La legge di Ohm è la legge fondamentale dei circuiti elettrici. Allo stesso tempo, ci permette di spiegare molti fenomeni naturali. Ad esempio, si può capire perché l'elettricità non "batte" gli uccelli che siedono sui fili. Per la fisica, la legge di Ohm è estremamente significativa. A sua insaputa, sarebbe impossibile creare circuiti elettrici stabili o non ci sarebbe affatto l'elettronica.
Dipendenza I=I(U) e il suo valore
La storia della scoperta della resistenza dei materiali è direttamente correlata alla caratteristica corrente-tensione. Cos'è? Prendiamo un circuito con una corrente elettrica costante e consideriamo uno qualsiasi dei suoi elementi: una lampada, un tubo del gas, un conduttore metallico, una fiaschetta di elettrolita, ecc.
Cambiando la tensione U (spesso indicata come V) fornita all'elemento in questione, terremo traccia della variazione dell'intensità della corrente (I) che lo attraversa. Di conseguenza, otterremo una dipendenza dalla forma I \u003d I (U), che è chiamata "caratteristica di tensione dell'elemento" ed è un indicatore diretto del suoproprietà elettriche.
La caratteristica V/A può apparire diversa per elementi diversi. La sua forma più semplice si ottiene considerando un conduttore metallico, opera di Georg Ohm (1789 - 1854).
La caratteristica Volt-ampere è una relazione lineare. Pertanto, il suo grafico è una linea retta.
La legge nella sua forma più semplice
La ricerca di Ohm sulle caratteristiche corrente-tensione dei conduttori ha mostrato che la forza della corrente all'interno di un conduttore metallico è proporzionale alla differenza di potenziale alle sue estremità (I ~ U) e inversamente proporzionale a un certo coefficiente, cioè I ~ 1/R. Questo coefficiente divenne noto come "resistenza del conduttore" e l'unità di misura della resistenza elettrica era Ohm o V/A.
Un' altra cosa da notare. La legge di Ohm viene spesso utilizzata per calcolare la resistenza nei circuiti.
Enunciato della legge
La legge di Ohm dice che l'intensità di corrente (I) di una singola sezione del circuito è proporzionale alla tensione in questa sezione e inversamente proporzionale alla sua resistenza.
Va notato che in questa forma la legge resta vera solo per un tratto omogeneo della catena. Omogenea è quella parte del circuito elettrico che non contiene una sorgente di corrente. Come utilizzare la legge di Ohm in un circuito disomogeneo sarà discusso di seguito.
In seguito, è stato stabilito sperimentalmente che la legge rimane valida per le soluzionielettroliti in un circuito elettrico.
Significato fisico della resistenza
La resistenza è una proprietà di materiali, sostanze o mezzi per impedire il passaggio di corrente elettrica. Quantitativamente, una resistenza di 1 ohm significa che in un conduttore con una tensione di 1 V ai suoi capi può passare una corrente elettrica di 1 A.
Resistività elettrica
Sperimentalmente si è riscontrato che la resistenza della corrente elettrica del conduttore dipende dalle sue dimensioni: lunghezza, larghezza, altezza. E anche sulla sua forma (sfera, cilindro) e sul materiale di cui è composta. Pertanto, la formula per la resistività, ad esempio, di un conduttore cilindrico omogeneo sarà: R \u003d pl / S.
Se in questa formula mettiamo s=1 m2 e l=1 m, allora R sarà numericamente uguale a p. Da qui si calcola l'unità di misura per il coefficiente di resistività del conduttore in SI - questo è Ohmm.
Nella formula della resistività, p è il coefficiente di resistenza determinato dalle proprietà chimiche del materiale di cui è composto il conduttore.
Per considerare la forma differenziale della legge di Ohm, dobbiamo considerare alcuni concetti in più.
Densità di corrente
Come sai, la corrente elettrica è un movimento rigorosamente ordinato di qualsiasi particella carica. Ad esempio, nei metalli i portatori di corrente sono gli elettroni e nei gas conduttori gli ioni.
Prendi il caso banale quando tutti i vettori attualiomogeneo - conduttore metallico. Individuiamo mentalmente un volume infinitamente piccolo in questo conduttore e indichiamo con u la velocità media (deriva, ordinata) degli elettroni nel volume dato. Inoltre, indichi n la concentrazione di portanti correnti per unità di volume.
Tracciamo ora un'area infinitesima dS perpendicolare al vettore u e costruiamo lungo la velocità un cilindro infinitesimo di altezza udt, dove dt denota il tempo durante il quale passeranno tutti i vettori di velocità correnti contenuti nel volume considerato attraverso l'area dS.
In questo caso, la carica uguale a q=neudSdt sarà trasferita dagli elettroni attraverso l'area, dove e è la carica dell'elettrone. Pertanto, la densità di corrente elettrica è un vettore j=neu, che denota la quantità di carica trasferita per unità di tempo attraverso un'unità di area.
Uno dei vantaggi della definizione differenziale della legge di Ohm è che spesso puoi cavartela senza calcolare la resistenza.
Carica elettrica. Intensità del campo elettrico
La forza del campo insieme alla carica elettrica è un parametro fondamentale nella teoria dell'elettricità. Allo stesso tempo, un'idea quantitativa di loro può essere ottenuta da semplici esperimenti a disposizione degli scolari.
Per semplicità, considereremo un campo elettrostatico. Questo è un campo elettrico che non cambia nel tempo. Tale campo può essere creato da cariche elettriche stazionarie.
Inoltre, per i nostri scopi è necessaria una carica di prova. Nella sua capacità useremo un corpo carico, così piccolo da non essere in grado di causareeventuali perturbazioni (ridistribuzione delle cariche) negli oggetti circostanti.
Consideriamo a turno due cariche di prova prelevate, poste successivamente in un punto dello spazio, che è sotto l'influenza di un campo elettrostatico. Si scopre che le accuse saranno soggette a un'influenza invariante nel tempo da parte sua. Siano F1 e F2 le forze che agiscono sulle cariche.
Come risultato della generalizzazione dei dati sperimentali, si è riscontrato che le forze F1 e F2 sono dirette in uno o in in direzioni opposte, e loro il rapporto F1/F2 è indipendente dal punto nello spazio in cui le cariche di prova sono state poste alternativamente. Pertanto, il rapporto F1/F2 è una caratteristica delle cariche stesse e non dipende dal campo.
La scoperta di questo fatto permise di caratterizzare l'elettrizzazione dei corpi e fu poi chiamata carica elettrica. Quindi, per definizione, risulta q1/q2=F1/F 2 , dove q1 e q2 - la quantità di addebiti piazzati in un punto del campo, e F 1 e F2 - forze che agiscono alle cariche dal lato del campo.
Da tali considerazioni, sono state stabilite sperimentalmente le grandezze delle cariche di varie particelle. Impostando condizionatamente una delle cariche di prova uguale a una nel rapporto, puoi calcolare il valore dell' altra carica misurando il rapporto F1/F2.
Qualsiasi campo elettrico può essere caratterizzato attraverso una carica nota. Pertanto, la forza che agisce su una carica unitaria di prova a riposo è chiamata intensità del campo elettrico ed è indicata con E. Dalla definizione della carica, otteniamo che il vettore forza ha la seguente forma: E=F/q.
Connessione dei vettori j ed E. Un' altra forma della legge di Ohm
In un conduttore omogeneo, il moto ordinato delle particelle cariche avverrà nella direzione del vettore E. Ciò significa che i vettori j ed E saranno co-diretti. Come per determinare la densità di corrente, selezioniamo un volume cilindrico infinitamente piccolo nel conduttore. Quindi una corrente uguale a jdS passerà attraverso la sezione trasversale di questo cilindro e la tensione applicata al cilindro sarà uguale a Edl. È anche nota la formula per la resistività di un cilindro.
Quindi, scrivendo la formula per l'intensità della corrente in due modi, otteniamo: j=E/p, dove il valore 1/p è chiamato conducibilità elettrica ed è l'inverso della resistività elettrica. Di solito è indicato con σ (sigma) o λ (lambda). L'unità di conducibilità è Sm/m, dove Sm è Siemens. Unità inversa di Ohm.
Quindi, possiamo rispondere alla domanda posta sopra sulla legge di Ohm per un circuito disomogeneo. In questo caso, i portatori di corrente saranno influenzati dalla forza del campo elettrostatico, caratterizzato dall'intensità E1, e da altre forze che agiscono su di essi da un' altra sorgente di corrente, che può essere designato E 2. Quindi si applicava la legge di Ohmla sezione disomogenea della catena sarà simile a: j=λ(E1 + E2).
Ulteriori informazioni su conducibilità e resistenza
La capacità di un conduttore di condurre una corrente elettrica è caratterizzata dalla sua resistività, che può essere trovata attraverso la formula della resistività, o conducibilità, calcolata come reciproco della conducibilità. Il valore di questi parametri è determinato sia dalle proprietà chimiche del materiale conduttore che dalle condizioni esterne. In particolare, la temperatura ambiente.
Per la maggior parte dei metalli, la resistività a temperatura normale è proporzionale ad essa, cioè p ~ T. Tuttavia, si osservano deviazioni a basse temperature. Per un gran numero di metalli e leghe a temperature prossime a 0°K, il calcolo della resistenza ha mostrato valori pari a zero. Questo fenomeno è chiamato superconduttività. Ad esempio, mercurio, stagno, piombo, alluminio, ecc. hanno questa proprietà Ogni metallo ha una propria temperatura critica Tk, alla quale si osserva il fenomeno della superconduttività.
Si noti inoltre che la definizione di resistività del cilindro può essere generalizzata a fili dello stesso materiale. In questo caso, l'area della sezione trasversale dalla formula della resistività sarà uguale alla sezione trasversale del filo e l - la sua lunghezza.
