Độ dẫn điện và Định luật Ohm

Trong môi trường dẫn điện, trường điện tạo ra một dòng điện tỷ lệ thuận với nó, với độ dẫn điện thiết lập tỷ lệ và sự tiêu tán điện trở.

Definition

Định luật Ohm phát biểu rằng trong nhiều vật liệu, mật độ dòng điện tỷ lệ thuận với trường điện thông qua độ dẫn điện; độ dẫn điện định lượng mức độ dễ dàng một môi trường mang dòng điện, và chuyển động điện tích tạo ra sẽ tiêu tán năng lượng dưới dạng nhiệt.

Scope

Chủ đề này bao gồm các dòng điện ổn định và gần ổn định trong môi trường dẫn điện: mật độ dòng điện và bảo toàn điện tích, các dạng vi mô và vĩ mô của định luật Ohm, độ dẫn điện và điện trở suất, mô hình Drude về dẫn điện, hiệu ứng Joule và tiêu tán công suất, và sự thư giãn của điện tích trong vật dẫn. Nó đề cập đến dẫn điện cổ điển, để lại vận chuyển lượng tử cho vật lý vật chất ngưng tụ.

Core questions

• Trường điện tạo ra dòng điện trong vật dẫn như thế nào?
• Hình ảnh vi mô nào làm nền tảng cho định luật Ohm và độ dẫn điện?
• Công suất tiêu tán như thế nào khi dòng điện chạy qua một điện trở?

Key concepts

• mật độ dòng điện
• định luật Ohm
• độ dẫn điện
• điện trở suất
• mô hình Drude
• hiệu ứng Joule
• thư giãn điện tích
• phương trình liên tục

Key theories

Định luật Ohm và độ dẫn điện

Trong một vật dẫn tuyến tính, mật độ dòng điện cục bộ tỷ lệ thuận với trường điện, với độ dẫn điện là hằng số tỷ lệ, dẫn đến mối quan hệ quen thuộc giữa điện áp, dòng điện và điện trở.

Mô hình Drude về dẫn điện

Coi các hạt mang điện là một loại khí được gia tốc bởi trường và bị ngẫu nhiên hóa bởi các va chạm, tạo ra độ dẫn điện được thiết lập bởi mật độ hạt mang điện, điện tích và thời gian trung bình giữa các va chạm, khôi phục định luật Ohm.

Clinical relevance

Dẫn điện và định luật Ohm chi phối tất cả các mạch điện trở và sự tiêu tán công suất, thiết kế vật dẫn và bộ gia nhiệt điện trở, các phép đo trở kháng điện hóa và điện sinh học, và mô hình hóa dòng điện trong mô sinh học.

History

Ohm đã thiết lập mối quan hệ tỷ lệ giữa dòng điện và điện áp vào năm 1827. Joule đã định lượng sự gia nhiệt điện trở vào những năm 1840, và mô hình khí electron của Drude năm 1900 đã đưa ra giải thích vi mô đầu tiên về độ dẫn điện, sau đó được tinh chỉnh bởi các lý thuyết lượng tử về chất rắn.

Key figures

• Georg Simon Ohm
• Paul Drude
• James Prescott Joule

Seminal works

• ashcroft1976
• jackson1998

Frequently asked questions

Định luật Ohm có phải là một định luật cơ bản của tự nhiên không?

Không; đó là một mối quan hệ thực nghiệm, gần đúng, đúng với nhiều vật liệu trong một phạm vi điều kiện nhất định nhưng không đúng với các thiết bị phi Ohm như điốt và ở các trường rất cao.

Tại sao vật dẫn nóng lên khi mang dòng điện?

Các hạt mang điện được gia tốc bởi trường mất năng lượng trong các va chạm với mạng tinh thể, truyền năng lượng đó dưới dạng nhiệt; hiệu ứng Joule này tỷ lệ thuận với điện trở và bình phương của dòng điện.