Lei de Ohm é a lei básica dos circuitos elétricos. Ao mesmo tempo, permite-nos explicar muitos fenômenos naturais. Por exemplo, pode-se entender por que a eletricidade não "bate" os pássaros que pousam nos fios. Para a física, a lei de Ohm é extremamente significativa. Sem o seu conhecimento, seria impossível criar circuitos elétricos estáveis ou não haveria eletrônica alguma.
Dependência I=I(U) e seu valor
A história da descoberta da resistência dos materiais está diretamente relacionada à característica corrente-tensão. O que é isso? Vamos pegar um circuito com corrente elétrica constante e considerar qualquer um de seus elementos: uma lâmpada, um cano de gás, um condutor de metal, um frasco de eletrólito, etc.
Mudando a tensão U (frequentemente referida como V) fornecida ao elemento em questão, rastrearemos a mudança na intensidade da corrente (I) que passa por ele. Como resultado, obteremos uma dependência da forma I \u003d I (U), que é chamada de "característica de tensão do elemento" e é um indicador direto de suapropriedades elétricas.
V/A característica pode parecer diferente para diferentes elementos. Sua forma mais simples é obtida considerando um condutor de metal, o que foi feito por Georg Ohm (1789 - 1854).
A característica Volt-ampere é uma relação linear. Portanto, seu gráfico é uma linha reta.
A lei em sua forma mais simples
A pesquisa de Ohm sobre as características corrente-tensão dos condutores mostrou que a intensidade da corrente dentro de um condutor metálico é proporcional à diferença de potencial em suas extremidades (I ~ U) e inversamente proporcional a um certo coeficiente, ou seja, I ~ 1/R. Esse coeficiente ficou conhecido como "resistência do condutor", e a unidade de medida da resistência elétrica era Ohm ou V/A.
Mais uma coisa a notar. A lei de Ohm é frequentemente usada para calcular a resistência em circuitos.
Texto da lei
A Lei de Ohm diz que a intensidade da corrente (I) de uma única seção do circuito é proporcional à tensão nesta seção e inversamente proporcional à sua resistência.
Deve-se notar que nesta forma a lei permanece verdadeira apenas para uma seção homogênea da cadeia. Homogêneo é aquela parte do circuito elétrico que não contém uma fonte de corrente. Como usar a lei de Ohm em um circuito não homogêneo será discutido abaixo.
Mais tarde, foi estabelecido experimentalmente que a lei permanece válida para soluçõeseletrólitos em um circuito elétrico.
Significado físico da resistência
Resistência é uma propriedade de materiais, substâncias ou meios para impedir a passagem de corrente elétrica. Quantitativamente, uma resistência de 1 ohm significa que em um condutor com tensão de 1 V em suas extremidades, pode passar uma corrente elétrica de 1 A.
Resistividade elétrica
Experimentalmente, verificou-se que a resistência da corrente elétrica do condutor depende de suas dimensões: comprimento, largura, altura. E também na sua forma (esfera, cilindro) e no material de que é feito. Assim, a fórmula para resistividade, por exemplo, de um condutor cilíndrico homogêneo será: R \u003d pl / S.
Se nesta fórmula colocarmos s=1 m2 e l=1 m, então R será numericamente igual a p. A partir daqui, a unidade de medida para o coeficiente de resistividade do condutor no SI é calculada - isto é Ohmm.
Na fórmula de resistividade, p é o coeficiente de resistência determinado pelas propriedades químicas do material do qual o condutor é feito.
Para considerar a forma diferencial da lei de Ohm, precisamos considerar mais alguns conceitos.
Densidade de corrente
Como você sabe, a corrente elétrica é um movimento estritamente ordenado de quaisquer partículas carregadas. Por exemplo, em metais, os portadores de corrente são elétrons, e em gases condutores, íons.
Tome o caso trivial quando todas as operadoras atuaishomogêneo - condutor de metal. Vamos destacar mentalmente um volume infinitamente pequeno neste condutor e denotar por u a velocidade média (deriva, ordenada) dos elétrons no volume dado. Além disso, seja n a concentração de portadores atuais por unidade de volume.
Agora vamos desenhar uma área infinitesimal dS perpendicular ao vetor u e construir ao longo da velocidade um cilindro infinitesimal com uma altura udt, onde dt denota o tempo durante o qual todos os portadores de velocidade atuais contidos no volume considerado passarão pela área dS.
Neste caso, a carga igual a q=neudSdt será transferida pelos elétrons através da área, onde e é a carga do elétron. Assim, a densidade de corrente elétrica é um vetor j=neu, denotando a quantidade de carga transferida por unidade de tempo através de uma unidade de área.
Um dos benefícios da definição diferencial da Lei de Ohm é que muitas vezes você pode passar sem calcular a resistência.
Carga elétrica. Força do campo elétrico
A força do campo junto com a carga elétrica é um parâmetro fundamental na teoria da eletricidade. Ao mesmo tempo, uma ideia quantitativa deles pode ser obtida a partir de experimentos simples disponíveis para crianças em idade escolar.
Para simplificar, vamos considerar um campo eletrostático. Este é um campo elétrico que não muda com o tempo. Tal campo pode ser criado por cargas elétricas estacionárias.
Além disso, uma carga de teste é necessária para nossos propósitos. Em sua capacidade usaremos um corpo carregado - tão pequeno que não é capaz de causarquaisquer perturbações (redistribuição de cargas) nos objetos circundantes.
Consideremos, por sua vez, duas cargas de teste, colocadas sucessivamente em um ponto do espaço, que está sob a influência de um campo eletrostático. Acontece que as acusações estarão sujeitas a uma influência invariável no tempo de sua parte. Sejam F1 e F2 as forças que atuam sobre as cargas.
Como resultado da generalização dos dados experimentais, verificou-se que as forças F1 e F2 são direcionadas em um ou em direções opostas, e sua razão F1/F2 é independente do ponto no espaço onde as cargas de teste foram colocadas alternadamente. Portanto, a razão F1/F2 é uma característica das próprias cargas e não depende do campo.
A descoberta deste fato possibilitou caracterizar a eletrização dos corpos e foi posteriormente denominada carga elétrica. Assim, por definição, resulta q1/q2=F1/F 2 , onde q1 e q2 - a quantidade de cargas colocadas em um ponto do campo e F 1 e F2 - forças que atuam nas cargas do lado do campo.
A partir de tais considerações, as magnitudes das cargas de várias partículas foram estabelecidas experimentalmente. Ao definir condicionalmente uma das cargas de teste igual a um na proporção, você pode calcular o valor da outra carga medindo a proporção F1/F2.
Qualquer campo elétrico pode ser caracterizado através de uma carga conhecida. Assim, a força que atua sobre uma carga de teste unitária em repouso é chamada de intensidade do campo elétrico e é denotada por E. Da definição da carga, obtemos que o vetor de força tem a seguinte forma: E=F/q.
Conexão dos vetores j e E. Outra forma da lei de Ohm
Em um condutor homogêneo, o movimento ordenado de partículas carregadas ocorrerá na direção do vetor E. Isso significa que os vetores j e E serão co-direcionados. Como na determinação da densidade de corrente, selecionamos um volume cilíndrico infinitamente pequeno no condutor. Então uma corrente igual a jdS passará pela seção transversal desse cilindro e a tensão aplicada ao cilindro será igual a Edl. A fórmula para a resistividade de um cilindro também é conhecida.
Então, escrevendo a fórmula para a intensidade da corrente de duas maneiras, temos: j=E/p, onde o valor 1/p é chamado de condutividade elétrica e é o inverso da resistividade elétrica. Geralmente é denotado σ (sigma) ou λ (lambda). A unidade de condutividade é Sm/m, onde Sm é Siemens. Unidade inversa de Ohm.
Assim, podemos responder a pergunta feita acima sobre a lei de Ohm para um circuito não homogêneo. Neste caso, os portadores de corrente serão afetados pela força do campo eletrostático, que se caracteriza pela intensidade E1, e outras forças agindo sobre eles de outra fonte de corrente, que pode ser designado E 2. Então a Lei de Ohm aplicada aa seção não homogênea da cadeia terá a seguinte aparência: j=λ(E1 + E2).
Mais sobre Condutividade e Resistência
A capacidade de um condutor conduzir corrente elétrica é caracterizada pela sua resistividade, que pode ser encontrada através da fórmula da resistividade, ou condutividade, calculada como o recíproco da condutividade. O valor desses parâmetros é determinado tanto pelas propriedades químicas do material condutor quanto pelas condições externas. Em particular, a temperatura ambiente.
Para a maioria dos metais, a resistividade à temperatura normal é proporcional a ela, ou seja, p ~ T. No entanto, desvios são observados em baixas temperaturas. Para um grande número de metais e ligas em temperaturas próximas a 0°K, o cálculo da resistência apresentou valores zero. Esse fenômeno é chamado de supercondutividade. Por exemplo, mercúrio, estanho, chumbo, alumínio, etc. possuem esta propriedade. Cada metal tem sua própria temperatura crítica Tk, na qual o fenômeno da supercondutividade é observado.
Observe também que a definição de resistividade do cilindro pode ser generalizada para fios do mesmo material. Neste caso, a área da seção transversal da fórmula de resistividade será igual à seção transversal do fio, e l - seu comprimento.
