő feszültséggel, és fordítottan arányos az ellenállásával.
Megjegyzendő, hogy ebben a formában a törvény csak a lánc egy homogén szakaszára érvényes. Homogén az elektromos áramkör azon része, amely nem tartalmaz áramforrást. Az alábbiakban azt tárgyaljuk, hogyan használjuk Ohm törvényét inhomogén áramkörben.
Később kísérletileg megállapították, hogy a törvény a megoldásokra továbbra is érvényeselektrolitok az elektromos áramkörben.
Az ellenállás fizikai jelentése
Az ellenállás az anyagok, anyagok vagy közegek olyan tulajdonsága, amely megakadályozza az elektromos áram áthaladását. Mennyiségileg az 1 ohmos ellenállás azt jelenti, hogy egy 1 V feszültségű vezetőben 1 A áram tud áthaladni.
Elektromos ellenállás
Kísérletileg azt találták, hogy a vezető elektromos áramának ellenállása a méreteitől függ: hosszúság, szélesség, magasság. És a formája (gömb, henger) és az anyag, amelyből készült. Így például egy homogén hengeres vezető ellenállásának képlete a következő lesz: R \u003d pl / S.
Ha ebben a képletben s=1 m2 és l=1 m, akkor R numerikusan egyenlő p-vel. Innen számítják ki a vezető ellenállási együtthatójának mértékegységét SI-ben - ez Ohmm.
Az ellenállási képletben p az ellenállási együttható, amelyet annak az anyagnak a kémiai tulajdonságai határoznak meg, amelyből a vezető készült.
Az Ohm-törvény differenciális formájának figyelembevételéhez még néhány fogalmat kell figyelembe vennünk.
Áramsűrűség
Mint Ön is tudja, az elektromos áram a töltött részecskék szigorúan meghatározott mozgása. Például a fémekben az áramhordozók az elektronok, a vezető gázokban pedig az ionok.
Vegyük azt a triviális esetet, amikor az összes jelenlegi szolgáltatóhomogén - fém vezető. Ebben a vezetőben fejtsünk ki egy végtelenül kis térfogatot, és jelöljük u-val az elektronok átlagos (sodródás, rendezett) sebességét az adott térfogatban. Továbbá jelölje n az áramhordozók térfogategységenkénti koncentrációját.
Most rajzoljunk egy dS végtelen kicsiny területet merőlegesen az u vektorra, és a sebesség mentén készítsünk egy végtelenül kicsi hengert udt magassággal, ahol dt azt az időt jelöli, amely alatt a vizsgált térfogatban lévő összes aktuális sebességhordozó áthalad. a dS területen keresztül.
Ebben az esetben a q=neudSdt töltést az elektronok továbbítják a területen, ahol e az elektrontöltés. Így az elektromos áramsűrűség egy j=neu vektor, amely az egységnyi területen keresztül egységnyi idő alatt átvitt töltés mennyiségét jelöli.
Az Ohm-törvény differenciálmeghatározásának egyik előnye, hogy gyakran meg lehet boldogulni az ellenállás kiszámítása nélkül.
Elektromos töltés. Elektromos térerősség
A térerősség az elektromos töltéssel együtt alapvető paraméter az elektromosság elméletében. Ugyanakkor az iskolások számára elérhető egyszerű kísérletekből kvantitatív képet kaphatunk róluk.
Az egyszerűség kedvéért egy elektrosztatikus mezőt veszünk figyelembe. Ez egy elektromos mező, amely nem változik az idő múlásával. Ilyen mező stacionárius elektromos töltésekkel hozható létre.
Célunkhoz teszttöltésre is szükség van. Ennek kapacitásában egy feltöltött testet fogunk használni - olyan kicsi, hogy nem képes okoznibármilyen zavar (a töltések újraeloszlása) a környező objektumokban.
Vegyünk sorra két teszttöltést, amelyeket egymás után helyezünk el a tér egy pontjában, amely elektrosztatikus tér hatása alatt áll. Kiderül, hogy a vádak időinvariáns befolyásnak lesznek kitéve a részéről. Legyenek F1 és F2 a töltésekre ható erők.
A kísérleti adatok általánosítása eredményeként kiderült, hogy az F1 és F2 erők vagy egyben, ill. ellentétes irányban, és ezek aránya az F1/F2 független a tér azon pontjától, ahol a teszttöltések váltakozva helyezkedtek el. Ezért az F1/F2 arány maguknak a töltéseknek a jellemzője, és nem függ a mezőtől.
Ennek a ténynek a felfedezése lehetővé tette a testek villamosításának jellemzését, és később elektromos töltésnek nevezték. Így definíció szerint q1/q2=F1/F 2 , ahol q1 és q2 - a mező egy pontján elhelyezett díjak összege, és F 1 és F2 - a mező oldaláról érkező töltésekre ható erők.
Ilyen megfontolások alapján kísérletileg megállapították a különböző részecskék töltéseinek nagyságát. Ha feltételesen beállítja az egyik teszttöltést eggyel az arányban, akkor a másik töltés értékét az F1/F2 arány mérésével számíthatja ki..
Bármely elektromos mező jellemezhető ismert töltés segítségével. Így az egységnyi próbatöltésre nyugalmi állapotban ható erőt elektromos térerősségnek nevezzük, és E-vel jelöljük. A töltés definíciójából azt kapjuk, hogy az erővektor a következő alakú: E=F/q.
J és E vektorok kapcsolata. Az Ohm-törvény másik formája
Egy homogén vezetőben a töltött részecskék rendezett mozgása az E vektor irányában történik. Ez azt jelenti, hogy a j és E vektorok együtt lesznek irányítva. Mint az áramsűrűség meghatározásánál, a vezetőben végtelenül kicsi hengeres térfogatot választunk. Ekkor a henger keresztmetszetén jdS-nek megfelelő áram fog áthaladni, és a hengerre adott feszültség egyenlő lesz Edl-lel. A henger ellenállásának képlete is ismert.
Ezután az áramerősség képletét kétféleképpen felírva a következőt kapjuk: j=E/p, ahol az 1/p értéket elektromos vezetőképességnek nevezzük, és az elektromos ellenállás fordítottja. Jelölése általában σ (szigma) vagy λ (lambda). A vezetőképesség mértékegysége Sm/m, ahol Sm a Siemens. Mértékegysége az Ohm inverze.
Így meg tudjuk válaszolni a fent feltett kérdést az Ohm-törvényről egy inhomogén áramkörre. Ebben az esetben az áramhordozókra hatással lesz az E1 intenzitással jellemezhető elektrosztatikus mezőből származó erő, valamint más áramforrásból rájuk ható egyéb erők, amelyek jelölt E 2. Ekkor az Ohm-törvény érvényesülta lánc inhomogén szakasza így fog kinézni: j=λ(E1 + E2).
További információ a vezetőképességről és az ellenállásról
A vezető elektromos áram vezetésére való képességét az ellenállása jellemzi, amely a fajlagos ellenállás képlettel vagy a vezetőképesség reciprokaként számolt vezetőképességgel határozható meg. Ezen paraméterek értékét a vezető anyagának kémiai tulajdonságai és a külső körülmények egyaránt meghatározzák. Különösen a környezeti hőmérséklet.
A legtöbb fém esetében az ellenállás normál hőmérsékleten arányos vele, azaz p ~ T. Alacsony hőmérsékleten azonban eltérések figyelhetők meg. Nagyszámú fém és ötvözet esetében 0°K-hoz közeli hőmérsékleten az ellenállás-számítás nulla értékeket mutatott. Ezt a jelenséget szupravezetésnek nevezzük. Például a higany, ón, ólom, alumínium stb. rendelkezik ezzel a tulajdonsággal. Minden fémnek megvan a maga kritikus hőmérséklete Tk, amelynél megfigyelhető a szupravezetés jelensége.
Ne feledje, hogy a henger-ellenállás meghatározása általánosítható ugyanabból az anyagból készült vezetékekre. Ebben az esetben az ellenállási képlet keresztmetszete megegyezik a vezeték keresztmetszetével, és l - a hosszával.
