Hukum Ohm adalah hukum dasar rangkaian listrik. Pada saat yang sama, ini memungkinkan kita untuk menjelaskan banyak fenomena alam. Misalnya, orang dapat memahami mengapa listrik tidak "mengalahkan" burung yang duduk di kabel. Untuk fisika, hukum Ohm sangat penting. Tanpa sepengetahuannya, mustahil untuk membuat rangkaian listrik yang stabil atau tidak akan ada elektronik sama sekali.
Ketergantungan I=I(U) dan nilainya
Sejarah penemuan hambatan bahan berhubungan langsung dengan karakteristik tegangan arus. Apa itu? Mari kita ambil rangkaian dengan arus listrik konstan dan pertimbangkan salah satu elemennya: lampu, pipa gas, konduktor logam, labu elektrolit, dll.
Mengubah tegangan U (sering disebut sebagai V) yang disuplai ke elemen yang bersangkutan, kami akan melacak perubahan kekuatan arus (I) yang melewatinya. Akibatnya, kita akan mendapatkan ketergantungan bentuk I \u003d I (U), yang disebut "karakteristik tegangan elemen" dan merupakan indikator langsung darinyasifat listrik.
V/A karakteristik mungkin terlihat berbeda untuk elemen yang berbeda. Bentuk paling sederhana diperoleh dengan mempertimbangkan konduktor logam, yang dilakukan oleh Georg Ohm (1789 - 1854).
Karakteristik volt-ampere adalah hubungan linier. Oleh karena itu, grafiknya adalah garis lurus.
Hukum dalam bentuk paling sederhana
Penelitian Ohm tentang karakteristik arus-tegangan konduktor menunjukkan bahwa kuat arus di dalam konduktor logam sebanding dengan beda potensial pada ujungnya (I ~ U) dan berbanding terbalik dengan koefisien tertentu, yaitu, I ~ 1/R. Koefisien ini dikenal sebagai "hambatan konduktor", dan satuan pengukuran hambatan listrik adalah Ohm atau V/A.
Satu hal lagi yang perlu diperhatikan. Hukum Ohm sering digunakan untuk menghitung hambatan dalam rangkaian.
Kata-kata hukum
Hukum Ohm mengatakan bahwa kuat arus (I) dari satu bagian rangkaian sebanding dengan tegangan di bagian ini dan berbanding terbalik dengan hambatannya.
Perlu dicatat bahwa dalam bentuk ini hukum tetap berlaku hanya untuk bagian rantai yang homogen. Homogen adalah bagian dari rangkaian listrik yang tidak mengandung sumber arus. Cara menggunakan hukum Ohm pada rangkaian tak homogen akan dibahas di bawah ini.
Kemudian, secara eksperimental ditetapkan bahwa hukum tetap berlaku untuk solusielektrolit dalam rangkaian listrik.
Makna fisik perlawanan
Resistensi adalah sifat bahan, zat atau media untuk mencegah lewatnya arus listrik. Secara kuantitatif, hambatan 1 ohm berarti bahwa pada penghantar yang ujungnya bertegangan 1 V dapat mengalir arus listrik sebesar 1 A.
Hambatan listrik
Secara eksperimental, ditemukan bahwa hambatan arus listrik konduktor tergantung pada dimensinya: panjang, lebar, tinggi. Dan juga pada bentuknya (bola, silinder) dan bahan dari mana ia dibuat. Jadi, rumus resistivitas, misalnya, dari konduktor silinder homogen adalah: R \u003d pl / S.
Jika dalam rumus ini kita masukkan s=1 m2 dan l=1 m, maka R secara numerik sama dengan p. Dari sini, satuan ukuran untuk koefisien resistivitas konduktor dalam SI dihitung - ini adalah Ohmm.
Dalam rumus resistivitas, p adalah koefisien resistansi yang ditentukan oleh sifat kimia bahan dari mana konduktor dibuat.
Untuk mempertimbangkan bentuk diferensial dari hukum Ohm, kita perlu mempertimbangkan beberapa konsep lagi.
Kerapatan arus
Seperti yang Anda ketahui, arus listrik adalah gerakan teratur dari setiap partikel bermuatan. Misalnya, dalam logam, pembawa arus adalah elektron, dan dalam gas penghantar, ion.
Ambil kasus sepele ketika semua operator saat inihomogen - konduktor logam. Mari kita secara mental memilih volume yang sangat kecil dalam konduktor ini dan menyatakan dengan u kecepatan rata-rata (melayang, teratur) elektron dalam volume yang diberikan. Selanjutnya, biarkan n menunjukkan konsentrasi pembawa arus per satuan volume.
Sekarang mari kita menggambar luas sangat kecil dS tegak lurus terhadap vektor u dan membuat silinder sangat kecil sepanjang kecepatan dengan tinggi udt, di mana dt menunjukkan waktu di mana semua pembawa kecepatan arus yang terkandung dalam volume yang dipertimbangkan akan lewat melalui daerah dS.
Dalam hal ini, muatan yang sama dengan q=neudSdt akan ditransfer oleh elektron melalui area, di mana e adalah muatan elektron. Jadi, rapat arus listrik adalah vektor j=neu, yang menyatakan jumlah muatan yang dipindahkan per satuan waktu melalui suatu satuan luas.
Salah satu manfaat dari definisi diferensial Hukum Ohm adalah bahwa Anda sering dapat bertahan tanpa menghitung hambatan.
Muatan listrik. Kuat medan listrik
Kekuatan medan bersama dengan muatan listrik adalah parameter fundamental dalam teori kelistrikan. Pada saat yang sama, ide kuantitatif dari mereka dapat diperoleh dari eksperimen sederhana yang tersedia untuk anak sekolah.
Untuk mempermudah, kita akan mempertimbangkan medan elektrostatik. Ini adalah medan listrik yang tidak berubah terhadap waktu. Medan seperti itu dapat dibuat oleh muatan listrik stasioner.
Juga, biaya tes diperlukan untuk tujuan kita. Dalam kapasitasnya kita akan menggunakan benda bermuatan - sangat kecil sehingga tidak mampu menyebabkansetiap gangguan (redistribusi muatan) di objek sekitarnya.
Mari kita perhatikan dua muatan uji yang diambil, berturut-turut ditempatkan pada satu titik di ruang angkasa, yang berada di bawah pengaruh medan elektrostatik. Ternyata tuduhan itu akan menjadi sasaran pengaruh waktu-invarian di pihaknya. Misalkan F1 dan F2 adalah gaya yang bekerja pada muatan.
Sebagai hasil dari generalisasi data eksperimen, ditemukan bahwa gaya F1 dan F2 diarahkan baik dalam satu atau dalam arah yang berlawanan, dan rasionya F1/F2 tidak tergantung pada titik di ruang di mana muatan uji ditempatkan secara bergantian. Oleh karena itu, rasio F1/F2 adalah karakteristik dari muatan itu sendiri, dan tidak bergantung pada medan.
Penemuan fakta ini memungkinkan untuk mengkarakterisasi elektrisasi benda dan kemudian disebut muatan listrik. Jadi, menurut definisi, ternyata q1/q2=F1/F 2 , di mana q1 dan q2 - jumlah muatan yang ditempatkan pada satu titik medan, dan F 1dan F2 - gaya yang bekerja pada muatan dari sisi medan.
Dari pertimbangan tersebut, besaran muatan berbagai partikel ditentukan secara eksperimental. Dengan menetapkan salah satu muatan uji secara kondisional sama dengan satu dalam rasio, Anda dapat menghitung nilai muatan lainnya dengan mengukur rasio F1/F2.
Setiap medan listrik dapat dicirikan melalui muatan yang diketahui. Jadi, gaya yang bekerja pada muatan uji unit yang diam disebut kuat medan listrik dan dilambangkan dengan E. Dari definisi muatan, kita memperoleh bahwa vektor kekuatan memiliki bentuk berikut: E=F/q.
Hubungan vektor j dan E. Bentuk lain dari hukum Ohm
Dalam konduktor homogen, gerakan teratur partikel bermuatan akan terjadi dalam arah vektor E. Ini berarti bahwa vektor j dan E akan searah. Seperti dalam menentukan kerapatan arus, kami memilih volume silinder yang sangat kecil dalam konduktor. Kemudian arus yang sama dengan jdS akan melewati penampang silinder ini, dan tegangan yang diberikan ke silinder akan sama dengan Edl. Rumus untuk resistivitas silinder juga diketahui.
Kemudian, dengan menulis rumus kuat arus dengan dua cara, kita peroleh: j=E/p, di mana nilai 1/p disebut konduktivitas listrik dan merupakan kebalikan dari resistivitas listrik. Biasanya dilambangkan (sigma) atau (lambda). Satuan konduktivitas adalah Sm/m, di mana Sm adalah Siemens. Kebalikan satuan dari Ohm.
Dengan demikian, kita dapat menjawab pertanyaan di atas tentang hukum Ohm untuk rangkaian tak homogen. Dalam hal ini, pembawa arus akan dipengaruhi oleh gaya dari medan elektrostatik, yang dicirikan oleh intensitas E1, dan gaya lain yang bekerja padanya dari sumber arus lain, yang dapat ditunjuk E 2. Kemudian Hukum Ohm diterapkan padaBagian rantai yang tidak homogen akan terlihat seperti: j=(E1 + E2).
Lebih lanjut tentang Konduktivitas dan Resistansi
Kemampuan konduktor untuk menghantarkan arus listrik dicirikan oleh resistivitasnya, yang dapat ditemukan melalui rumus resistivitas, atau konduktivitas, yang dihitung sebagai kebalikan dari konduktivitas. Nilai parameter ini ditentukan baik oleh sifat kimia bahan konduktor maupun oleh kondisi eksternal. Khususnya, suhu lingkungan.
Untuk sebagian besar logam, resistivitas pada suhu normal sebanding dengannya, yaitu p ~ T. Namun, penyimpangan diamati pada suhu rendah. Untuk sejumlah besar logam dan paduan pada suhu mendekati 0 ° K, perhitungan resistansi menunjukkan nilai nol. Fenomena ini disebut superkonduktivitas. Sebagai contoh, merkuri, timah, timah, aluminium, dll memiliki sifat ini. Setiap logam memiliki suhu kritisnya sendiri Tk, di mana fenomena superkonduktivitas diamati.
Perhatikan juga bahwa definisi resistivitas silinder dapat digeneralisasikan untuk kabel yang terbuat dari bahan yang sama. Dalam hal ini, luas penampang dari rumus resistivitas akan sama dengan penampang kawat, dan l - panjangnya.
