Закон Ома является одним из фундаментальных законов электротехники. Он устанавливает, что ток, протекающий через проводник, прямо пропорционален напряжению, наложенному на этот проводник. Однако, на практике, этот закон не всегда соблюдается, что может привести к непредсказуемым результатам в работе электрических систем.
В этой статье мы рассмотрим случаи, когда закон Ома не соблюдается и что может привести к таким явлениям.
Проводники и элементы, для которых соблюдается закон Ома, называются омическими. Однако, этот закон может не соблюдаться по ряду причин:
- При высоких частотах: когда скорость изменения электрического поля настолько велика, что нельзя пренебрегать инерционностью носителей заряда;
- При низких температурах: для веществ, обладающих сверхпроводимостью;
- При заметном нагреве проводника: проходящий ток может вызвать нагрев проводника, в результате чего зависимость напряжения от тока (вольт-амперная характеристика) приобретает нелинейный характер. Классическим примером такого элемента является лампа накаливания;
- При приложении к проводнику или диэлектрику высокого напряжения: возникает пробой, что может привести к образованию дуги и повреждению системы;
- В вакуумных и газонаполненных электронных лампах: в том числе люминесцентных;
- В гетерогенных полупроводниках и полупроводниковых приборах, имеющих p-n-переходы, например, в диодах и транзисторах;
- В контактах металл-диэлектрик: вследствие образования пространственного заряда в диэлектрике.
А теперь разберем все эти случаи более подробно.
Высокие частоты
Закон Ома устанавливает линейную зависимость между напряжением на проводнике и током, проходящим через него, при условии постоянства температуры и других факторов.
Однако, при высоких частотах изменение электрического поля происходит настолько быстро, что носители заряда не успевают перемещаться по проводнику и перераспределяться, что приводит к возникновению индуктивности и емкости проводника, а также к необходимости учитывать инерцию носителей заряда.
Эти факторы приводят к несоответствию между напряжением и током, и следовательно, к отклонению от закона Ома. Для учета этих факторов используются специальные математические модели и технические средства.
Низкие температуры
Закон Ома описывает линейную зависимость между напряжением на проводнике и силой тока, протекающего через этот проводник, при постоянной температуре. Однако, при очень низких температурах некоторые материалы могут обладать свойством сверхпроводимости.
В сверхпроводниках ток может протекать без потерь энергии, так как электроны движутся без сопротивления. При этом, напряжение на сверхпроводнике может быть нулевым, даже при значительном токе, что противоречит закону Ома. Поэтому, закон Ома не соблюдается при низких температурах для веществ, обладающих свойством сверхпроводимости.
Большой нагрев проводников
Закон Ома устанавливает линейную зависимость между напряжением на проводнике и током, протекающим через него при постоянной температуре. Однако при заметном нагреве проводника, в результате прохождения через него тока, изменяется его сопротивление.
При увеличении температуры проводника происходит увеличение количества колеблющихся атомов и электронов в проводнике, что приводит к увеличению вероятности их столкновения. Столкновения в свою очередь приводят к уменьшению скорости движения электронов и, как следствие, к уменьшению электропроводности.
Как только электропроводность проводника снижается, изменяется и вольт-амперная характеристика, т.е. зависимость напряжения на проводнике от протекающего через него тока.
В этом случае зависимость напряжения от тока становится нелинейной и описывается другими законами, например, законом Юнга-Лапласа или законом Пуассона.
Приложение к проводнику или диэлектрику высокого напряжения
Закон Ома описывает линейную зависимость между напряжением и током в омических элементах. Однако при приложении к проводнику или диэлектрику высокого напряжения, электрическое поле вокруг проводника достигает уровня, достаточного для ионизации окружающей среды и образования электрической дуги.
При этом электронный поток может пройти через газовый разряд, и в этом случае ток больше не будет линейно зависеть от напряжения. В результате возникают нелинейные эффекты, которые могут приводить к повреждению проводника или диэлектрика.
Вакуумные и газонаполненные электронные лампы
Закон Ома не соблюдается в вакуумных и газонаполненных электронных лампах из-за того, что в них ток переносится не свободными электронами, а электронами, испускаемыми нагретым катодом и ускоряемыми к аноду при наличии разности потенциалов между катодом и анодом. Таким образом, в лампе происходят сложные электродинамические процессы, которые не могут быть описаны простым законом Ома.
Кроме того, в лампах могут быть различные электрические явления, такие как электронный заряд, перенос заряда и столкновения между зарядами, которые могут приводить к нелинейности вольт-амперной характеристики.
Полупроводниковые приборы
Закон Ома не соблюдается в гетерогенных полупроводниках и полупроводниковых приборах, имеющих p-n-переходы, из-за того, что на границе между разными зонами с различным типом проводимости, возникает потенциальный барьер, который препятствует свободному движению электронов.
При подключении внешнего источника напряжения к такому прибору, создается электрическое поле, которое способствует преодолению потенциального барьера, и электроны могут проходить через p-n-переход. В результате этого возникают нелинейные зависимости тока от напряжения, и закон Ома не работает в полном объеме.
Вместо этого для описания работы таких приборов используются более сложные модели, учитывающие механизмы прохождения тока через p-n-переходы.
Контакты металл-диэлектрик
Когда металл находится в контакте с диэлектриком, например, металлический провод вставлен в изоляционную оболочку, возникает область, где электроны из металла переходят в диэлектрик и образуют заряд. Этот заряд находится в области перехода между металлом и диэлектриком и называется пространственным зарядом.
Пространственный заряд сдвигает электрическое поле в области перехода, что приводит к несоответствию между напряжением и током в этой области. В результате закон Ома не соблюдается в контактах металл-диэлектрик.
Этот эффект становится заметным при высоких напряжениях, когда пространственный заряд увеличивается, и может стать причиной возникновения искр и разрядов в контакте.
Заключение
Закон Ома, описывающий линейную зависимость между током и напряжением, не всегда соблюдается в различных материалах и элементах.
В частности, закон Ома не соблюдается при высоких частотах, низких температурах для веществ, обладающих сверхпроводимостью, заметном нагреве проводника, при приложении высокого напряжения к проводнику или диэлектрику, в вакуумных и газонаполненных электронных лампах, в гетерогенных полупроводниках и полупроводниковых приборах с p-n-переходами, а также в контактах металл-диэлектрик.
Все эти явления могут приводить к нелинейным зависимостям между током и напряжением, которые должны учитываться при проектировании и эксплуатации электростановок.