قانون أوم: ما هو ولماذا هو مهم؟

الدوائر الكهربائية موجودة في كل مكان في حياتنا اليومية. من الدوائر المتكاملة المعقدة التي تتحكم في الجهاز الذي تقرأ عليه هذه المقالة إلى الأسلاك التي تسمح لك بتبديل المصباح الكهربائي في منزلك مضاءً وإغلاقًا ، ستكون حياتك بأكملها مختلفة تمامًا إذا لم تكن محاطًا بالدوائر في كل مكان اذهب.

لكن معظم الناس لا يتعلمون حقًا التفاصيل الجوهرية لكيفية عمل الدوائر والمعادلات البسيطة إلى حد ما - مثل قانون أوم - الذي يشرح العلاقات بين المفاهيم الأساسية مثل المقاومة الكهربائية والجهد والكهرباء تيار. ومع ذلك ، فإن التعمق في فيزياء الإلكترونيات يمكن أن يمنحك نظرة أعمق بكثير للقواعد الأساسية التي تقوم عليها معظم التقنيات الحديثة.

يعد قانون أوم أحد أهم المعادلات عندما يتعلق الأمر بفهم الدوائر الكهربائية ، ولكن إذا كنت ستفهمه ، فستحتاج إلى فهم جيد للمفاهيم الأساسية التي يربطها:الجهد االكهربى​, ​تيارومقاومة. قانون أوم هو ببساطة المعادلة التي تصف العلاقة بين هذه الكميات الثلاثة لمعظم الموصلات.

الجهد الكهربي هو المصطلح الأكثر استخدامًا لفرق الجهد الكهربائي بين نقطتين ، وهو يوفر "الدفع" الذي يسمح للشحنة الكهربائية بالتحرك حول حلقة موصلة.

الجهد الكهربائي هو شكل من أشكال الطاقة الكامنة ، مثل طاقة وضع الجاذبية ، ويتم تعريفه على أنه طاقة الوضع الكهربائي لكل وحدة شحنة. وحدة SI للجهد هي الفولت (V) ، و 1 V = 1 J / C ، أو جول واحد من الطاقة لكل كولوم شحنة. يطلق عليه أحيانًا أيضًاالقوة الدافعة الكهربائيةأو EMF.

التيار الكهربائي هو معدل تدفق الشحنة الكهربية بعد نقطة معينة في دائرة بها وحدة SI للأمبير (A) ، حيث 1 A = 1 C / s (كولوم شحنة واحدة في الثانية). يأتي في شكل تيار مباشر (DC) وتيار متناوب (AC) ، وعلى الرغم من أن التيار المستمر أبسط ، فإن دوائر التيار المتردد هي تستخدم لتوفير الطاقة لمعظم الأسر حول العالم لأنه من الأسهل والأكثر أمانًا نقلها لفترة طويلة المسافات.

المفهوم الأخير الذي ستحتاج إلى فهمه قبل معالجة قانون أوم هو المقاومة ، وهي مقياس لمقاومة التدفق الحالي في الدائرة. وحدة SI للمقاومة هي أوم (الذي يستخدم الحرف اليوناني أوميغا ، Ω) ، حيث 1 Ω = 1 V / A.

وصف الفيزيائي الألماني جورج أوم العلاقة بين الجهد والتيار والمقاومة في معادلته التي تحمل اسمه. صيغة قانون أوم هي:

أينالخامسهو فرق الجهد أو الجهد ،أناهو مقدار التيار والمقاومةرهي الكمية النهائية.

يمكن إعادة ترتيب المعادلة بطريقة بسيطة لإنتاج صيغة لحساب التيار على أساس الجهد والمقاومة ، أو المقاومة على أساس التيار والجهد. إذا لم تكن مرتاحًا لإعادة ترتيب المعادلات ، فيمكنك البحث عن مثلث قانون أوم (انظر الموارد) ، لكنه واضح تمامًا لأي شخص على دراية بالقواعد الأساسية للجبر.

النقاط الرئيسية التي تظهرها معادلة قانون أوم هي أن الجهد يتناسب طرديًا مع التيار الكهربائي (لذلك كلما ارتفع الجهد ، كلما زاد التيار) ، وهذا التيار يتناسب عكسيا مع المقاومة (لذلك كلما زادت المقاومة ، انخفض تيار).

يمكنك استخدام قياس تدفق المياه لتذكر النقاط الرئيسية ، والتي تعتمد على أنبوب بنهاية واحدة في أعلى تل ونهاية في الجزء السفلي. الجهد مثل ارتفاع التل (التل الأعلى انحدارًا يعني المزيد من الجهد) ، التدفق الحالي يشبه تدفق الماء (يتدفق الماء بشكل أسرع أسفل تل أكثر انحدارًا) والمقاومة هي مثل الاحتكاك بين جوانب الأنبوب والماء (يخلق الأنبوب الرقيق مزيدًا من الاحتكاك ويقلل من سرعة تدفق الماء ، كما تفعل مقاومة أعلى للتيار الكهربائي تدفق).

يعتبر قانون أوم مهمًا للغاية لوصف الدوائر الكهربائية لأنه يربط الجهد بالتيار ، حيث تعمل قيمة المقاومة على تعديل العلاقة بين الاثنين. لهذا السبب ، يمكنك استخدام قانون أوم للتحكم في مقدار التيار في الدائرة ، وإضافة مقاومات لتقليل التدفق الحالي وإبعادها لزيادة كمية التيار.

يمكن أيضًا أن يمتد لوصف الطاقة الكهربائية (معدل تدفق الطاقة في الثانية) ، لأن الطاقة P = IV ، وبالتالي يمكنك استخدامه للتأكد من أن دائرتك توفر طاقة كافية ، على سبيل المثال ، لجهاز 60 واط.

بالنسبة لطلاب الفيزياء ، فإن أهم شيء في قانون أوم هو أنه يسمح لك بتحليل مخططات الدوائر ، خاصةً عند دمجها مع قوانين كيرشوف ، التي تتبعها.

ينص قانون كيرشوف للجهد على أن انخفاض الجهد حول أي حلقة مغلقة في دائرة ما يساوي دائمًا صفرًا ، وأن ينص القانون الحالي على أن مقدار التيار المتدفق إلى تقاطع أو عقدة في دائرة ما يساوي الكمية المتدفقة للخارج منه. يمكنك استخدام قانون أوم مع قانون الجهد على وجه الخصوص لحساب انخفاض الجهد عبر أي مكون من مكونات الدائرة ، وهي مشكلة شائعة في فئات الإلكترونيات.

يمكنك استخدام قانون أوم للعثور على أي كمية غير معروفة من الثلاثة ، بشرط أن تعرف الكميتين الأخريين للدائرة الكهربائية المعنية. يوضح لك العمل من خلال بعض الأمثلة الأساسية كيفية القيام بذلك.

أولاً ، تخيل أن لديك بطارية 9 فولت متصلة بدائرة بمقاومة إجمالية تبلغ 18 Ω. كم يتدفق التيار عند توصيل الدائرة؟ من خلال إعادة ترتيب قانون أوم (أو باستخدام مثلث) ، يمكنك أن تجد:

لذا فإن 0.5 أمبير من التيار يتدفق حول الدائرة. تخيل الآن أن هذا هو المقدار المثالي من التيار لمكون تريد تشغيله ، لكن لديك بطارية 12 فولت فقط. ما مقدار المقاومة التي يجب أن تضيفها للتأكد من حصول المكون على الكمية المثلى من التيار؟ مرة أخرى ، يمكنك إعادة ترتيب قانون أوم وحلها للعثور على الإجابة:

لذلك ستحتاج إلى مقاوم 24-لإكمال دائرتك. أخيرًا ، ما هو انخفاض الجهد عبر المقاوم 5-في دائرة يتدفق خلالها تيار 2 A؟ هذه المرة ، يعمل النموذج القياسي V = IR للقانون بشكل جيد:

يمكنك استخدام قانون أوم في مجموعة كبيرة من المواقف ، ولكن هناك قيود على صلاحيته - إنه ليس قانونًا أساسيًا في الفيزياء حقًا. يصف القانون علاقة خطية بين الجهد والتيار ، لكن هذه العلاقة لا تصح إلا إذا المقاوم أو عنصر الدائرة المقاومة الذي تعمل به له مقاومة ثابتة تحت مختلف الجهد االكهربىالخامسوالحاليةأناالقيم.

تسمى المواد التي تلتزم بهذه القاعدة المقاومات الأومية ، وعلى الرغم من أن معظم المشكلات الفيزيائية تتضمن مقاومات أومية ، فستكون على دراية بالعديد من المقاومات غير الأومية من حياتك اليومية.

المصباح الكهربائي هو مثال ممتاز على المقاوم غير الأومي. عندما تقوم بعمل رسم بياني لـالخامسضد.أنابالنسبة للمقاومات الأومية ، فإنه يُظهر علاقة خط مستقيم تمامًا ، ولكن إذا قمت بذلك لشيء مثل المصباح الكهربائي ، يتغير الموقف. مع تسخين الفتيل الموجود في المصباح ، تكون مقاومة المصباحيزيد، مما يعني أن الرسم البياني يصبح منحنى وليس خطًا مستقيمًا ، ولا ينطبق قانون أوم.