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Legge di Ohm: verità universale o comoda approssimazione?

La Legge di Ohm (V = I·R) è la prima legge dei circuiti, ma non è una legge universale di fisica come la gravità o la termodinamica. È una proprietà materiale empirica—vera solo per materiali ohmici in condizioni specifiche. La maggior parte dei dispositivi reali la viola.

Dove vale: Conduttori ohmici (lineari)

Dove fallisce: Dispositivi non-ohmici (non lineari)

La resistenza cambia con la tensione o la corrente applicata. La curva V-I non è una retta. "Resistenza" diventa una funzione: R(V) o R(I). Definiamo Resistenza statica (V/I in un punto) e Resistenza dinamica (dV/dI — la pendenza).

Dispositivo / MaterialeMeccanismo non lineareCaratteristica V-I
Diodi a semiconduttore (PN, Schottky, LED)Iniezione esponenziale di portatori attraverso la regione di deplezioneI = I₀(e^(qV/nkT) - 1). Accensione netta (~0,7V Si, ~0,3V Schottky, ~1,8–3V LED).
Transistor (BJT, MOSFET, IGBT)Conduttività del canale controllata da campoInterruzione → Attivo (lineare/saturazione) → Saturazione. Tre terminali; V-I è una famiglia di curve.
Tubi a scarica di gas / Neon / Fluorescenti / PlasmaValanga di ionizzazione, regione di resistenza negativaAlta tensione di rottura → caduta improvvisa (R negativa) → bagliore/arco. Necessita reattore.
Varistori (MOV) / Diodi TVSRottura dipendente dalla tensione (valanga/Zener)Alta R sotto Vclamp → Bassa R sopra. Protezione da sovratensioni.
Termistori (NTC/PTC)Resistività dipendente dalla temperatura (autoriscaldamento o ambiente)NTC: R cala quando T sale. PTC: R spike al punto di Curie. L'autoriscaldamento rende V-I non lineare.
Filamento incandescenza (Tungsteno)Coefficiente di temperatura della resistività (α ≈ 4,5×10⁻³/K)R fredda ≈ 1/10–1/15 R calda. Corrente di spunto 10–15× lo stato stabile.
Elettroliti (alta corrente)Polarizzazione di concentrazione, polarizzazione elettrodeDeviazione dalla linearità ad alta densità di corrente.
Valvole a vuotoCorrente limitata da carica spaziale (Legge di Child-Langmuir: I ∝ V^(3/2))Non lineare. Storico.

Perché è importante: Analisi del piccolo segnale

Anche per dispositivi non-ohmici, lineariizziamo attorno a un punto di polarizzazione (Q-point):

rd = dV/dI |Q (Resistenza dinamica / di piccolo segnale)

Ciò consente l'analisi CA usando la Legge di Ohm sui segnali incrementali (v = i·rd). L'intero modello di piccolo segnale di un transistor (rπ, gm, ro) è costruito su questo concetto.

Temperatura: Il silenzioso infrangitore della Legge di Ohm

Anche i resistori "ohmici" hanno un TCR (Coefficiente di Temperatura della Resistenza). Resistori di precisione: ±25 ppm/°C. Carbonio economico: ±500 ppm/°C. Un resistore da 100 ppm/°C cambia del 1% ogni 10°C. Nei circuiti di precisione, questa è una fonte di errore dominante. I resistori di potenza devono essere derattizzati e dissipati.

Conclusione

Sapere dove fallisce è ciò che separa un analista di circuiti da un sostituente di componenti.

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