Förstå Ohms lag
Studera även materialet Exempelfrågor om Ohms lag dan Diskussion om Ohms lag
I nästan alla metallledare, elektriskt fält sebanding med elektrisk strömtäthet, där förhållandet mellan det elektriska fältet och den elektriska strömtätheten är konstant. Matematiskt uttryckt genom ekvationen:
ρ = E / J
Beskrivning: E = elektriskt fält, ρ = resistivitet, J = elektrisk strömtäthet.
Proportionalitetskonstanten ρ kallas typ av motstånd eller resistivitet vars värde är konstant och inte beror på det elektriska fält som producerar den elektriska strömmen.
Om det elektriska fältet ökar, ökar även den elektriska strömtätheten, och omvänt, om det elektriska fältet minskar, minskar även den elektriska strömtätheten, så att förhållandet mellan det elektriska fältet och den elektriska strömtätheten är konstant. Detta är ett påstående Ohms lagSå ekvationen ovan förklarar Ohms lag endast när ρ är konstant och oberoende av det elektriska fältet. Ohms lag gäller inte om värdet på ρ ändras när det elektriska fältet ändras.
Det är emellertid lättare att mäta elektrisk potential (V) än elektriskt fält (E), och det är också lättare att mäta elektrisk ström (I) än elektrisk strömtäthet (J). Därför, förutom att uttryckas i elektriskt fält, elektrisk strömtäthet dan typ av motstånd (ρ), Ohms lag uttrycks också i elektrisk potential, elström dan elektrisk resistans (R).
Betrakta först en trådledare som har en längd (l), en tvärsnittsarea (A) och en elektrisk potentialskillnad (V) mellan trådens två ändar. Om det elektriska fältet är homogent, eller detsamma överallt, uttrycks förhållandet mellan det elektriska fältet och den elektriska potentialskillnaden i ekvationen V = E s (Denna ekvation har diskuterats i materialet elektrisk potentialOm den elektriska strömtätheten är homogen, vilket betyder att den alltid är densamma, uttrycks förhållandet mellan elektrisk strömtäthet och elektrisk ström i ekvationen I = JA (Denna ekvation har diskuterats i materialet elström).
För att få en ekvation som uttrycker sambandet mellan elektrisk potential (V), elström (Jag) och elektrisk resistans (R), ersätt E och J i resistansekvationen med E i den elektriska potentialekvationen och J i den elektriska strömekvationen:
Detta är en ekvation som förklarar förhållandet mellan elektrisk potential (V), elektrisk ström (I) och elektrisk resistans (R) i en ledare. Baserat på denna ekvation kan man konstatera att den elektriska resistansen i en ledare är förhållandet mellan den elektriska potentialskillnaden och den elektriska strömmen i ledaren.
Ohms lag anger att förhållandet mellan elektrisk potentialskillnad och elektrisk ström är konstant. Med andra ord förklarar denna ekvation Ohms lag endast när det elektriska motståndet (R) är konstant. Ohms lag gäller inte om det elektriska motståndet inte är konstant, d.v.s. det varierar.
I härledningen av ekvationen ovan är den elektriska resistansen (R) hos en ledare också relaterad till den specifika resistansen (ρ), ledarens längd (l) och ledarens tvärsnittsarea (A). Matematiskt uttrycks detta i ekvationen:
Denna ekvation diskuteras mer i detalj i artikeln om elektrisk resistans.
Ohms lagformel
Ohms lag förklaras av två ekvationer, nämligen ρ = E/J och R = V/I. Det bör noteras att dessa två ekvationer är Ohms lag-ekvationer endast när ρ är konstant och R är konstant. Om ρ och R för en ledare ändras, förklarar dessa två ekvationer inte Ohms lag, men ρ = E/J förklarar det. typ av motstånd en ledare och R = V/I förklarar elektrisk resistans en dirigent.
Ekvationen ρ = E/J kan skrivas som E = ρ J. När ρ är konstant är E direkt proportionell mot J, vilket betyder att om E ökar så ökar J eller om E minskar så minskar J.
På samma sätt kan ekvationen R = V/I skrivas som V = I/R. När R är konstant är V direkt proportionell mot I, vilket betyder att om V ökar, ökar I, eller om V minskar, minskar I.
Material som följer Ohms lag sägs vara ohmska, medan material som inte följer Ohms lag sägs vara icke-ohmska. Nästan alla metalliska ledare är ohmska, medan många andra material är icke-ohmska.
I icke-ohmska material är det elektriska motståndet inte konstant, utan varierar beroende på strömmen och potentialskillnaden. Det betyder att om strömmen ändras, ändras även materialets motstånd, och på samma sätt, om spänningen ändras, ändras även materialets motstånd. Eftersom det elektriska motståndet varierar, är spänningen (V) i icke-ohmska material inte direkt proportionell mot strömmen (I).
V-, I- och R-grafer
I ohmska material är förhållandet mellan V och I konstant, representerat av en rak linje. Exempel på ohmska material är metalliska ledare. I icke-ohmska material är däremot förhållandet mellan V och I inte konstant, representerat av en krökt linje. Exempel på icke-ohmska material är halvledardioder och transistorer.
Ohms lag gäller endast ohmska material och inte alla material, så det är felaktigt att kalla den en lag som Newtons lagar eller andra fysikens lagar. Fysikens lagar gäller faktiskt alla objekt, inte bara vissa objekt. Användningen av Ohms lag har dock blivit vanlig praxis, så den kallas fortfarande Ohms lag, så länge man kommer ihåg att Ohms lag endast gäller ohmska objekt. Förutom Ohms lag är ett annat exempel på en vanlig missuppfattning användningen av idealgaslagen eller Hookes lag.
