Wet van Ohm
De wet van Ohm is een empirische natuurkundige wet, genoemd naar de Duitse natuurkundige Georg Ohm, die een relatie legt tussen spanning, weerstand en stroomsterkte. In woorden luidt de wet van Ohm als volgt:
Voor een geleider geldt dat bij constant houden van de temperatuur, de verhouding van de spanning op de uiteinden van de geleider en de stroom door de geleider een constante is, typisch voor die geleider. De constante wordt de weerstand van de geleider genoemd.
In symbolische notatie:
,
waarin U de spanning of het potentiaalverschil in V (volt) is, I de stroom in A (ampère) en R de weerstand in Ω (ohm) .
De wet van Ohm definieert in feite de materiaaleigenschap elektrisch geleidingsvermogen en gaat op voor vele materialen die geleiders worden genoemd. Als zodanig is de wet van Ohm ook anders te formuleren:
,
met J de elektrische stroomdichtheid in A/m2 (ampère per vierkante meter), ρ het elektrisch geleidingsvermogen in Ω-1m-1 (siemens per meter) en E de elektrische veldsterkte in V/m (volt per meter)
De weerstand van een geleider is afhankelijk van de temperatuur, in de meeste materialen neemt de weerstand toe (het elektrisch geleidingsvermogen neemt af) bij toenemende temperatuur. Aangezien een elektrische stroom in een geleider warmte opwekt, zal de verhouding tussen spanning en stroom bij grote stroomsterktes door de temperatuurstijging niet lineair zijn.
Isolatoren en halfgeleiders vertonen op zich ook Ohms gedrag maar de contacten met deze materialen doen dat niet altijd. Zo is het kontaktvlak tussen een p-type en een n-type halfgeleider niet Ohms maar heeft gelijkrichtende eigenschappen. Het laat stroom maar in één richting door.
In het geval van supergeleiders is er althans voor stromen van beperkte grootte geen weerstand. Hier is dus de weerstand nul.
Ohms gedrag ontstaat in feite door wrijving, dwz door botsingen van de ladingsdragers met ofwel andere ladingsdragers, ofwel fononen (roostertrillingen) ofwel onzuiverheden in het geleidend materiaal. Het elektrische veld dat de stroom op gang brengt oefent een kracht uit die de ladingsdragers versnelt. Deze versnelling wordt echter in toenemende mate tegengewerkt door de wrijving totdat er een evenwicht ontstaat. Het resultaat is een constante stroom.
Bij metalen is er een overvloed aan ladingdragers, de Fermi-zee. Bij toenemende temperatuur neemt het aantal fononen toe en daarmee ook de weerstand.
Bij halfgeleiders neemt juist de geleiding toe bij hogere temperatuur. In deze materialen zijn er relatief weinig ladingsdragers, maar bij hogere temperaturen komen er meer bij. Dit komt doordat de thermische energie het mogelijk maakt elektronen vanuit de volle valentieband naar de lege geleidingsband te promoveren. Dit effect overschaduwt het fononeffect. Vaak geldt hetzelfde voor de aanwezigheid van licht. Ook dat kan tot promotie leiden en daarmee tot een verlaging van de weerstand omdat er meer ladingsdragers bij komen.
