Razumevanje Ohmovega zakona
Preučite tudi snov o primerih vprašanj iz Ohmovega zakona in razpravi o vprašanjih iz Ohmovega zakona.
V skoraj vseh kovinskih prevodnikih, električno polje sebanding z gostota električnega toka, kjer je razmerje med električnim poljem in gostoto električnega toka konstantno. Matematično izraženo z enačbo:
ρ = E / J
Opis: E = električno polje, ρ = upornost, J = gostota električnega toka.
Konstanta sorazmernosti ρ se imenuje specifična upornost ali upornost, katere vrednost je konstantna in ni odvisna od električnega polja, ki proizvaja električni tok.
Če se električno polje poveča, se poveča tudi gostota električnega toka, in obratno, če se električno polje zmanjša, se zmanjša tudi gostota električnega toka, tako da je razmerje med električnim poljem in gostoto električnega toka konstantno. To je trditev Ohmovega zakona . Zgornja enačba torej pojasnjuje Ohmov zakon le, ko je ρ konstanten in neodvisen od električnega polja. Ohmov zakon ne velja, če se vrednost ρ spremeni, ko se spremeni električno polje.
Vendar je električni potencial (V) lažje izmeriti kot električno polje (E), prav tako pa je lažje izmeriti električni tok (I) kot gostoto električnega toka (J). Zato se Ohmov zakon poleg izražanja z električnim poljem , gostoto električnega toka in upornostjo (ρ) izraža tudi z električnim potencialom , električnim tokom in električno upornostjo (R).
Najprej si oglejmo žični vodnik, ki ima dolžino (l), površino prečnega prereza (A) in med obema koncema žice je električna potencialna razlika (V). Če je električno polje homogeno, tj. enako povsod, potem je razmerje med električnim poljem in električno potencialno razliko izraženo z enačbo V = E s ( ta enačba je bila obravnavana v gradivu o električnem potencialu ). Če je gostota električnega toka homogena, tj. enaka povsod, potem je razmerje med gostoto električnega toka in električnim tokom izraženo z enačbo I = JA ( ta enačba je bila obravnavana v gradivu o električnem toku ).
Da bi dobili enačbo, ki opisuje razmerje med električnim potencialom (V), električnim tokom (I) in električnim uporom (R), zamenjamo E in J v enačbi upora z E v enačbi električnega potenciala in J v enačbi električnega toka:
To je enačba, ki pojasnjuje razmerje med električnim potencialom (V), električnim tokom (I) in električnim uporom (R) v prevodniku. Na podlagi te enačbe lahko trdimo, da je električni upor v prevodniku razmerje med električno potencialno razliko in električnim tokom v prevodniku.
Ohmov zakon pravi, da je razmerje med električno potencialno razliko in električnim tokom konstanta. Z drugimi besedami, ta enačba pojasnjuje Ohmov zakon le, če je električni upor (R) konstanten. Ohmov zakon ne velja, če električni upor ni konstanten, tj. se spreminja.
Pri izpeljavi zgornje enačbe je električna upornost (R) prevodnika povezana tudi s specifično upornostjo (ρ), dolžino prevodnika (l) in površino prečnega prereza (A) prevodnika. Matematično je to izraženo z enačbo:
Ta enačba je podrobneje obravnavana v članku o električni upornosti.
Ohmova formula zakona
Ohmov zakon pojasnjujeta dve enačbi, in sicer ρ = E/J in R = V/I. Treba je opozoriti, da sta ti dve enačbi Ohmovega zakona le, če je ρ konstanten in je R konstanten. Če se ρ in R prevodnika spremenita, ti dve enačbi ne pojasnjujeta Ohmovega zakona, vendar ρ = E/J pojasnjuje specifično upornost prevodnika, R = V/I pa električno upornost prevodnika.
Enačbo ρ = E/J lahko zapišemo kot E = ρ J. Ko je ρ konstanten, je E neposredno sorazmeren z J, kar pomeni, da če se E poveča, se J poveča, ali če se E zmanjša, se J zmanjša.
Podobno lahko enačbo R = V/I zapišemo kot V = I R. Ko je R konstanten, je V neposredno sorazmeren z I, kar pomeni, da če se V poveča, se I poveča, ali če se V zmanjša, se I zmanjša.
Materiali, ki upoštevajo Ohmov zakon, so ohmski, materiali, ki ne upoštevajo Ohmovega zakona, pa neohmski. Skoraj vsi kovinski prevodniki so ohmski, medtem ko so mnogi drugi materiali neohmski.
V neohmskih materialih električni upor ni konstanten, temveč se spreminja glede na tok in potencialno razliko. To pomeni, da se s spremembo toka spremeni tudi upor materiala, in podobno se s spremembo napetosti spremeni tudi upor materiala. Ker se električni upor spreminja, v neohmskih materialih napetost (V) ni neposredno sorazmerna s tokom (I).
Grafi V, I in R
V ohmskih materialih je razmerje med V in I konstantno, kar predstavlja premica. Primeri ohmskih materialov so kovinski prevodniki. Medtem ko v neohmskih materialih razmerje med V in I ni konstantno, kar predstavlja ukrivljena črta. Primeri neohmskih materialov so polprevodniške diode in tranzistorji.
Ohmov zakon velja samo za ohmske materiale in ne za vse materiale, zato ga ni pravilno imenovati zakon, kot so Newtonovi zakoni ali drugi zakoni fizike. Zakoni fizike dejansko veljajo za vse predmete, ne le za določene. Vendar pa je uporaba Ohmovega zakona postala običajna praksa, zato se še vedno imenuje Ohmov zakon, če se le spomnimo, da velja samo za ohmske predmete. Poleg Ohmovega zakona je še en primer pogoste zmote uporaba zakona o idealnem plinu ali Hookeovega zakona.
