Zrozumienie prawa Ohma
Zapoznaj się również z materiałem dotyczącym przykładowych pytań z prawa Ohma i dyskusji na temat prawa Ohma.
W prawie wszystkich przewodnikach metalowych, pole elektryczne sebanding dengan gęstość prądu elektrycznego, gdzie stosunek pola elektrycznego do gęstości prądu elektrycznego jest stały. Wyrażone matematycznie za pomocą równania:
ρ = E / J
Opis: E = pole elektryczne, ρ = rezystywność, J = gęstość prądu elektrycznego.
Stała proporcjonalności ρ nazywana jest oporem właściwym lub rezystywnością, której wartość jest stała i nie zależy od pola elektrycznego wytwarzającego prąd elektryczny.
Jeśli pole elektryczne rośnie, gęstość prądu elektrycznego również rośnie, i odwrotnie, jeśli pole elektryczne maleje, gęstość prądu elektrycznego również maleje, tak że stosunek pola elektrycznego do gęstości prądu elektrycznego jest stały. Jest to sformułowanie prawa Ohma . Zatem powyższe równanie wyjaśnia prawo Ohma tylko wtedy, gdy ρ jest stałe i niezależne od pola elektrycznego. Prawo Ohma nie obowiązuje, jeśli wartość ρ zmienia się wraz ze zmianą pola elektrycznego.
Jednak łatwiej jest zmierzyć potencjał elektryczny (V) niż pole elektryczne (E), a także łatwiej jest zmierzyć natężenie prądu elektrycznego (I) niż gęstość prądu elektrycznego (J). Dlatego prawo Ohma, oprócz wyrażania go za pomocą pola elektrycznego , gęstości prądu elektrycznego i rezystywności (ρ), wyraża się również za pomocą potencjału elektrycznego , natężenia prądu elektrycznego i oporu elektrycznego (R).
Rozważmy najpierw przewód o długości (l), polu przekroju poprzecznego (A) i różnicy potencjałów elektrycznych (V) między jego końcami. Jeśli pole elektryczne jest jednorodne, czyli takie samo na całej długości, to zależność między polem elektrycznym a różnicą potencjałów elektrycznych wyraża równanie V = E s ( równanie to zostało omówione w materiale dotyczącym potencjału elektrycznego ). Jeśli gęstość prądu elektrycznego jest jednorodna, czyli taka sama na całej długości, to zależność między gęstością prądu elektrycznego a natężeniem prądu wyraża równanie I = JA ( równanie to zostało omówione w materiale dotyczącym prądu elektrycznego ).
Aby uzyskać równanie określające zależność między potencjałem elektrycznym (V), prądem elektrycznym (I) i oporem elektrycznym (R), zastąp E i J w równaniu oporu E w równaniu potencjału elektrycznego i J w równaniu prądu elektrycznego:
To równanie wyjaśnia związek między potencjałem elektrycznym (V), natężeniem prądu elektrycznego (I) i oporem elektrycznym (R) w przewodniku. Na podstawie tego równania można stwierdzić, że opór elektryczny w przewodniku to stosunek różnicy potencjałów elektrycznych do natężenia prądu elektrycznego w przewodniku.
Prawo Ohma głosi, że stosunek różnicy potencjałów elektrycznych do natężenia prądu elektrycznego jest stały. Innymi słowy, równanie to wyjaśnia prawo Ohma tylko wtedy, gdy opór elektryczny (R) jest stały. Prawo Ohma nie obowiązuje, jeśli opór elektryczny nie jest stały, tj. zmienia się.
W wyprowadzeniu powyższego równania opór elektryczny (R) przewodnika jest również powiązany z oporem właściwym (ρ), długością przewodnika (l) i polem przekroju poprzecznego (A) przewodnika. Matematycznie wyraża się to równaniem:
Równanie to omówiono bardziej szczegółowo w artykule na temat oporu elektrycznego.
Wzór prawa Ohma
Prawo Ohma objaśniają dwa równania: ρ = E/J i R = V/I. Należy zauważyć, że te dwa równania są równaniami prawa Ohma tylko wtedy, gdy ρ i R są stałe. Jeśli ρ i R przewodnika ulegają zmianie, te dwa równania nie wyjaśniają prawa Ohma, ale ρ = E/J wyjaśnia rezystancję właściwą przewodnika, a R = V/I wyjaśnia rezystancję elektryczną przewodnika.
Równanie ρ = E/J można zapisać jako E = ρ J. Gdy ρ jest stałe, wówczas E jest wprost proporcjonalne do J, co oznacza, że jeśli E wzrasta, to J wzrasta, a jeśli E maleje, to J maleje.
Podobnie równanie R = V/I można zapisać jako V = I R. Gdy R jest stałe, V jest wprost proporcjonalne do I, co oznacza, że jeśli V wzrasta, I wzrasta, a jeśli V maleje, I maleje.
Materiały podlegające prawu Ohma nazywane są omowymi, natomiast materiały, które nie podlegają prawu Ohma, nazywane są nieomowymi. Prawie wszystkie przewodniki metalowe są omowe, podczas gdy wiele innych materiałów jest nieomowych.
W materiałach nieomowych opór elektryczny nie jest stały, lecz zmienia się w zależności od natężenia prądu i różnicy potencjałów. Oznacza to, że wraz ze zmianą natężenia prądu zmienia się również opór materiału, a wraz ze zmianą napięcia zmienia się również opór materiału. Ponieważ opór elektryczny ulega zmianie, w materiałach nieomowych napięcie (V) nie jest wprost proporcjonalne do natężenia prądu (I).
Wykresy V, I i R
W materiałach omowych stosunek V do I jest stały i przedstawiany linią prostą. Przykładami materiałów omowych są przewodniki metalowe. Natomiast w materiałach nieomowych stosunek V do I nie jest stały i przedstawiany linią krzywą. Przykładami materiałów nieomowych są diody półprzewodnikowe i tranzystory.
Prawo Ohma dotyczy tylko materiałów omowych, a nie wszystkich, dlatego nazywanie go prawem takim jak prawa Newtona czy inne prawa fizyki jest niepoprawne. Prawa fizyki w rzeczywistości dotyczą wszystkich obiektów, a nie tylko niektórych. Jednak stosowanie prawa Ohma stało się powszechną praktyką, dlatego nadal nazywa się je prawem Ohma, o ile pamięta się, że prawo Ohma dotyczy tylko obiektów omowych. Oprócz prawa Ohma, innym przykładem powszechnego błędnego przekonania jest stosowanie prawa gazu doskonałego, czyli prawa Hooke'a.
