สภาพนำและกฎของโอห์ม
ในตัวกลางนำไฟฟ้า สนามไฟฟ้าจะขับเคลื่อนกระแสไฟฟ้าที่เป็นสัดส่วนกับสนามนั้น โดยสภาพนำจะเป็นตัวกำหนดอัตราส่วนและการกระจายพลังงานความต้านทาน
Definition
กฎของโอห์มระบุว่าในวัสดุหลายชนิด ความหนาแน่นกระแสเป็นสัดส่วนกับสนามไฟฟ้าผ่านสภาพนำไฟฟ้า; สภาพนำไฟฟ้าจะวัดว่าตัวกลางสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้ง่ายเพียงใด และการเคลื่อนที่ของประจุที่เกิดขึ้นจะกระจายพลังงานในรูปของความร้อน
Scope
หัวข้อนี้ครอบคลุมกระแสไฟฟ้าคงที่และกระแสไฟฟ้ากึ่งคงที่ในตัวกลางนำไฟฟ้า: ความหนาแน่นกระแสและการอนุรักษ์ประจุ, รูปแบบจุลภาคและมหภาคของกฎของโอห์ม, สภาพนำไฟฟ้าและความต้านทานไฟฟ้า, แบบจำลอง Drude ของการนำไฟฟ้า, ความร้อนจูลและการกระจายพลังงาน, และการคลายตัวของประจุในตัวนำ โดยจะกล่าวถึงการนำไฟฟ้าแบบคลาสสิก และละเว้นการขนส่งเชิงควอนตัมไว้สำหรับฟิสิกส์สสารควบแน่น
Core questions
- สนามไฟฟ้าขับเคลื่อนกระแสในตัวนำได้อย่างไร?
- ภาพจุลภาคใดที่รองรับกฎของโอห์มและสภาพนำไฟฟ้า?
- พลังงานถูกกระจายไปอย่างไรเมื่อกระแสไหลผ่านความต้านทาน?
Key concepts
- ความหนาแน่นกระแส
- กฎของโอห์ม
- สภาพนำไฟฟ้า
- สภาพต้านทานไฟฟ้า
- แบบจำลอง Drude
- ความร้อนจูล
- การคลายตัวของประจุ
- สมการความต่อเนื่อง
Key theories
- กฎของโอห์มและสภาพนำไฟฟ้า
- ในตัวนำเชิงเส้น ความหนาแน่นกระแสเฉพาะที่ (local current density) เป็นสัดส่วนกับสนามไฟฟ้า โดยมีสภาพนำไฟฟ้าเป็นค่าคงที่ของสัดส่วน ซึ่งนำไปสู่ความสัมพันธ์ที่คุ้นเคยระหว่างแรงดันไฟฟ้า กระแส และความต้านทาน
- แบบจำลอง Drude ของการนำไฟฟ้า
- การพิจารณาตัวพาประจุเป็นก๊าซที่ถูกเร่งโดยสนามและถูกทำให้สุ่มโดยการชนกัน จะให้สภาพนำไฟฟ้าที่กำหนดโดยความหนาแน่นของตัวพาประจุ ประจุ และเวลาเฉลี่ยระหว่างการชน ซึ่งสอดคล้องกับกฎของโอห์ม
Clinical relevance
การนำไฟฟ้าและกฎของโอห์มควบคุมวงจรความต้านทานและการกระจายพลังงานทั้งหมด, การออกแบบตัวนำและเครื่องทำความร้อนแบบต้านทาน, การวัดอิมพีแดนซ์ทางเคมีไฟฟ้าและชีวไฟฟ้า, และการสร้างแบบจำลองการไหลของกระแสในเนื้อเยื่อทางชีวภาพ
History
โอห์มได้สร้างความสัมพันธ์เชิงสัดส่วนระหว่างกระแสและแรงดันไฟฟ้าในปี 1827 จูลได้วัดปริมาณความร้อนจากความต้านทานในช่วงทศวรรษ 1840 และแบบจำลองก๊าซอิเล็กตรอนของ Drude ในปี 1900 ได้ให้คำอธิบายจุลภาคแรกของสภาพนำไฟฟ้า ซึ่งต่อมาได้รับการปรับปรุงโดยทฤษฎีควอนตัมของของแข็ง
Key figures
- Georg Simon Ohm
- Paul Drude
- James Prescott Joule
Related topics
Seminal works
- ashcroft1976
- jackson1998
Frequently asked questions
- กฎของโอห์มเป็นกฎพื้นฐานของธรรมชาติหรือไม่?
- ไม่ กฎนี้เป็นความสัมพันธ์เชิงประจักษ์และโดยประมาณที่ใช้ได้ดีกับวัสดุหลายชนิดภายใต้เงื่อนไขที่หลากหลาย แต่ใช้ไม่ได้กับอุปกรณ์ที่ไม่เป็นไปตามกฎของโอห์ม เช่น ไดโอด และที่สนามไฟฟ้าสูงมาก
- ทำไมตัวนำจึงร้อนขึ้นเมื่อมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน?
- ตัวพาประจุที่ถูกเร่งโดยสนามจะสูญเสียพลังงานในการชนกับโครงสร้างผลึก โดยถ่ายโอนพลังงานนั้นในรูปของความร้อน ความร้อนจูลนี้เป็นสัดส่วนกับความต้านทานและกำลังสองของกระแส