Sign in to follow this  
Followers 0

Нарушение закона Ома


30 posts in this topic

Posted

Как известно, закона Ома гасит: сила тока прямо пропорциональна напряжению. И убедиться в этом легко, достаточно сунуть пальцы в ближайшую розетку. Однако, давайте разберемся. Что есть сила электрического тока? с учетом некоторых допущений, сила эл. тока это кол-во электронов пролетающих через сечение проводника в единицу времени. Чем больше разность потенциалов на концах провода, тем больше электронов пролетает через проводник. Т.е. сила тока определяется скоростью перемещения электронов в проводнике. Многие думают, что электроны перемещаются в проводнике со скоростью света. Это не так, эл. ток (волновое поле) распространяется со скоростью света, но сами отдельные электроны кочуют от атома к атому гораздо медленнее. И их скорость движения зависит от разности потенциалов. Увеличивая разность, тем самым повышаем скорость электронов и силу тока в итоге. Если неограниченно увеличивать разность потенциалов, то теоретически можно разогнать электроны в проводнике до скорости света. И это будет предел силы тока! Дальнейшее увеличение напряжения не вызовет увеличения силы тока, и закон Ома будет нарушен!

Одна поправочка: проводник к этому времени давным-давно испарится из-за огромной температуры вызванной сопротивлением проводника.... Так что посрамить старину Ома не удастся. Хотя, если взять сверхпроводящий проводник, то может и что-то получится?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted (edited)

Возьмем простой советский стабилитрон ...

1282_1.gif

Или столь же простой импортный диод-стабилизатор тока

http://www.atcsemitec.co.uk/pdfdocs/SemitecCRDs.pdf

Школьник, - прекращай флудерастить и готовься морально к новому учебному году !!!!

Edited by Neper

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Многие думают, что электроны перемещаются в проводнике со скоростью света.
Электроны в металле движутся со скоростью Ферми. Но это баллистическое движение, т.е. без учета фононов и примесей, рассеиваясь на которых электроны меняют направление движения. А закон Ома - это результат усреднения движения электрона с учетом рассеяния на примесях и фононах за некоторый, достаточно большой интервал времени, либо по ансамблю электронов.

Так что, закон Ома - вовсе никакой не закон. Это лишь первый член разложения отклика сложной системы на электрическое поле. А закон - лишь историчекое название.

то теоретически можно разогнать электроны в проводнике до скорости света.
Нельзя.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

закон Ома - вовсе никакой не закон. Это лишь первый член...
А, вона как, вот всегда чувствовал, что закон Ома есть частный случай чего-то большего. Теперь стало понятно, спасибо.

Вот только чему равна скорость Ферми, так и не понял, а физику твердого тела, инженеры-механики не изучали :(

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Вот только чему равна скорость Ферми,
Зависит от металла. я могу только пояснить что это такое. Вот есть зона проводимости, в которой есть разрешенные для электронов состояния. Ваще спектр, т.е. зависимость энергии от импульса, может быть сложный, но при достаточно малых импульсам, можно считать, что как у свободного электрона в вакууме Е = p^2/2M = МV^2/2, где М - эффективная масса элктрона близкая к массе электрона в вакууме. Теперь эти состояния надо заполнять электронами. Поскольку электрон Ферми-частица (у него полуцелый спин = 1/2), во в одном квантовом состоянии может находиться только два электрона - у одного спин "вверх", у другого вниз. Так самое низкое по энергии состояния занято двумя электронами. Следующие два электрона можно поместить уже только в состояние с большей эмергией, и т.д. пока электроны не кончатся. Энергия самого высокого по энергии занятого электронами состояния называется энергией Ферми. Все следующие вплоть до конца зоны - пустые.

Эта картина при нулевой температуре. Но поскольку в металлах энергия Ферми ~ 5 эВ (50,000 градусов), а металлы при комнате (максимум до температуры плавления в 1,000-2,000 градусок) то температурными поправками можно пренебречь Электроны в металле (при комнате!) - квантовая электронная жидкость. Без квантовой механики нет теории металлов. И теории полупроводников тоже нет.

Скорост Ферми оценить легко. Если энергия Ферми 5 эВ = 5х10(-12) эрг, то надо умножить на 2, разделить на массу (10^(-27) грамм), получится 10^16, и извлечь корень - !0^8 см/сек. До релятивизма еще 2 порядка. А до конца зоны проводимости, как правило 2 раза.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Это вообще характерно для "альтернативных идей" - автор таковой не знает, что в реальности это уже есть. Зависимость тока от напряжения нелинейна, хотя для наиболее важного практически случая в наиболее часто встречающихся условиях при практически оправданной точности измерений линейная модель достаточно точна.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

автор таковой не знает, что в реальности это уже есть.
Не учили автора ентому, а сам он физикой твердого тела не интересовался, сопромата ему хватало. Про поверхность Ферми читал в детстве в ТМ за 69-й год, но про скорость там вроде не было.

Зависимость тока от напряжения нелинейна,
Вот откуда бы мне это знать, если:

хотя для наиболее важного практически случая
скока раз мерил - всегда совпадало.

в целом - спасибо, было интересно, надо будет действительно побольше почитать на эту тему, увлекательно.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Интересно. На практике получается, что в природе абсолютно линейных процессов нет вообще. Любой линейный процесс это только приближение, выполненное человеком с той или иной точностью.

Можно ли перефразировать старую фразу и сказать, что природа не терпит линейных процессов?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

автор таковой не знает, что в реальности это уже есть.
Не учили автора ентому, а сам он физикой твердого тела не интересовался, сопромата ему хватало. Про поверхность Ферми читал в детстве в ТМ за 69-й год, но про скорость там вроде не было.

Зависимость тока от напряжения нелинейна,
Вот откуда бы мне это знать, если:

хотя для наиболее важного практически случая
скока раз мерил - всегда совпадало.

в целом - спасибо, было интересно, надо будет действительно побольше почитать на эту тему, увлекательно.

А электротехникой? В курсах теоретических основ электротехники нелинейные элементы рассматриваются. В доцифровую эпоху они часто применялись в аналоговых вычислительных машинах и устройствах автоматики. Есть такое понятие - ВАХ (вольт-амперная характеристика), если выполняется закон Ома - она проходящая через ноль прямая линия, но для очень многих вещей она нетривиальна. Диоды, симисторы и т.п. вполне применимы, всякие там бареттеры и стабиловольты применялись, но вышли из моды, электрическая дуга весьма нелинейна, как, кстати, и люминесцентная лампа - у них сопротивление отрицательно (дифференциальное, разумеется, вечный двигатель не выйдет). Даже в обычной лампе накаливания есть нелинейность, поскольку с ростом тока растёт температура нити, её сопротивление возрастает, соответственно зависимость сложнее. Но на практике предпочитают принимать закон Ома, как точный (поскольку ток, напряжение, а также температура и пр. меняются в узких пределах), а вводя существенно нелинейный элемент - его рассматривают отдельно, вообще не поминая Ома.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Интересно. На практике получается, что в природе абсолютно линейных процессов нет вообще. Любой линейный процесс это только приближение, выполненное человеком с той или иной точностью.

Можно ли перефразировать старую фразу и сказать, что природа не терпит линейных процессов?

Ну, давайте вспомним определение линейности. Там два условия:

f(x+y)=f(x)+f(y)

и

f(ax)=af(x)

Первое означает, что "целое равно сумме своих частей", то есть никакого взаимодействия частей нет

Второе - что "размер не имеет значения", в смысле отсутствия эффекта масштаба.

Понятно, что в реальности взаимодействие будет всегда, хотя им иногда можно пренебречь, а увеличение масштаба порождает новые эффекты, которых нет в малом (и наоборот).

То есть линейность это упрощение реальности до такого уровня, чтобы мы могли её исследовать аналитически (разделяя на части и рассматривая каждую по отдельности) и на моделях (масштаб которых отличен от реала).

То есть "поиск монеты под фонарём, потому что не под фонарём точно не найти".

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Спасибо.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Зависимость тока от напряжения нелинейна,
Ваще-то, надо было начать с того, что удивиться почему "закон" Ома (скорость пропорциональна силе) противоречить механике Ньютона, в которой ускорение пропорционально силе

что в природе абсолютно линейных процессов нет вообще.
Электродинамика в вакууме - линейная наука. Нелинейность привносит материал. Или квантование электронного поля. Но она совсем плевенькая.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Зато согласуется с механикой Аристотеля. И с гидравликой.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted (edited)

А электротехникой? В курсах теоретических основ электротехники нелинейные элементы рассматриваются.
ТОЭ для механиков? Только сопромат и термех, только хардкор, электротехника на уровне синхронных/асинхронных двигателей и гудения трансформатора.

Зато согласуется с механикой Аристотеля. И с гидравликой.
Во-от, именно так всегда и рассуждаю, разбираясь в электрохозяйстве: сила тока - расход жидкости, напряжение - напор насоса. А оно вишь как на самом-то деле... Edited by blacktiger63

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Только сопромат и термех,
Т.е. механику Ньютона изучают. Почему же не возникает вопрос о противоречии закона Ома механике?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Почему же не возникает вопрос о противоречии закона Ома механике?
Насколько помню, никто не проводил аналогий между силой тока и скоростью электронов в проводнике. А потому и не чувствовали противоречий. Вообще, механики, в массе своей, к электричеству относятся с опаской и непониманием. Сочетание хорошего механика с электриком (электроником) бывает редко.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

никто не проводил аналогий между силой тока и скоростью электронов в проводнике.
Это не аналогия, это - определение: плотность тока равна произведению плотности заряда и его скорости

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Закон Ома лишь постулирует понятия и нарушить его нельзя. Вот смотри: измерили при некотором напряжении, например, при 10-ти Вольтах сопротивление, потом при 100-та Вольтах измерили ток, а он оказался в два раза больше расчётного, это лишь означает, что само сопротивление нелинейно и при 100-та Вольтах оно в 2 раза меньше, чем при 10-ти, а I=U/R сохраняется просто на том основании, что именно так введена R.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

И их скорость движения зависит от разности потенциалов. Увеличивая разность, тем самым повышаем скорость электронов и силу тока в итоге. Если неограниченно увеличивать разность потенциалов, то теоретически можно разогнать электроны в проводнике до скорости света. И это будет предел силы тока! Дальнейшее увеличение напряжения не вызовет увеличения силы тока, и закон Ома будет нарушен!
Бред. Во-первых сила тока вообще не связана со скоростью электронов, важно количество пришедших в движении электронов. А во-вторых даже если принять, что электроны текут подобно жидкости и количество электронов, которые успеют пролететь через сечение через единицу времени пропорционально длине, на которой их следует считать в покое, то и тогда всякое насыщение по току означает, что сопротивление стало пропорционально напряжению: I=U/R, но R=R0U/U0, тогда I=U*U0/(R0*U)=U0/R0=CONST.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Закон Ома лишь постулирует понятия и нарушить его нельзя.
Во-первых сила тока вообще не связана со скоростью электронов,
Кто вам такое насвистел??? Вы что, в школе не учились?

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Кто вам такое насвистел??? Вы что, в школе не учились?
Я даже учил самих учителей.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Я даже учил самих учителей.
Мне трудно себе представить таких учителей

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Увы, можно представить.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Что трудного?. Вот смотри: в каждом кубическом миллиметре проводника сечением 1 мм квадратный движется миллиард электронов со скоростью 1 м/с, через сечение пройдёт триллион электронов за 1 с, в другом случае в том же объёме проводника того же сечения движется только тысяча электронов, но со скоростью 1 км/с, через сечение пройдёт миллиард электронов за 1 с. Скорость в тысячу раз больше, ток в тысячу раз меньше. Когда по трубе течёт жидкость, то она течёт вся, так и то массовый расход ни как не связан лишь со скоростью течения в отрыве от плотности самой жидкости и площади сечения. А разве электроны движутся также? Плюс нельзя забывать, что ток не всегда течёт только по проводникам. Есть и ток смещения, способный протечь даже через изолятор в конденсаторе, электроны при этом остаются на своих местах.

Share this post


Link to post
Share on other sites

Posted

Увы, можно представить.
Сказав "в школе" я несколько погорячился. Но в инженерных ВУЗах же, надо полагать, учат таким элентарным вещам? Это же не квантовая гравитация! Этой науке лет этак 150

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!


Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.


Sign In Now
Sign in to follow this  
Followers 0