قانون أوم هو القانون الأساسي للدوائر الكهربائية. في الوقت نفسه ، يسمح لنا بشرح العديد من الظواهر الطبيعية. على سبيل المثال ، يمكن للمرء أن يفهم لماذا لا "تغلب" الكهرباء على الطيور التي تجلس على الأسلاك. بالنسبة للفيزياء ، قانون أوم مهم للغاية. بدون علمه سيكون من المستحيل إنشاء دوائر كهربائية مستقرة وإلا فلن تكون هناك إلكترونيات على الإطلاق.
الاعتماد أنا=أنا (U) وقيمته
يرتبط تاريخ اكتشاف مقاومة المواد ارتباطًا مباشرًا بخاصية الجهد الحالي. ما هذا؟ لنأخذ دائرة بتيار كهربائي ثابت ونفكر في أي من عناصرها: مصباح ، أنبوب غاز ، موصل معدني ، قارورة إلكتروليت ، إلخ.
تغيير الجهد U (يشار إليه غالبًا باسم V) المقدم للعنصر المعني ، سنتتبع التغيير في قوة التيار (I) الذي يمر عبره. نتيجة لذلك ، سوف نحصل على اعتماد على الشكل I \u003d I (U) ، والذي يسمى "خاصية الجهد الكهربي للعنصر" وهو مؤشر مباشر علىالخواص الكهربائية.
V / قد تبدو الخاصية مختلفة بالنسبة للعناصر المختلفة. يتم الحصول على أبسط أشكاله من خلال النظر في موصل معدني ، والذي قام به جورج أوم (1789-1854).
خاصية فولت أمبير هي علاقة خطية. لذلك فإن الرسم البياني الخاص به هو خط مستقيم.
القانون في أبسط صوره
أظهر بحث أوم حول خصائص الجهد الحالي للموصلات أن القوة الحالية داخل موصل معدني تتناسب مع فرق الجهد في نهاياته (I ~ U) وتتناسب عكسياً مع معامل معين ، أي ، أنا ~ 1 / ص. أصبح هذا المعامل يُعرف باسم "مقاومة الموصل" ، وكانت وحدة قياس المقاومة الكهربائية أوم أو V / A.
شيء آخر يجب ملاحظته. غالبًا ما يستخدم قانون أوم لحساب المقاومة في الدوائر.
صياغة القانون
ينص قانون أوم على أن القوة الحالية (I) لقسم واحد من الدائرة تتناسب مع الجهد في هذا القسم وتتناسب عكسياً مع مقاومتها.
وتجدر الإشارة إلى أنه في هذا الشكل يظل القانون صحيحًا فقط لقسم متجانس من السلسلة. متجانس هو ذلك الجزء من الدائرة الكهربائية الذي لا يحتوي على مصدر تيار. سيتم مناقشة كيفية استخدام قانون أوم في دائرة غير متجانسة أدناه.
في وقت لاحق ، ثبت تجريبيا أن القانون لا يزال ساري المفعول للحلولالمنحلات بالكهرباء في الدائرة الكهربائية.
المعنى المادي للمقاومة
المقاومة هي خاصية للمواد أو المواد أو الوسائط لمنع مرور التيار الكهربائي. من الناحية الكمية ، تعني مقاومة 1 أوم أنه في موصل بجهد 1 فولت في نهايته ، يمكن أن يمر تيار كهربائي قدره 1 أ.
المقاومة الكهربائية
تجريبياً وجد أن مقاومة التيار الكهربائي للموصل تعتمد على أبعاده: الطول ، العرض ، الارتفاع. وكذلك على شكله (كرة ، اسطوانة) والمادة التي صنع منها. وبالتالي ، فإن صيغة المقاومة ، على سبيل المثال ، للموصل الأسطواني المتجانس ستكون: R \u003d pl / S.
إذا وضعنا في هذه الصيغة s=1 m2و l=1 m ، فسيكون R مساويًا عدديًا لـ p. من هنا ، يتم حساب وحدة قياس معامل مقاومة الموصل في النظام الدولي للوحدات - وهذا أومم.
في صيغة المقاومة ، p هو معامل المقاومة الذي تحدده الخصائص الكيميائية للمادة التي صنع منها الموصل.
للنظر في الشكل التفاضلي لقانون أوم ، نحتاج إلى التفكير في بعض المفاهيم الأخرى.
الكثافة الحالية
كما تعلم ، التيار الكهربائي هو حركة منظمة بدقة لأي جسيمات مشحونة. على سبيل المثال ، في المعادن ، ناقلات التيار هي الإلكترونات ، وفي الغازات الموصلة ، الأيونات.
خذ الحالة التافهة عند جميع شركات النقل الحاليةمتجانس - موصل معدني. دعونا نفرد عقليًا حجمًا صغيرًا لا نهائيًا في هذا الموصل ونشير بواسطة u إلى متوسط السرعة (الانجراف ، المرتبة) للإلكترونات في الحجم المحدد. علاوة على ذلك ، دع n تشير إلى تركيز الموجات الحاملة الحالية لكل وحدة حجم.
الآن دعونا نرسم مساحة متناهية الصغر dS عموديًا على المتجه u ونبني على طول السرعة أسطوانة متناهية الصغر بارتفاع udt ، حيث تشير dt إلى الوقت الذي تمر خلاله جميع ناقلات السرعة الحالية الموجودة في الحجم المدروس من خلال منطقة dS.
في هذه الحالة ، سيتم نقل الشحنة التي تساوي q=neudSdt بواسطة الإلكترونات عبر المنطقة ، حيث تمثل e شحنة الإلكترون. وبالتالي ، فإن كثافة التيار الكهربائي عبارة عن متجه j=neu ، مما يشير إلى مقدار الشحنة المنقولة لكل وحدة زمنية عبر مساحة الوحدة.
إحدى فوائد تعريف قانون أوم التفاضلي هو أنه يمكنك في كثير من الأحيان الحصول عليها دون حساب المقاومة.
شحنة كهربائية. شدة المجال الكهربائي
شدة المجال مع الشحنة الكهربائية هي معلمة أساسية في نظرية الكهرباء. في الوقت نفسه ، يمكن الحصول على فكرة كمية عنهم من التجارب البسيطة المتاحة لأطفال المدارس.
للتبسيط ، سننظر في مجال إلكتروستاتيكي. هذا مجال كهربائي لا يتغير بمرور الوقت. يمكن إنشاء مثل هذا المجال بواسطة الشحنات الكهربائية الثابتة.
أيضًا ، هناك حاجة إلى رسوم اختبار لأغراضنا. في سعته سوف نستخدم جسمًا مشحونًا - صغير جدًا بحيث لا يمكن أن يسببهأي اضطرابات (إعادة توزيع الرسوم) في الأشياء المحيطة.
دعونا نفكر في شحنتين اختباريتين تم أخذهما على التوالي عند نقطة واحدة في الفضاء ، والتي تقع تحت تأثير مجال إلكتروستاتيكي. اتضح أن التهم ستخضع لتأثير دائم من جانبه. دع F1و F2تكون القوى المؤثرة على التهم.
نتيجة لتعميم البيانات التجريبية ، وجد أن القوى F1و F2موجهة إما في واحد أو في اتجاهين متعاكسين ، ونسبةهما F1/ F2مستقلة عن النقطة في الفضاء حيث تم وضع رسوم الاختبار بالتناوب. لذلك ، فإن النسبة F1/ F2هي سمة من سمات الشحنات نفسها ، ولا تعتمد على الحقل.
اكتشاف هذه الحقيقة جعل من الممكن توصيف الكهربي للأجسام وسميت فيما بعد بالشحنة الكهربائية. وهكذا ، بحكم التعريف ، يتضح q1/ q2=F1/ F2، حيث q1و q2- مقدار الرسوم الموضوعة في نقطة واحدة من الحقل ، و F 1و F2- القوى المؤثرة على الشحنات من جانب المجال.
من هذه الاعتبارات ، تم تحديد مقادير شحنات الجسيمات المختلفة بشكل تجريبي. من خلال تحديد إحدى رسوم الاختبار بشكل مشروط بواحد في النسبة ، يمكنك حساب قيمة الشحنة الأخرى عن طريق قياس النسبة F1/ F2.
يمكن تمييز أي مجال كهربائي من خلال شحنة معروفة. وبالتالي ، فإن القوة التي تعمل على شحنة اختبار الوحدة في حالة السكون تسمى شدة المجال الكهربائي ويتم الإشارة إليها بواسطة E. من تعريف الشحنة ، نحصل على أن متجه القوة له الشكل التالي: E=F / q.
اتصال المتجهات j و E. شكل آخر من قانون أوم
في موصل متجانس ، ستحدث الحركة المنظمة للجسيمات المشحونة في اتجاه المتجه E. وهذا يعني أن المتجهين j و E سيتم توجيههما بشكل مشترك. كما هو الحال في تحديد كثافة التيار ، نختار حجمًا أسطوانيًا صغيرًا بشكل لا نهائي في الموصل. ثم يمر تيار يساوي jdS عبر المقطع العرضي لهذه الأسطوانة ، والجهد المطبق على الأسطوانة سيكون مساويًا لـ Edl. تُعرف صيغة مقاومة الأسطوانة أيضًا.
ثم كتابة معادلة القوة الحالية بطريقتين نحصل على: j=E / p حيث تسمى القيمة 1 / p التوصيل الكهربائي وهي معكوس المقاومة الكهربائية. عادة ما يتم الإشارة إليها σ (سيغما) أو λ (لامدا). وحدة الموصلية هي Sm / m ، حيث Sm هي Siemens. معكوس الوحدة أوم.
وهكذا ، يمكننا الإجابة على السؤال المطروح أعلاه حول قانون أوم لدائرة غير متجانسة. في هذه الحالة ، سوف تتأثر ناقلات التيار بالقوة من المجال الكهروستاتيكي ، والذي يتميز بكثافة E1، والقوى الأخرى التي تعمل عليها من مصدر تيار آخر ، والتي يمكن أن تكون المعين E2. ثم تم تطبيق قانون أوم علىسيبدو القسم غير المتجانس من السلسلة كما يلي: j=λ (E1+ E2).
المزيد عن الموصلية والمقاومة
تتميز قدرة الموصل على توصيل تيار كهربائي بمقاومته ، والتي يمكن العثور عليها من خلال صيغة المقاومة ، أو الموصلية ، المحسوبة على أنها مقلوبة للموصلية. يتم تحديد قيمة هذه المعلمات من خلال الخواص الكيميائية لمادة الموصل والظروف الخارجية. على وجه الخصوص ، درجة الحرارة المحيطة
بالنسبة لمعظم المعادن ، تتناسب المقاومة في درجة الحرارة العادية معها ، أي p ~ T. ومع ذلك ، لوحظت الانحرافات في درجات الحرارة المنخفضة. بالنسبة لعدد كبير من المعادن والسبائك عند درجات حرارة قريبة من 0 درجة كلفن ، أظهر حساب المقاومة قيمًا صفرية. هذه الظاهرة تسمى الموصلية الفائقة. على سبيل المثال ، الزئبق ، والقصدير ، والرصاص ، والألمنيوم ، وما إلى ذلك لها هذه الخاصية.لكل معدن درجة حرارته الحرجة Tk، حيث تُلاحظ ظاهرة الموصلية الفائقة.
لاحظ أيضًا أن تعريف مقاومة الأسطوانة يمكن تعميمه على الأسلاك المصنوعة من نفس المادة. في هذه الحالة ، ستكون مساحة المقطع العرضي من صيغة المقاومة مساوية للمقطع العرضي للسلك ، و l - طوله.
