Razumijevanje Ohmovog zakona
Također proučite materijal o primjerima pitanja iz Ohmovog zakona i raspravi o pitanjima iz Ohmovog zakona.
U gotovo svim metalnim provodnicima, električno polje sebanding s gustoća električne struje, gdje je odnos električnog polja i gustoće električne struje konstantan. Matematički izraženo jednačinom:
ρ = E / J
Opis: E = električno polje, ρ = otpornost, J = gustoća električne struje.
Konstanta proporcionalnosti ρ naziva se specifični otpor ili specifična otpornost, čija je vrijednost konstantna i ne zavisi od električnog polja koje proizvodi električnu struju.
Ako se električno polje poveća, gustoća električne struje se također povećava, i obrnuto, ako se električno polje smanji, gustoća električne struje se također smanjuje, tako da je odnos električnog polja i gustoće električne struje konstantan. Ovo je izjava Omovog zakona . Dakle, gornja jednačina objašnjava Omov zakon samo kada je ρ konstantno i nezavisno od električnog polja. Omov zakon se ne primjenjuje ako se vrijednost ρ mijenja kada se promijeni električno polje.
Međutim, lakše je izmjeriti električni potencijal (V) nego električno polje (E), a također je lakše izmjeriti električnu struju (I) nego gustoću električne struje (J). Stoga, osim što se izražava u terminima električnog polja , gustoće električne struje i otpornosti (ρ), Ohmov zakon se također izražava u terminima električnog potencijala , električne struje i električnog otpora (R).
Prvo, razmotrimo žičani provodnik koji ima dužinu (l), površinu poprečnog presjeka (A) i postoji razlika električnog potencijala (V) između dva kraja žice. Ako je električno polje homogeno, tj. isto svuda, tada je odnos između električnog polja i razlike električnog potencijala izražen jednačinom V = E s ( ova jednačina je razmatrana u materijalu o električnom potencijalu ). Ako je gustoća električne struje homogena, tj. ista svuda, tada je odnos između gustoće električne struje i električne struje izražen jednačinom I = JA ( ova jednačina je razmatrana u materijalu o električnoj struji ).
Da biste dobili jednačinu koja izražava odnos između električnog potencijala (V), električne struje (I) i električnog otpora (R), zamijenite E i J u jednačini otpora sa E u jednačini električnog potencijala i J u jednačini električne struje:
Ovo je jednačina koja objašnjava odnos između električnog potencijala (V), električne struje (I) i električnog otpora (R) u provodniku. Na osnovu ove jednačine, može se reći da je električni otpor u provodniku odnos razlike električnog potencijala i električne struje u provodniku.
Ohmov zakon kaže da je odnos razlike električnog potencijala i električne struje konstanta. Drugim riječima, ova jednačina objašnjava Ohmov zakon samo kada je električni otpor (R) konstantan. Ohmov zakon ne važi ako električni otpor nije konstantan, tj. ako varira.
U izvođenju gornje jednačine, električni otpor (R) provodnika je također povezan sa specifičnim otporom (ρ), dužinom provodnika (l) i površinom poprečnog presjeka (A) provodnika. Matematički, ovo se izražava jednačinom:
Ova jednačina je detaljnije objašnjena u članku o električnom otporu.
Ohmova formula zakona
Ohmov zakon se objašnjava pomoću dvije jednačine, i to ρ = E/J i R = V/I. Treba napomenuti da su ove dvije jednačine Ohmov zakon samo kada je ρ konstantan i R je konstantan. Ako se ρ i R provodnika mijenjaju, ove dvije jednačine ne objašnjavaju Ohmov zakon, ali ρ = E/J objašnjava specifični otpor provodnika, a R = V/I objašnjava električni otpor provodnika.
Jednačina ρ = E/J može se napisati kao E = ρ J. Kada je ρ konstantno, onda je E direktno proporcionalno J, što znači da ako se E povećava, onda se J povećava ili ako se E smanjuje, onda se J smanjuje.
Slično tome, jednačina R = V/I može se napisati kao V = I R. Kada je R konstantan, V je direktno proporcionalan I, što znači da ako se V povećava, I se povećava, ili ako se V smanjuje, I se smanjuje.
Materijali koji poštuju Ohmov zakon nazivaju se omskim, dok se materijali koji ne poštuju Ohmov zakon nazivaju neohmskim. Gotovo svi metalni provodnici su omski, dok su mnogi drugi materijali neohmski.
Kod neohmskih materijala, električni otpor nije konstantan, već varira ovisno o struji i razlici potencijala. To znači da ako se struja promijeni, mijenja se i otpor materijala, a slično tome, ako se napon promijeni, mijenja se i otpor materijala. Budući da se električni otpor mijenja, kod neohmskih materijala napon (V) nije direktno proporcionalan struji (I).
V, I i R grafovi
Kod omskih materijala, odnos V i I je konstantan, predstavljen pravom linijom. Primjeri omskih materijala su metalni provodnici. U međuvremenu, kod neohskih materijala, odnos V i I nije konstantan, predstavljen zakrivljenom linijom. Primjeri neohskih materijala su poluprovodničke diode i tranzistori.
Ohmov zakon se primjenjuje samo na omske materijale, a ne na sve materijale, tako da je pogrešno nazivati ga zakonom poput Newtonovih zakona ili drugih zakona fizike. Zakoni fizike se zapravo primjenjuju na sve objekte, a ne samo na određene objekte. Međutim, upotreba Ohmovog zakona postala je uobičajena praksa, pa se i dalje naziva Ohmov zakon, sve dok se ima na umu da se Ohmov zakon primjenjuje samo na omske objekte. Pored Ohmovog zakona, još jedan primjer uobičajene zablude je upotreba zakona idealnog gasa ili Hookeovog zakona.
