Закон Ома

 

Министерство  образования РФ

Тюменский государственный  университет

Институт  математики естественных наук и технологий

Кафедра радиофизики.

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему:

«Законы Ома»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

студент 491 группы Крамарь М.И.

Проверил:

Безуглый  Б.А..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тюмень 2011 г

 

 

Содержание:

 

1. История открытия закона Ома  – стр.3.

 

2.Общий вид закона Ома –  стр.4.

 

3.Виды законов Ома – стр.5.

 

4.Диоды и их ВАХ- стр.7.

 

5.Список  литературы- стр.13

 

1. История открытия закона.

В мае 1827 года "Теоретические исследования электрических цепей" объемом  в 245 страниц, в которых содержались  теперь уже теоретические рассуждения  Ома по электрическим цепям. В  этой работе ученый предложил характеризовать  электрические свойства проводника его сопротивлением и ввел этот термин в научный обиход. Ом нашел более  простую формулу для закона участка  электрической цепи, не содержащего  ЭДС: "Величина тока в гальванической цепи прямо пропорциональна сумме  всех напряжений и обратно пропорциональна  сумме приведенных длин. При этом общая приведенная длина определяется как сумма всех отдельных приведенных  длин для однородных участков, имеющих  различную проводимость и различное  поперечное сечение".

В 1829 году появляется его статья "Экспериментальное  исследование работы электромагнитного  мультипликатора", в которой были заложены основы теории электроизмерительных приборов. Здесь же Ом предложил  единицу сопротивления, в качестве которой он выбрал сопротивление  медной проволоки длиной 1 фут и  поперечным сечением в 1 квадратную линию.

В 1830 году появляется новое исследование Ома "Попытка создания приближенной теории униполярной проводимости".

Только  в 1841 году работа Ома была переведена на английский язык, в 1847 году - на итальянский, в 1860 году - на французский.

16 февраля  1833 года, через семь лет после  выхода из печати статьи, в  которой было опубликовано его  открытие, Ому предложили место  профессора физики во вновь  организованной политехнической  школе Нюрнберга. Ученый приступает  к исследованиям в области  акустики. Результаты своих акустических  исследований Ом сформулировал  в виде закона, получившего впоследствии  название акустического закона  Ома.

В 1845 году его избирают действительным членом Баварской академии наук. В 1849 году ученого приглашают в Мюнхенский университет на должность экстраординарного  профессора. В этом же году он назначается  хранителем государственного собрания физико-математических приборов с одновременным  чтением лекций по физике и математике. В 1852 году Ом получил должность ординарного  профессора. Ом скончался 6 июля 1854 года. В 1881 году на электротехническом съезде в Париже ученые единогласно утвердили  название единицы сопротивления - 1 Ом.

 

 

2.Общий вид закона Ома.

Закон Ома  устанавливает зависимость между силой тока I в проводнике и разностью потенциалов (напряжением) U между двумя фиксированными точками (сечениями) этого проводника:

      (1)

Коэффициент пропорциональности R, зависящий от геометрических и электрических свойств проводника и от температуры, называется омическим сопротивлением или просто сопротивлением данного участка проводника. Закон Ома был открыт в 1826 нем.  физиком Г. Омом.

В общем  случае зависимость между I и U нелинейна, однако на практике всегда можно в определенном интервале напряжений считать её линейной и применять закон Ома; для металлов и их сплавов этот интервал практически неограничен.

Закон Ома в форме (1) справедлив для  участков цепи, не содержащих источников ЭДС. При наличии таких источников (аккумуляторов, термопар, генераторов и т. д.) закон Ома имеет вид:

      (2)

где — ЭДС всех источников, включённых в рассматриваемый участок цепи. Для замкнутой цепи закон Ома принимает вид:

      (3)

где - полное сопротивление цепи, равное сумме внешнего сопротивления r и внутреннего сопротивления источника ЭДС. Обобщением закона Ома на случай разветвлённой цепи является правило 2-е Кирхгофа.

      Закон Ома можно записать в дифференциальной форме, связывающей в каждой точке проводника плотность тока j с полной напряжённостью электрического поля. Потенциальное. электрическое поле напряжённости Е, создаваемое в проводниках микроскопическими зарядами (электронами, ионами) самих проводников, не может поддерживать стационарное движение свободных зарядов (ток), т. к. работа этого поля на замкнутом пути равна нулю. Ток поддерживается неэлектростатическими силами различного происхождения (индукционного, химического, теплового и т.д.), которые действуют в источниках ЭДС и которые можно представить в виде некоторого эквивалентного непотенциального поля с напряженностью E_СТ, называемого сторонним. Полная напряженность поля, действующего внутри проводника на заряды, в общем случае равна E+E_СТ. Соответственно, дифференциальный закон Ома имеет вид:

 или  ,    (4)

где - удельное сопротивление материала проводника, а - его удельная электропроводность.

Закон Ома в комплексной форме справедлив также для синусоидальных квазистационарных токов:

      (5)

где z - полное комплексное сопротивление: , r – активное сопротивление,  а x - реактивное сопротивление цепи. При наличии индуктивности L и емкости С в цепи квазистационарного тока частоты

.

3.Виды закона Ома.

Существует  несколько видов закона Ома.

Закон Ома для однородного участка  цепи (не содержащего источника тока): сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника:

Закон Ома для замкнутой цепи: сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС источника тока к суммарному сопротивлению всей цепи:

где R - сопротивление внешней цепи,  r – внутреннее сопротивление источника тока.

R                                           -     +

          R

Закон Ома для неоднородного  участка цепи (участка цепи с источником тока):

     R  

 

;

где - разность потенциалов на концах участка цепи, - ЭДС источника тока, входящего в участок.

Способность вещества проводить ток характеризуется  его удельным сопротивлением либо проводимостью . Их величина определяется химической природой вещества и условиями, в частности температурой, при которых оно находится. Для большинства металлов удельное сопротивление растет с температурой приблизительно по линейному закону:

;

где — удельное сопротивление при 0°С, t — температура по шкале Цельсия, а — коэффициент, численно равный примерно 1/273. Переходя к абсолютной температуре, получаем

При низких температурах наблюдаются отступления  от этой закономерности.  В большинстве  случаев зависимость  от T следует кривой 1 на рисунке.

Величина  остаточного сопротивления  в сильной степени зависит от чистоты материала и наличия остаточных механических напряжений в образце. Поэтому после отжига заметно уменьшается. У абсолютно чистого металла с идеально правильной кристаллической решеткой при абсолютном нуле .

У большой  группы металлов и сплавов при  температуре порядка нескольких градусов Кельвина сопротивление скачком  обращается в нуль (кривая 2 на рисунке). Впервые это явление, названное сверхпроводимостью, было обнаружено в 1911 г. Камерлинг - Оннесом для ртути. В дальнейшем сверхпроводимость была обнаружена у свинца, олова, цинка, алюминия и других металлов, а также у ряда сплавов. Для каждого сверхпроводника имеется своя критическая температура Т_к, при которой он переходит в сверхпроводящее состояние. При действии на сверхпроводник магнитного поля сверхпроводящее состояние нарушается. Величина критического поля H_K, разрушающего сверхпроводимость, равна нулю при Т = Т_к и растет с понижением температуры.

Полное  теоретическое объяснение сверхпроводимости  было дано в 1958 г. советским физиком  Н. Н. Боголюбовым и его сотрудниками.

Зависимость электрического сопротивления от температуры  положена в основу термометров сопротивления. Такой термометр представляет собой  металлическую (обычно платиновую) проволоку, намотанную на фарфоровый или слюдяной каркас. Проградуированный по постоянным температурным точкам термометр  сопротивления позволяет измерять с точностью порядка нескольких сотых градуса как низкие, так  и высокие температуры.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Диоды и их ВАХ.

1)Электровакуумный диод —вакуумная двухэлектродная электронная лампа. Катод диода нагревается до температур, при которых возникает термоэлектронная эмиссия. При подаче на анод отрицательного относительно катода напряжения все эмитированные катодом электроны возвращаются на катод, при подаче на анод положительного напряжения часть эмитированных электронов устремляется к аноду, формируя его ток. Таким образом, диод выпрямляет приложенное к нему напряжение. Это свойство диода используется для выпрямления переменного тока и детектирования сигналов высокой частоты. Практический частотный диапазон традиционного вакуумного диода ограничен частотами до 500 МГц. Дисковые диоды, интегрированные в волноводы, способны детектировать частоты до 10 ГГц.

Электровакуумный  диод представляет собой сосуд (баллон), в котором создан высокий вакуум. В баллоне размещены два электрода — катод и анод. Катод прямого накала представляет собой прямую или W-образную нить, разогреваемую током накала. Катод косвенного накала — длинный цилиндр или короб, внутри которых уложена электрически изолированная спираль подогревателя. Как правило, катод вложен внутрь цилиндрического или коробчатого анода, который в силовых диодах может иметь рёбра или «крылышки» для отвода тепла. Выводы катода, анода и подогревателя (в лампах косвенного накала) соединены с внешними выводами (ножками лампы).

         При разогреве катода электроны начнут покидать его поверхность за счёт термоэлектронной эмиссии. Покинувшие поверхность электроны будут препятствовать вылету других электронов, в результате вокруг катода образуется своего рода облако электронов. Часть электронов с наименьшими скоростями из облака падает обратно на катод. При заданной температуре катода облако стабилизируется: на катод падает столько же электронов, сколько из него вылетает. Уже при нулевом напряжении анода относительно катода (например, при коротком замыкании анода на катод) в лампе течёт ток электронов из катода в анод: относительно быстрые электроны преодолевают потенциальную яму пространственного заряда и притягиваются к аноду. Отсечка тока наступает только тогда, когда на анод подано запирающее отрицательное напряжение порядка −1 В и ниже. При подаче на анод положительного напряжения в диоде возникает ускоряющее поле, ток анода возрастает. При достижении током анода значений, близких к пределу эмиссии катода, рост тока замедляется, а затем стабилизируется (насыщается).

Вольт-амперная характеристика электровакуумного диода имеет 3 участка:

1. Нелинейный участок. На начальном участке ВАХ ток медленно возрастает при увеличении напряжения на аноде, что объясняется противодействием полю анода объёмного отрицательного заряда электронного облака. По сравнению с током насыщения, анодный ток при   очень мал (и не показан на схеме). Его зависимость от напряжения растет экспоненциально, что обуславливается разбросом начальных скоростей электронов. Для полного прекращения анодного тока необходимо приложить некоторое анодное напряжение меньше нуля, называемое запирающим.
2. Участок закона степени трёх вторых. Зависимость анодного тока от напряжения описывается  , где g — постоянная, зависящая от конфигурации и размеров электродов. В простейшей модели первеанс не зависит от состава и температуры катода, в действительности первеанс растёт с ростом температуры из-за неравномерного его нагрева.
3. Участок насыщения. При дальнейшем увеличении напряжения на аноде рост тока замедляется, а затем полностью прекращается, так как все электроны, вылетающие из катода, достигают анода. Дальнейшее увеличение анодного тока при данной величине накала невозможно, поскольку для этого нужны дополнительные электроны, а их взять негде, так как вся эмиссия катода исчерпана. Установившейся в этом режиме анодный ток называется током насыщения. Этот участок описывается законом Ричардсона-Дешмана:  , где   — универсальная термоэлектронная постоянная Зоммерфельда.

ВАХ анода зависит  от напряжения накала — чем больше накал, тем больше крутизна ВАХ и тем больше ток насыщения. Чрезмерное увеличение напряжения накала приводит к уменьшению срока службы лампы.

 

           2) Диод Ганна (изобретён Джоном Ганном в 1963 году) — тип полупроводниковых диодов, использующийся для генерации и преобразования колебаний в диапазоне СВЧ на частотах от 0,1 до 100 ГГц. В отличие от других типов диодов, принцип действия диода Ганна основан не на свойствах p-n-переходов, т.е. все его свойства определяются не эффектами, которые возникают в местах соединения двух различных полупроводников, а собственными свойствами применяемого полупроводникового материала.

            В отечественной литературе диоды Ганна называли приборами с объемной неустойчивостью или с междолинным переносом электронов, так как активные свойства диодов обусловлены переходом электронов из "центральной" энергетической долины в "боковую", где они уже могут характеризоваться малой подвижностью и большой эффективной массой. В иностранной же литературе диоду Ганна соответствует термин ТЭД (Transferred Electron Device).