LEGEA LUI OHM: UNITĂȚI ȘI FORMULĂ, CALCUL, EXEMPLE, EXERCIȚII - FIZIC - 2025

Ohm e legea în forma sa macroscopic, indică faptul că tensiunea și intensitatea curentului într - un circuit este direct proporțională rezistență fiind constantă de proporționalitate. Notând aceste trei cantități drept V, I și R, legea lui Ohm afirmă că: V = IR

În mod similar, legea lui Ohm este generalizată pentru a include elemente de circuit care nu sunt pur rezistive în circuitele de curent alternativ, în acest fel acesta are următoarea formă: V = IZ

Figura 1. Legea Ohm este aplicabilă mai multor circuite. Sursa: Wikimedia Commons. Tlapicka

Unde Z este impedanța, care reprezintă, de asemenea, opoziția la trecerea curentului alternativ de un element de circuit, de exemplu un condensator sau o inductanță.

Trebuie menționat că nu toate materialele și elementele de circuit sunt conforme cu legea lui Ohm. Cele în care este valabil se numesc elemente ohmice, iar în care nu este îndeplinit, ele sunt numite non-ohmice sau neliniare.

Rezistențele electrice obișnuite sunt de tip ohmic, dar diodele și tranzistoarele nu sunt, deoarece relația dintre tensiune și curent nu este liniară în ele.

Legea lui Ohm își datorează numele fizicianului și matematicianului german, bavarez, George Simon Ohm (1789-1854), care în timpul carierei sale s-a dedicat studierii comportamentului circuitelor electrice. Unitatea de rezistență electrică din Sistemul Internațional SI a fost numită în onoarea sa: ohmul, care este exprimat și prin litera greacă Ω.

Cum se calculează?

Deși forma macroscopică a legii lui Ohm este cea mai cunoscută, deoarece leagă cantități ușor măsurabile în laborator, forma microscopică raportează două cantități vectoriale importante: câmpul electric E și densitatea curentului J :

Unde σ este conductivitatea electrică a materialului, o proprietate care indică cât de ușor este de a conduce curentul. La rândul său, J este un vector a cărui magnitudine este coeficientul dintre intensitatea curentului I și aria secțiunii A prin care circulă.

Este logic să presupunem că există o legătură naturală între câmpul electric din interiorul unui material și curentul electric care circulă prin el, astfel încât cu cât este mai mare curentul, cu atât mai mult curent.

Dar curentul nu este un vector, deoarece nu are o direcție în spațiu. Pe de altă parte, vectorul J este perpendicular sau normal - pe secțiunea transversală a conductorului, iar direcția acestuia este cea a curentului.

Din această formă a legii lui Ohm ajungem la prima ecuație, asumând un conductor de lungime ℓ și secțiunea A și înlocuind mărimile lui J și E cu:

Inversul conductivității se numește rezistivitate și este notat prin litera greacă ρ:

Prin urmare:

Rezistența unui conductor

În ecuația V = (ρℓ / A) .I, constanta (ρℓ / A) este rezistența, prin urmare:

Rezistența conductorului depinde de trei factori:

-Rezistivitatea ρ, tipică materialului cu care este fabricat.

-Lungimea ℓ.

-Zona A a secțiunii sale transversale.

Cu cât este mai mare ℓ, cu atât rezistența este mai mare, deoarece purtătorii actuali au mai multe oportunități de a se ciocni cu alte particule din conductor și de a pierde energie. Și invers, cu cât este mai mare A, cu atât este mai ușor pentru transportatorii actuali să se deplaseze în mod ordonat prin material.

În cele din urmă, în structura moleculară a fiecărui material se află ușurința cu care o substanță permite trecerea curentului electric. Astfel, de exemplu, metalele precum cuprul, aurul, argintul și platina, cu rezistivitate scăzută, sunt bune conductoare, în timp ce lemnul, cauciucul și uleiul nu sunt, motiv pentru care au rezistivitate mai mare.

Exemple

Iată două exemple ilustrative ale legii lui Ohm.

Experiment pentru a verifica legea lui Ohm

O experiență simplă ilustrează legea lui Ohm, pentru asta aveți nevoie de o bucată de material conductor, o sursă de tensiune variabilă și un multimetru.

Între capetele materialului conductor se stabilește o tensiune V, care trebuie să fie modificată puțin câte puțin. Cu sursa de putere variabilă, se pot seta valorile tensiunii menționate, care sunt măsurate cu multimetrul, precum și curentul I care curge prin conductor.

Perechile de valori V și I sunt înregistrate într-un tabel și cu ele se construiește un grafic pe hârtie grafică. Dacă curba rezultată este o linie dreaptă, materialul este ohmic, dar dacă este oricare altă curbă, materialul este non-ohmic.

În primul caz, poate fi determinată panta liniei, care este echivalentă cu rezistența R a conductorului sau cu inversul acestuia, conductanța.

În imaginea de mai jos, linia albastră reprezintă unul dintre aceste grafice pentru un material ohmic. Între timp, curbele galbene și roșii sunt făcute din materiale non-ohmice, ca de exemplu un semiconductor.

Figura 2. Graficul I vs. V pentru materiale ohmice (linie albastră) și materiale ne ohmice. Sursa: Wikimedia Commons.

Analogia hidraulică a legii lui Ohm

Este interesant de știut că curentul electric din legea lui Ohm are un comportament similar cu cel al apei care circulă printr-o conductă. Fizicianul englez Oliver Lodge a fost primul care a propus simularea comportamentului curentului folosind elemente hidraulice.

De exemplu, conductele reprezintă conductoarele, deoarece apa circulă prin ele și purtătoarele curente prin acestea din urmă. Când există o constricție în conductă, trecerea apei este dificilă, deci aceasta ar fi echivalentă cu o rezistență electrică.

Diferența de presiune la două capete ale tubului permite apa să curgă, ceea ce asigură o diferență de înălțime sau o pompă de apă și, în mod similar, diferența de potențial (bateria) este cea care menține încărcarea în mișcare. , echivalent cu debitul sau volumul de apă pe unitatea de timp.

O pompă cu piston ar juca rolul unei surse de tensiune alternativă, dar avantajul introducerii unei pompe de apă este că circuitul hidraulic ar fi astfel închis, la fel cum un circuit electric trebuie să fie pentru a curge curentul.

Figura 3. Analogie hidraulică pentru legea lui Ohm: în a) un sistem de curgere a apei și în b) un circuit rezistiv simplu. Sursa: Tippens, P. 2011. Fizică: concepte și aplicații. Ediția a VII-a. McGraw Hill.

Rezistențe și întrerupătoare

Echivalentul unui întrerupător dintr-un circuit, ar fi un stopcock. Acesta este interpretat în acest fel: dacă circuitul este deschis (blocul închis), curentul, ca și apa, nu poate curge.

Pe de altă parte, cu întrerupătorul închis (butonul de oprire complet deschis), atât curentul cât și apa pot curge fără probleme prin conductor sau conductă.

Robinetul sau robinetul pot reprezenta, de asemenea, o rezistență: atunci când robinetul este complet deschis, este echivalent cu o rezistență zero sau un scurtcircuit. Dacă se închide complet, este ca și cum circuitul este deschis, în timp ce este închis parțial este ca și cum ai avea o rezistență de o anumită valoare (vezi figura 3).

Exerciții

- Exercitiul 1

Se știe că un fier electric necesită 2A la 120V pentru a funcționa corect. Care este rezistența sa?

Soluţie

Rezolvați rezistența din legea lui Ohm:

- Exercițiul 2

Un fir de 3 mm în diametru și 150 m lungime are o rezistență electrică de 3,00 Ω la 20 ° C. Găsiți rezistivitatea materialului.

Soluţie

Ecuația R = ρℓ / A este adecvată, prin urmare, trebuie să se găsească mai întâi aria secțiunii:

În cele din urmă, atunci când înlocuiți, obțineți:

Referințe

1. Resnick, R. 1992. Fizică. A treia ediție extinsă în spaniolă. Volumul 2. Compañía Editorial Continental SA de CV
2. Sears, Zemansky. 2016. Universitatea de fizică cu fizică modernă. 14 ^a . Ed. Volumul 2. 817-820.
3. Serway, R., Jewett, J. 2009. Fizică pentru știință și inginerie cu fizică modernă. Ediția a VII-a. Volumul 2. Cengage Learning. 752-775.
4. Tippens, P. 2011. Fizică: concepte și aplicații. Ediția a VII-a. McGraw Hill.
5. Universitatea din Sevilla. Departamentul de fizică aplicată III. Densitatea și intensitatea curentului. Recuperat din: us.es.
6. Walker, J. 2008. Fizică. 4 Ed. Pearson. 725-728