Định nghĩa định luật Ohm
Trong hầu hết các chất dẫn điện kim loại, điện trường tỷ lệ thuận với mật độ dòng điện, trong đó tỉ số giữa điện trường và mật độ dòng điện là hằng số. Biểu thị bằng phương trình:
ρ = E / J
E = điện trường , ρ = điện trở suất , J = mật độ dòng điện
Hằng số ρ được gọi là điện trở suất, có giá trị không đổi và không phụ thuộc vào điện trường tạo ra dòng điện.
Nếu điện trường tăng, mật độ dòng điện cũng tăng, ngược lại nếu điện trường giảm, mật độ dòng điện cũng giảm.
Do đó, tỷ lệ giữa điện trường và mật độ dòng điện là hằng số. Đây là phát biểu hợp lệ của Ohm. Vì vậy, phương trình trên chỉ giải thích định luật Ohm khi ρ là hằng số và không phụ thuộc vào điện trường. Định luật Ohm không áp dụng nếu giá trị của ρ thay đổi khi điện trường thay đổi.
Tuy nhiên, việc đo lường sẽ dễ dàng hơn. điện tích (V) dễ đo điện trường (E), do đó việc đo dòng điện (I) cũng dễ hơn so với đo mật độ dòng điện (J). Vì vậy, ngoài việc được thể hiện bằng điện trường, mật độ dòng điện và điện trở suất (ρ), định luật Ohm còn được thể hiện bằng điện thế, dòng điện và điện trở (R).
Trước tiên, hãy xem xét một dây dẫn có chiều dài (l), diện tích mặt cắt ngang (A) và có hiệu điện thế (V) giữa hai đầu dây. Nếu điện trường đồng nhất là như nhau, thì mối quan hệ giữa điện trường và hiệu điện thế được biểu thị bằng phương trình V = E s (phương trình này đã được thảo luận trong phần điện thế). Nếu mật độ dòng điện đồng nhất là như nhau,
Mối quan hệ giữa dòng điện và mật độ dòng điện được biểu thị bằng phương trình I = JA (phương trình này đã được thảo luận trong chủ đề về dòng điện).
Để có được phương trình thể hiện mối quan hệ giữa điện thế (V), dòng điện (I) và điện trở (R),
Thay thế E và J trong phương trình điện trở suất bằng E trong phương trình điện thế và J trong phương trình dòng điện:
Đây là phương trình giải thích mối quan hệ giữa điện thế (V), dòng điện (I) và điện trở (R) trong một dây dẫn. Dựa trên phương trình này, có thể khẳng định rằng điện trở trong một dây dẫn là tỉ lệ giữa hiệu điện thế và dòng điện chạy qua dây dẫn đó.
Định luật Ohm phát biểu rằng tỉ số giữa hiệu điện thế và cường độ dòng điện là một hằng số. Nói cách khác, phương trình này chỉ giải thích định luật Ohm khi điện trở (R) không đổi. Định luật Ohm không áp dụng nếu điện trở không đổi.
Trong phương trình trên, điện trở (R) của dây dẫn cũng có mối quan hệ với điện trở suất (ρ), chiều dài dây dẫn (l) và diện tích mặt cắt ngang (A) của dây dẫn. Được biểu diễn bằng toán học trong phương trình:
Phương trình định luật Ohm
Định luật Ohm được giải thích bằng hai phương trình, đó là ρ = E/J và R = V/I. Cần nhớ rằng hai phương trình này chỉ là phương trình của định luật Ohm khi ρ và R không đổi. Nếu ρ và R của một vật dẫn thay đổi, hai phương trình này không giải thích được định luật Ohm, mà ρ = E/J giải thích được điện trở của một loại vật dẫn và R = V/I giải thích được điện trở suất của vật dẫn đó.
Phương trình ρ = E/J có thể được viết là E = ρ J. Khi ρ không đổi, E tỷ lệ thuận với J, có nghĩa là nếu E tăng thì J tăng hoặc nếu E giảm thì J giảm.
Tương tự, phương trình R = V/I có thể được viết là V = I R. Khi R không đổi thì V tỷ lệ thuận với I, có nghĩa là nếu V tăng thì I tăng hoặc nếu V giảm thì I giảm.
Vật liệu tuân theo định luật Ohm được gọi là vật liệu ohmic, trong khi vật liệu không tuân theo định luật Ohm được gọi là vật liệu phi ohmic. Hầu hết các chất dẫn điện bằng kim loại đều là vật liệu ohmic, trong khi nhiều vật thể khác là vật liệu phi ohmic.
Trên các vật thể không tuân theo định luật Ohm, điện trở không phải là hằng số mà phụ thuộc vào dòng điện và hiệu điện thế. Điều này có nghĩa là nếu dòng điện thay đổi thì điện trở của vật liệu cũng thay đổi, cũng như nếu hiệu điện thế thay đổi thì điện trở của vật liệu cũng thay đổi. Do điện trở thay đổi trong vật liệu không tuân theo định luật Ohm, nên hiệu điện thế (V) không tỷ lệ thuận trực tiếp với dòng điện (I).
Đồ thị V, I và R
Trong vật liệu ohmic, tỷ lệ giữa V và I là hằng số, được biểu diễn bằng một đường thẳng. Ví dụ về vật liệu ohmic là dây dẫn kim loại. Trong khi đó, trong vật liệu phi ohmic, tỷ lệ giữa V và I không phải là hằng số, được biểu diễn bằng một đường cong. Ví dụ về vật liệu phi ohmic là điốt bán dẫn và transistor.
Định luật Ohm chỉ áp dụng cho các vật liệu có tính chất Ohm và không áp dụng cho mọi vật chất, vì vậy không thích hợp để nói đến các định luật như định luật Newton hay các định luật vật lý khác. Trên thực tế, định luật vật lý áp dụng cho mọi vật thể, chứ không chỉ một số vật thể nhất định. Nhưng việc nhắc đến định luật Ohm đã trở thành thói quen, vì vậy nó vẫn được gọi là định luật Ohm, miễn là người ta nhớ rằng định luật Ohm chỉ áp dụng cho các vật thể có tính chất Ohm.
