Ohmi seaduse mõistmine
Uurige ka Ohmi seaduse näidisküsimusi ja Ohmi seaduse küsimuste arutelu käsitlevat materjali .
Peaaegu kõigis metalljuhtides elektriväli sebanding dengan elektrivoolu tihedus, kus elektrivälja ja elektrivoolutiheduse suhe on konstantne. Matemaatiliselt väljendatakse seda võrrandiga:
ρ = E / J
Kirjeldus: E = elektriväli, ρ = eritakistus, J = elektrivoolutihedus.
Proportsionaalsuskonstanti ρ nimetatakse eritakistuseks ehk eritakistuseks, mille väärtus on konstantne ega sõltu elektrivoolu tekitavast elektriväljast.
Kui elektriväli suureneb, suureneb ka elektrivoolutihedus, ja vastupidi, kui elektriväli väheneb, väheneb ka elektrivoolutihedus, nii et elektrivälja ja elektrivoolutiheduse suhe on konstantne. See on Ohmi seaduse väide . Seega selgitab ülaltoodud võrrand Ohmi seadust ainult siis, kui ρ on konstantne ja elektriväljast sõltumatu. Ohmi seadus ei kehti, kui ρ väärtus muutub koos elektrivälja muutumisega.
Elektripotentsiaali (V) on aga lihtsam mõõta kui elektrivälja (E) ja samuti on lihtsam mõõta elektrivoolu (I) kui elektrivoolutihedust (J). Seega lisaks elektrivälja , elektrivoolutiheduse ja takistuse (ρ) kaudu väljendamisele väljendatakse Ohmi seadust ka elektripotentsiaali , elektrivoolu ja elektritakistuse (R) kaudu.
Esiteks vaatleme traatjuhti, mille pikkus (l), ristlõikepindala (A) ja juhtme kahe otsa vahel on elektripotentsiaalide vahe (V). Kui elektriväli on homogeenne ehk kogu ulatuses sama, siis elektrivälja ja elektripotentsiaalide vahe vaheline seos avaldub võrrandis V = E s ( seda võrrandit on käsitletud elektripotentsiaali materjalis ). Kui elektrivoolutihedus on homogeenne ehk kogu ulatuses sama, siis elektrivoolutiheduse ja elektrivoolu vaheline seos avaldub võrrandis I = JA ( seda võrrandit on käsitletud elektrivoolu materjalis ).
Elektripotentsiaali (V), elektrivoolu (I) ja elektritakistuse (R) vahelise seose kirjeldava võrrandi saamiseks asendage takistusvõrrandis E ja J elektripotentsiaali võrrandis E-ga ja elektrivoolu võrrandis J-ga:
See on võrrand, mis selgitab juhi elektrilise potentsiaali (V), elektrivoolu (I) ja elektrilise takistuse (R) vahelist seost. Selle võrrandi põhjal võib väita, et juhi elektriline takistus on elektrilise potentsiaali vahe ja juhi elektrivoolu suhe.
Ohmi seadus väidab, et elektrilise potentsiaalide vahe ja elektrivoolu suhe on konstantne. Teisisõnu, see võrrand selgitab Ohmi seadust ainult siis, kui elektriline takistus (R) on konstantne. Ohmi seadus ei kehti, kui elektriline takistus ei ole konstantne, st see muutub.
Ülaltoodud võrrandi tuletamisel on juhi elektritakistus (R) seotud ka eritakistuse (ρ), juhi pikkuse (l) ja juhi ristlõikepindalaga (A). Matemaatiliselt väljendatakse seda järgmises võrrandis:
Seda võrrandit käsitletakse üksikasjalikumalt artiklis elektrilise takistuse kohta.
Ohmi seaduse valem
Ohmi seadust selgitavad kaks võrrandit, nimelt ρ = E/J ja R = V/I. Tuleb märkida, et need kaks võrrandit on Ohmi seaduse võrrandid ainult siis, kui ρ ja R on konstantsed. Kui juhi ρ ja R muutuvad, siis need kaks võrrandit Ohmi seadust ei selgita, kuid ρ = E/J selgitab juhi eritakistust ja R = V/I selgitab juhi elektritakistust .
Võrrandi ρ = E/J saab kirjutada kujul E = ρ J. Kui ρ on konstantne, siis E on otseselt proportsionaalne J-ga, mis tähendab, et kui E suureneb, siis J suureneb või kui E väheneb, siis J väheneb.
Samamoodi saab võrrandi R = V/I kirjutada kujul V = I R. Kui R on konstantne, on V otseselt proportsionaalne I-ga, mis tähendab, et kui V suureneb, suureneb I või kui V väheneb, väheneb I.
Materjale, mis alluvad Ohmi seadusele, nimetatakse oomilisteks, samas kui materjale, mis ei allu Ohmi seadusele, nimetatakse mitteoomilisteks. Peaaegu kõik metalljuhid on oomilised, samas kui paljud teised materjalid on mitteoomilised.
Mitteoomilistes materjalides ei ole elektritakistus konstantne, vaid muutub sõltuvalt voolutugevusest ja potentsiaalide vahest. See tähendab, et kui vool muutub, muutub ka materjali takistus ja samamoodi, kui pinge muutub, muutub ka materjali takistus. Kuna elektritakistus muutub, ei ole mitteoomilistes materjalides pinge (V) otseselt proportsionaalne voolutugevusega (I).
V-, I- ja R-graafikud
Oomistes materjalides on V ja I suhe konstantne, mida tähistab sirge joon. Oomiste materjalide näideteks on metalljuhid. Mitteoomilistes materjalides ei ole V ja I suhe konstantne, mida tähistab kõver joon. Mitteoomiliste materjalide näideteks on pooljuhtdioodid ja transistorid.
Ohmi seadus kehtib ainult oomilistele materjalidele ja mitte kõigile materjalidele, seega on vale nimetada seda seaduseks nagu Newtoni seadused või muud füüsikaseadused. Füüsikaseadused kehtivad tegelikult kõigile objektidele, mitte ainult teatud objektidele. Ohmi seaduse kasutamine on aga muutunud tavaliseks praktikaks, seega nimetatakse seda endiselt Ohmi seaduseks, kui meeles pidada, et Ohmi seadus kehtib ainult oomilistele objektidele. Lisaks Ohmi seadusele on teine näide levinud väärarusaamast ideaalse gaasi seaduse ehk Hooke'i seaduse kasutamine.
