Ohms lov er den grundlæggende lov for elektriske kredsløb. Samtidig giver det os mulighed for at forklare mange naturfænomener. For eksempel kan man forstå, hvorfor elektricitet ikke "slår" de fugle, der sidder på ledningerne. For fysik er Ohms lov ekstremt betydningsfuld. Uden hans viden ville det være umuligt at skabe stabile elektriske kredsløb, ellers ville der slet ikke være nogen elektronik.
Afhængighed I=I(U) og dens værdi
Historien om opdagelsen af materialers modstand er direkte relateret til strøm-spændingskarakteristikken. Hvad er det? Lad os tage et kredsløb med en konstant elektrisk strøm og overveje et hvilket som helst af dets elementer: en lampe, et gasrør, en metalleder, en elektrolytkolbe osv.
Ved at ændre spændingen U (ofte omt alt som V), der leveres til det pågældende element, vil vi spore ændringen i styrken af strømmen (I), der passerer gennem det. Som et resultat vil vi få en afhængighed af formen I \u003d I (U), som kaldes "elementets spændingskarakteristik" og er en direkte indikator for detselektriske egenskaber.
V/A-karakteristik kan se anderledes ud for forskellige elementer. Dens enkleste form opnås ved at betragte en metalleder, som blev udført af Georg Ohm (1789 - 1854).
Volt-ampere karakteristik er et lineært forhold. Derfor er dens graf en lige linje.
Loven i sin enkleste form
Ohms forskning i lederes strømspændingskarakteristika viste, at strømstyrken inde i en metalleder er proportional med potentialforskellen ved dens ender (I ~ U) og omvendt proportional med en bestemt koefficient, dvs. ~ 1/R. Denne koefficient blev kendt som "ledermodstand", og måleenheden for elektrisk modstand var Ohm eller V/A.
En ting mere at bemærke. Ohms lov bruges ofte til at beregne modstand i kredsløb.
lovformulering
Ohms lov siger, at strømstyrken (I) af en enkelt sektion af kredsløbet er proportional med spændingen i denne sektion og omvendt proportional med dens modstand.
Det skal bemærkes, at i denne form er loven kun gældende for en homogen del af kæden. Homogen er den del af det elektriske kredsløb, der ikke indeholder en strømkilde. Hvordan man bruger Ohms lov i et inhomogent kredsløb vil blive diskuteret nedenfor.
Senere blev det eksperimentelt fastslået, at loven forbliver gyldig for løsningerelektrolytter i et elektrisk kredsløb.
Fysisk betydning af modstand
Modstand er en egenskab ved materialer, stoffer eller medier for at forhindre passage af elektrisk strøm. Kvantitativt betyder en modstand på 1 ohm, at der i en leder med en spænding på 1 V i dens ender kan passere en elektrisk strøm på 1 A.
Elektrisk resistivitet
Eksperimentelt viste det sig, at modstanden af lederens elektriske strøm afhænger af dens dimensioner: længde, bredde, højde. Og også på dens form (kugle, cylinder) og det materiale, som den er lavet af. Således vil formlen for resistivitet for eksempel for en homogen cylindrisk leder være: R \u003d pl / S.
Hvis vi i denne formel sætter s=1 m2 og l=1 m, så vil R være numerisk lig p. Herfra beregnes måleenheden for lederens resistivitetskoefficient i SI - dette er Ohmm.
I resistivitetsformlen er p modstandskoefficienten bestemt af de kemiske egenskaber af det materiale, som lederen er lavet af.
For at overveje differentialformen af Ohms lov er vi nødt til at overveje et par flere begreber.
Strømtæthed
Som du ved, er elektrisk strøm en strengt bestilt bevægelse af ladede partikler. For eksempel i metaller er strømbærere elektroner, og i ledende gasser ioner.
Tag den trivielle sag, når alle nuværende udbyderehomogen - metalleder. Lad os ment alt udskille et uendeligt lille volumen i denne leder og betegne med u den gennemsnitlige (drift, ordnede) hastighed af elektroner i det givne volumen. Lad endvidere n angive koncentrationen af strømbærere pr. volumenenhed.
Lad os nu tegne et infinitesim alt areal dS vinkelret på vektoren u og konstruere langs hastigheden en infinitesimal cylinder med en højde udt, hvor dt angiver den tid, i hvilken alle aktuelle hastighedsbærere indeholdt i det betragtede volumen vil passere gennem området dS.
I dette tilfælde vil ladningen lig med q=neudSdt blive overført af elektroner gennem området, hvor e er elektronladningen. Den elektriske strømtæthed er således en vektor j=neu, der angiver mængden af ladning, der overføres pr. tidsenhed gennem en enhedsareal.
En af fordelene ved Ohms lovs differentialdefinition er, at du ofte kan klare dig uden at beregne modstanden.
Elektrisk opladning. Elektrisk feltstyrke
Feltstyrke sammen med elektrisk ladning er en grundlæggende parameter i teorien om elektricitet. Samtidig kan en kvantitativ idé om dem opnås fra simple eksperimenter, som er tilgængelige for skolebørn.
For nemheds skyld vil vi overveje et elektrostatisk felt. Dette er et elektrisk felt, der ikke ændrer sig med tiden. Et sådant felt kan skabes af stationære elektriske ladninger.
Det er også nødvendigt med en testafgift til vores formål. I sin egenskab vil vi bruge en ladet krop - så lille, at den ikke er i stand til at forårsageeventuelle forstyrrelser (omfordeling af afgifter) i de omgivende objekter.
Lad os på skift overveje to testladninger, der er taget, successivt placeret på et punkt i rummet, som er under indflydelse af et elektrostatisk felt. Det viser sig, at anklagerne vil blive udsat for tidsuvarierende indflydelse fra hans side. Lad F1 og F2 være de kræfter, der virker på anklagerne.
Som et resultat af generaliseringen af eksperimentelle data blev det fundet, at kræfterne F1 og F2 er rettet enten i en eller i modsatte retninger, og deres forhold F1/F2 er uafhængigt af det punkt i rummet, hvor testladningerne skiftevis blev placeret. Derfor er forholdet F1/F2 en karakteristik af selve debiteringerne og afhænger ikke af feltet.
Opdagelsen af dette faktum gjorde det muligt at karakterisere elektriseringen af legemer og blev senere kaldt elektrisk ladning. Per definition viser det sig således q1/q2=F1/F 2 , hvor q1 og q2 - mængden af debiteringer, der er placeret på et punkt i feltet, og F 1 og F2 - tvinger, der virker på ladninger fra siden af feltet.
Ud fra sådanne overvejelser blev størrelsen af ladningerne af forskellige partikler eksperimentelt fastlagt. Ved betinget at indstille en af testladningerne lig med én i forholdet, kan du beregne værdien af den anden ladning ved at måle forholdet F1/F2.
Ethvert elektrisk felt kan karakteriseres gennem en kendt ladning. Kraften, der virker på en enhedstestladning i hvile, kaldes således den elektriske feltstyrke og betegnes med E. Ud fra definitionen af ladningen får vi, at styrkevektoren har følgende form: E=F/q.
Forbindelse af vektorer j og E. En anden form for Ohms lov
I en homogen leder vil den ordnede bevægelse af ladede partikler ske i retning af vektoren E. Det betyder, at vektorerne j og E vil være co-rettet. Som ved bestemmelse af strømtætheden vælger vi et uendeligt lille cylindrisk volumen i lederen. Så vil en strøm lig med jdS passere gennem tværsnittet af denne cylinder, og spændingen påført til cylinderen vil være lig med Edl. Formlen for en cylinders resistivitet er også kendt.
Skriv formlen for strømstyrken på to måder, får vi: j=E/p, hvor værdien 1/p kaldes elektrisk ledningsevne og er den inverse af elektrisk resistivitet. Det betegnes norm alt σ (sigma) eller λ (lambda). Enheden for ledningsevne er Sm/m, hvor Sm er Siemens. Enhed invers af Ohm.
Således kan vi besvare spørgsmålet ovenfor om Ohms lov for et inhomogent kredsløb. I dette tilfælde vil strømbærerne blive påvirket af kraften fra det elektrostatiske felt, som er karakteriseret ved intensiteten E1, og andre kræfter, der virker på dem fra en anden strømkilde, som kan være betegnet E 2. Så gjaldt Ohms lovuhomogen sektion af kæden vil se sådan ud: j=λ(E1 + E2).
Mere om ledningsevne og modstand
En leders evne til at lede en elektrisk strøm er kendetegnet ved dens resistivitet, som kan findes gennem resistivitetsformlen, eller ledningsevne, beregnet som den reciproke af ledningsevne. Værdien af disse parametre bestemmes både af ledermaterialets kemiske egenskaber og af eksterne forhold. Især den omgivende temperatur.
For de fleste metaller er resistiviteten ved normal temperatur proportional med den, det vil sige p ~ T. Der observeres dog afvigelser ved lave temperaturer. For et stort antal metaller og legeringer ved temperaturer tæt på 0°K viste modstandsberegningen nulværdier. Dette fænomen kaldes superledning. For eksempel har kviksølv, tin, bly, aluminium osv. denne egenskab. Hvert metal har sin egen kritiske temperatur Tk, ved hvilken fænomenet superledning observeres.
Bemærk også, at definitionen af cylinderresistivitet kan generaliseres til ledninger lavet af samme materiale. I dette tilfælde vil tværsnitsarealet fra resistivitetsformlen være lig med trådens tværsnit, og l - dens længde.
