(V, I și R, sunt parametrii legii lui Ohm).
Legea lui Ohm afirmă că curentul printr-un conductor între două puncte este direct proporțional cu tensiunea din cele două puncte. Introducând constanta proporționalității, rezistența, ajungem la ecuația matematică obișnuită care descrie această relație:
I = V/R,
unde I este curentul prin conductor în unități de amperi, V este tensiunea măsurată pe conductor în unități de volți și R este rezistența conductorului în unități de ohmi. Mai precis, legea lui Ohm precizează că R în această relație este constantă, independentă de curent.
Legea a fost numită după fizicianul german Georg Ohm, care, într-un tratat publicat în 1827, a descris măsurători ale tensiunii și curentului aplicat prin circuite electrice simple care conțin diferite lungimi de sârmă. Ohm și-a explicat rezultatele experimentale printr-o ecuație puțin mai complexă decât forma modernă de mai sus.
În fizică, termenul legea lui Ohm este de asemenea folosit pentru a se referi la diverse generalizări ale legii formulate inițial de Ohm. Cel mai simplu exemplu este:
J = σE,
unde J este densitatea curentului la o anumită locație într-un material rezistiv, E este câmpul electric din acea locație și σ (sigma) este un parametru dependent de material numit conductivitate. Această reformulare a legii lui Ohm se datorează lui Gustav Kirchhoff.
Domeniu de aplicare
Legea lui Ohm este o lege empirică, o generalizare din multe experimente care au arătat că curentul este aproximativ proporțional cu câmpul electric pentru majoritatea materialelor. Este mai puțin fundamentală decât ecuațiile lui Maxwell și nu este întotdeauna respectată. Orice material dat se va străpunge într-un câmp electric suficient de puternic, iar unele materiale de interes în inginerie electrică sunt „non-ohmice” în câmpuri slabe.
Legea lui Ohm a fost observată pe o gamă largă de scale. La începutul secolului XX, se credea că legea lui Ohm ar eșua la scară atomică, dar experimentele nu au confirmat această așteptare. Începând cu anul 2012, cercetătorii au demonstrat că legea lui Ohm funcționează pentru fire de siliciu de lășimi de patru atomi și înălțimea unui atom.
Originile microscopice
(Electronii în modelul Drude (arătați aici în albastru) sărind în mod constant printre ionii de cristal mai grei, staționari (arătați în roșu).)
Dependența densității de curent de câmpul electric aplicat are, în esență, o natură mecanică cuantică. O descriere calitativă care conduce la legea lui Ohm se poate baza pe mecanica clasică folosind modelul Drude dezvoltat de Paul Drude în 1900.
Modelul Drude tratează electronii (sau alți purtători de încărcătură) precum bilele la flipper, mișcându-se printre ionii care alcătuiesc structura materialului. Electronii vor fi accelerați în direcția opusă câmpului electric de câmpul electric mediu din locația lor. Cu fiecare coliziune, totuși, electronul este deviat în direcție aleatorie cu o viteză mult mai mare decât viteza câștigată prin câmpul electric. Rezultatul net este că electronii se deplasează în zig-zag din cauza coliziunilor, dar, în general, se deplasează într-o direcție opusă câmpului electric.
Viteza de drift determină apoi densitatea curentului electric și relația sa cu E și este independentă de coliziuni. Drude a calculat viteza medie de derivație din p = -eEτ unde p este impulsul mediu, -e este sarcina electronului și τ este timpul mediu dintre coliziuni. Deoarece atât impulsul cât și densitatea curentului sunt proporționale cu viteza de drift, densitatea curentului devine proporțională cu câmpul electric aplicat; asta duce la legea lui Ohm.
Analiza circuitului
(Triunghiul legii lui Ohm)
În analiza circuitului, trei expresii echivalente ale legii lui Ohm sunt utilizate interschimbabil:
I = V/R sau V = IR sau R = V/I.
Fiecare ecuație este citată de unele surse ca fiind relația de definire a legii lui Ohm, sau toate cele trei sunt citate sau derivate dintr-o formă proporțională sau chiar doar cele două care nu corespund cu declarația originală a lui Ohm, uneori pot fi folosite.
(Roata legii lui Ohm cu simboluri unitare internationale.)
Interschimbabilitatea ecuației poate fi reprezentată printr-un triunghi, unde V (tensiunea) este plasată pe partea superioară, I (curentul) este plasat în secțiunea din stânga, iar R (rezistența) este plasată în dreapta. Linia care împarte secțiunile din stânga și din dreapta indică multiplicarea, iar divizorul dintre secțiunile de sus și de jos indică diviziunea (de aici bara de diviziune).
Circuite rezistive
Rezistoarele sunt elemente de circuit care împiedică trecerea sarcinii electrice în conformitate cu legea lui Ohm și sunt proiectate să aibă o valoare specifică de rezistență R. Într-o diagramă schematică rezistorul este arătat ca un simbol zig-zag. Un element (rezistor sau conductor) care se comportă în conformitate cu legea lui Ohm pe o anumită zonă de operare este denumit un dispozitiv ohmic (sau un rezistor ohmic) deoarece legea lui Ohm și o singură valoare pentru rezistență sunt suficiente pentru a descrie comportamentul dispozitivului.
Legea lui Ohm se aplică pentru circuitele care conțin numai elemente rezistive (fără capacități sau inductanțe) pentru toate formele de tensiune sau curent de conducere, indiferent dacă tensiunea sau curentul de conducere sunt continui (CC) sau variază în timp, de ex. alternative (CA). În orice moment, legea lui Ohm este valabilă pentru astfel de circuite.
Rezistoarele care sunt în serie sau în paralel pot fi grupate împreună într-o singură „rezistență echivalentă” pentru a aplica legea lui Ohm în analiza circuitului.
Efectele de temperatură
Legea lui Ohm este uneori considerată ca „pentru un conductor într-o anumită stare, forța electromotoare este proporțională cu curentul produs”. Adică, rezistența, raportul dintre forța electromotoare aplicată (sau tensiunea) și curentul „nu variază în funcție de puterea curentă”. Calificatorul „într-o anumită stare” este de obicei interpretat ca însemnând „la o temperatură constantă”, deoarece rezistivitatea materialelor este de obicei dependentă de temperatură. Deoarece conducția curentului este legată de efectul Joule a corpului conducător, conform primei legi a lui Joule, temperatura unui corp conductor se poate schimba atunci când acesta poartă un curent. Dependența rezistenței de temperatură, prin urmare, face ca rezistența să depindă de curent într-o configurație experimentală tipică, ceea ce face dificilă verificarea directă a legii în această formă. Maxwell și alții au elaborat mai multe metode pentru a testa legea experimental în 1876, controlând efectele de încălzire.
Lasă un răspuns