Проводимость и закон Ома

В проводящих средах электрическое поле вызывает ток, пропорциональный ему, при этом проводимость определяет это соотношение и резистивное рассеяние.

Definition

Закон Ома утверждает, что во многих материалах плотность тока пропорциональна электрическому полю через проводимость; проводимость количественно определяет, насколько легко среда проводит ток, а возникающее движение заряда рассеивает энергию в виде тепла.

Scope

Эта тема охватывает стационарные и квазистационарные токи в проводящих средах: плотность тока и сохранение заряда, микроскопическую и макроскопическую формы закона Ома, электрическую проводимость и удельное сопротивление, модель проводимости Друде, джоулев нагрев и рассеяние мощности, а также релаксацию заряда в проводниках. Рассматривается классическая проводимость, а квантовый транспорт относится к физике конденсированного состояния.

Core questions

• Как электрическое поле вызывает ток в проводнике?
• Какая микроскопическая картина лежит в основе закона Ома и проводимости?
• Как рассеивается мощность при протекании тока через сопротивление?

Key concepts

• плотность тока
• закон Ома
• проводимость
• удельное сопротивление
• модель Друде
• джоулев нагрев
• релаксация заряда
• уравнение непрерывности

Key theories

Закон Ома и проводимость

В линейном проводнике локальная плотность тока пропорциональна электрическому полю, при этом проводимость является коэффициентом пропорциональности, что приводит к известному соотношению между напряжением, током и сопротивлением.

Модель проводимости Друде

Рассмотрение носителей заряда как газа, ускоряемого полем и рандомизируемого столкновениями, дает проводимость, определяемую плотностью носителей, зарядом и средним временем между столкновениями, восстанавливая закон Ома.

Clinical relevance

Проводимость и закон Ома регулируют все резистивные цепи и рассеяние мощности, проектирование проводников и резистивных нагревателей, электрохимические и биоэлектрические измерения импеданса, а также моделирование потока тока в биологических тканях.

History

Ом установил пропорциональность между током и напряжением в 1827 году. Джоуль количественно оценил резистивный нагрев в 1840-х годах, а модель электронного газа Друде 1900 года дала первое микроскопическое объяснение проводимости, позднее уточненное квантовыми теориями твердых тел.

Key figures

• Georg Simon Ohm
• Paul Drude
• James Prescott Joule

Seminal works

• ashcroft1976
• jackson1998

Frequently asked questions

Является ли закон Ома фундаментальным законом природы?

Нет; это эмпирическое, приблизительное соотношение, которое хорошо выполняется для многих материалов в определенных условиях, но не работает для неомических устройств, таких как диоды, и при очень высоких полях.

Почему проводники нагреваются при прохождении тока?

Носители заряда, ускоряемые полем, теряют энергию при столкновениях с кристаллической решеткой, передавая ее в виде тепла; этот джоулев нагрев пропорционален сопротивлению и квадрату тока.