חוק אוהם הוא החוק הבסיסי של מעגלים חשמליים. יחד עם זאת, הוא מאפשר לנו להסביר תופעות טבע רבות. למשל, אפשר להבין מדוע החשמל לא "מנצח" את הציפורים שיושבות על החוטים. לפיזיקה, חוק אוהם משמעותי ביותר. ללא ידיעתו, אי אפשר יהיה ליצור מעגלים חשמליים יציבים או שלא תהיה אלקטרוניקה בכלל.
תלות I=I(U) והערך שלה
ההיסטוריה של גילוי ההתנגדות של חומרים קשורה ישירות למאפיין הזרם-מתח. מה זה? הבה ניקח מעגל עם זרם חשמלי קבוע ונחשוב על כל אחד מהמרכיבים שלו: מנורה, צינור גז, מוליך מתכת, בקבוק אלקטרוליט וכו'.
שינוי המתח U (המכונה לעתים קרובות V) המסופק לאלמנט המדובר, נעקוב אחר השינוי בעוצמת הזרם (I) העובר דרכו. כתוצאה מכך, נקבל תלות של הצורה I \u003d I (U), אשר נקראת "מאפיין המתח של האלמנט" ומהווה אינדיקטור ישיר שלומאפיינים חשמליים.
מאפיין V/A עשוי להיראות שונה עבור אלמנטים שונים. צורתו הפשוטה ביותר מתקבלת על ידי בחינת מוליך מתכת, שנעשה על ידי גיאורג אוהם (1789 - 1854).
מאפיין וולט-אמפר הוא קשר ליניארי. לכן, הגרף שלו הוא קו ישר.
החוק בצורתו הפשוטה
המחקר של אוהם על מאפייני הזרם-מתח של מוליכים הראה שעוצמת הזרם בתוך מוליך מתכת פרופורציונלית להפרש הפוטנציאל בקצותיו (I ~ U) ובפרופורציה הפוך למקדם מסוים, כלומר I ~ 1/R. מקדם זה נודע כ"התנגדות מוליכים", ויחידת המדידה של ההתנגדות החשמלית הייתה Ohm או V/A.
עוד דבר אחד שצריך לשים לב אליו. חוק אוהם משמש לעתים קרובות לחישוב התנגדות במעגלים.
נוסח חוק
חוק אוהם אומר שעוצמת הזרם (I) של קטע בודד של המעגל פרופורציונלית למתח בקטע זה ובפרופורציה הפוך להתנגדות שלו.
יש לציין שבצורה זו החוק נשאר נכון רק עבור חלק הומוגני של השרשרת. הומוגני הוא אותו חלק במעגל החשמלי שאינו מכיל מקור זרם. כיצד להשתמש בחוק אוהם במעגל לא-הומוגני נדון להלן.
מאוחר יותר, נקבע בניסוי שהחוק נשאר תקף לפתרונותאלקטרוליטים במעגל חשמלי.
משמעות פיזית של התנגדות
התנגדות היא תכונה של חומרים, חומרים או מדיה למניעת מעבר של זרם חשמלי. מבחינה כמותית, התנגדות של 1 אוהם פירושה שבמוליך עם מתח של 1 V בקצותיו יכול לעבור זרם חשמלי של 1 A.
התנגדות חשמלית
בניסוי, נמצא שהתנגדות הזרם החשמלי של המוליך תלויה במידותיו: אורך, רוחב, גובה. וגם על צורתו (כדור, גליל) והחומר ממנו הוא עשוי. לפיכך, הנוסחה להתנגדות, למשל, של מוליך גלילי הומוגנית תהיה: R \u003d pl / S.
אם בנוסחה זו נשים s=1 m2 ו-l=1 m, אז R יהיה שווה מספרית ל-p. מכאן מחשבים את יחידת המידה למקדם ההתנגדות של המוליך ב-SI - זה Ohmm.
בנוסחת ההתנגדות, p הוא מקדם ההתנגדות שנקבע לפי התכונות הכימיות של החומר שממנו עשוי המוליך.
כדי לשקול את הצורה הדיפרנציאלית של חוק אוהם, עלינו לשקול עוד כמה מושגים.
צפיפות נוכחית
כפי שאתה יודע, זרם חשמלי הוא תנועה מסודרת לחלוטין של חלקיקים טעונים. לדוגמה, במתכות, נושאי זרם הם אלקטרונים, ובגזים מוליכים, יונים.
קח את המקרה הטריוויאלי כאשר כל הספקים הנוכחייםהומוגנית - מוליך מתכת. הבה נפרט מנטלית נפח קטן לאין שיעור במוליך זה ונסמן ב-u את המהירות הממוצעת (סחיפה, מסודרת) של אלקטרונים בנפח הנתון. יתר על כן, תן n לציין את ריכוז הספקים הנוכחיים ליחידת נפח.
עכשיו בואו נצייר שטח אינפיניטסימלי dS בניצב לווקטור u ונבנה לאורך המהירות גליל אינפיניטסימלי עם גובה udt, כאשר dt מציין את הזמן שבמהלכו יעברו כל נושאי המהירות הנוכחיים הכלולים בנפח הנחשב דרך האזור dS.
במקרה זה, המטען השווה ל-q=neudSdt יועבר על ידי אלקטרונים דרך האזור, כאשר e הוא מטען האלקטרונים. לפיכך, צפיפות הזרם החשמלי היא וקטור j=neu, המציין את כמות המטען המועברת ליחידת זמן דרך יחידת שטח.
אחד היתרונות של הגדרת הדיפרנציאל של חוק אוהם הוא שלעתים קרובות אתה יכול להסתדר בלי לחשב את ההתנגדות.
טעינה חשמלית. חוזק שדה חשמלי
חוזק שדה יחד עם מטען חשמלי הוא פרמטר בסיסי בתורת החשמל. יחד עם זאת, ניתן לקבל מושג כמותי שלהם מניסויים פשוטים העומדים לרשות תלמידי בית הספר.
למען הפשטות, נשקול שדה אלקטרוסטטי. זהו שדה חשמלי שאינו משתנה עם הזמן. שדה כזה יכול להיווצר על ידי מטענים חשמליים נייחים.
כמו כן, יש צורך בחיוב בדיקה למטרותינו. בתפקידו נשתמש בגוף טעון - כל כך קטן שהוא לא מסוגל לגרוםכל הפרעות (חלוקה מחדש של מטענים) באובייקטים שמסביב.
בואו נשקול בתורו שני מטענים בדיקה שנלקחו, הממוקמים ברציפות בנקודה אחת בחלל, שנמצאת תחת השפעת שדה אלקטרוסטטי. מסתבר שהחיובים יהיו נתונים להשפעה בלתי משתנה בזמן מצידו. תן F1 ו-F2 להיות הכוחות הפועלים על המטענים.
כתוצאה מהכללה של נתוני ניסוי, נמצא שהכוחות F1 ו-F2 מכוונים באחד או בכיוונים מנוגדים, והיחס שלהם F1/F2 אינו תלוי בנקודה במרחב שבה הוצבו מטעני הבדיקה לסירוגין. לכן, היחס F1/F2 הוא מאפיין של החיובים עצמם, ואינו תלוי בשדה.
גילוי עובדה זו איפשר לאפיין חשמול של גופים ולימים נקרא מטען חשמלי. לפיכך, בהגדרה, מסתבר ש1/q2=F1/F 2 , כאשר q1 ו-q2 - סכום החיובים שהוטלו בנקודה אחת של השדה, ו-F 1 ו-F2 - כוחות הפועלים על מטענים מהצד של המגרש.
משיקולים כאלה, גודל המטענים של חלקיקים שונים נקבעו בניסוי. על ידי הגדרה מותנית של אחד ממטעני הבדיקה שווה לאחד ביחס, ניתן לחשב את הערך של המטען השני על ידי מדידת היחס F1/F2.
ניתן לאפיין כל שדה חשמלי באמצעות מטען ידוע. לפיכך, הכוח הפועל על מטען יחידת בדיקה במנוחה נקרא עוצמת השדה החשמלי ומסומן ב-E. מהגדרת המטען נקבל שלווקטור הכוח יש את הצורה הבאה: E=F/q.
חיבור של וקטורים j ו-E. צורה נוספת של חוק אוהם
במוליך הומוגנית, התנועה המסודרת של חלקיקים טעונים תתרחש בכיוון הווקטור E. המשמעות היא שהווקטורים j ו-E יהיו מכוונים יחד. כמו בקביעת צפיפות הזרם, אנו בוחרים נפח גלילי קטן לאין שיעור במוליך. אז יעבור זרם השווה ל-jdS בחתך הרוחב של הגליל הזה, והמתח המופעל על הגליל יהיה שווה ל-Edl. ידועה גם הנוסחה להתנגדות של גליל.
לאחר מכן, כתיבת הנוסחה לחוזק הזרם בשתי דרכים, נקבל: j=E/p, כאשר הערך 1/p נקרא מוליכות חשמלית והוא היפוך של התנגדות חשמלית. זה בדרך כלל מסומן σ (סיגמה) או λ (למבדה). יחידת המוליכות היא Sm/m, כאשר Sm היא סימנס. יחידה הפוכה של אוהם.
לפיכך, אנו יכולים לענות על השאלה שהועלתה לעיל לגבי חוק אוהם למעגל לא-הומוגני. במקרה זה, נושאי הזרם יושפעו מהכוח מהשדה האלקטרוסטטי, המתאפיין בעוצמה E1, וכוחות אחרים הפועלים עליהם ממקור זרם אחר, שיכול להיות מיועד E 2. ואז חל עליו חוק אוהםקטע לא-הומוגני של השרשרת ייראה כך: j=λ(E1 + E2).
עוד על מוליכות והתנגדות
היכולת של מוליך להוליך זרם חשמלי מאופיינת בהתנגדות שלו, אותה ניתן למצוא באמצעות נוסחת ההתנגדות, או מוליכות, המחושבת כהדדיות של מוליכות. ערכם של פרמטרים אלה נקבע הן על ידי התכונות הכימיות של החומר המוליך והן על ידי תנאים חיצוניים. במיוחד, טמפרטורת הסביבה.
עבור רוב המתכות, ההתנגדות בטמפרטורה רגילה פרופורציונלית לה, כלומר, p ~ T. עם זאת, סטיות נצפות בטמפרטורות נמוכות. עבור מספר רב של מתכות וסגסוגות בטמפרטורות הקרובות ל-0°K, חישוב ההתנגדות הראה ערכים אפסיים. תופעה זו נקראת מוליכות-על. לדוגמה, כספית, פח, עופרת, אלומיניום וכו' הם בעלי תכונה זו. לכל מתכת יש טמפרטורה קריטית משלה Tk, שבה נצפית תופעת מוליכות העל.
שים לב גם שניתן להכליל את ההגדרה של התנגדות צילינדר לחוטים העשויים מאותו חומר. במקרה זה, שטח החתך מנוסחת ההתנגדות יהיה שווה לחתך הרוחב של החוט, ו-l - אורכו.
