Законът на Ом: Какво е това и защо е важно?

Електрическите вериги са повсеместни в ежедневния ни живот. От сложните интегрални схеми, които управляват устройството, което четете тази статия, до окабеляването, което ви позволява да превключите a електрическа крушка в къщата ви включена и изключена, целият ви живот би бил коренно различен, ако не сте заобиколени от вериги навсякъде отивам.

Но повечето хора всъщност не научават глупавата пясъчност на това как работят веригите и сравнително прости уравнения - като Законът на Ом - който обяснява връзките между ключови понятия като електрическо съпротивление, напрежение и електричество текущ. Въпреки това, задълбочаването във физиката на електрониката може да ви даде много по-задълбочена представа за основните правила, които са в основата на повечето съвременни технологии.

Законът на Ом е едно от най-важните уравнения, що се отнася до разбирането на електрическите вериги, но ако ще го разберете, ще ви е необходимо добро разбиране на основните понятия, които той свързва:

Напрежението е най-често използваният термин за електрическата потенциална разлика между две точки и осигурява „тласкането“, което позволява на електрическия заряд да се движи около проводящ контур.

Електрическият потенциал е форма на потенциална енергия, като гравитационната потенциална енергия, и се определя като електрическа потенциална енергия на единица заряд. SI единицата за напрежение е волтът (V) и 1 V = 1 J / C, или един джаул енергия на кулон заряд. Понякога също се наричаелектродвижеща силаили EMF.

Електрическият ток е скоростта на потока на електрическия заряд след дадена точка във верига, която има SI единица на ампера (A), където 1 A = 1 C / s (един кулон заряд в секунда). Той се предлага под формата на постоянен ток (DC) и променлив ток (AC) и въпреки че DC е по-опростен, променливотоковите вериги са се използва за захранване на повечето домакинства по света, защото е по-лесно и по-безопасно да се предава дълго време разстояния.

Последната концепция, която ще трябва да разберете, преди да се справите със закона на Ом, е съпротивлението, което е мярка за противопоставянето на текущия поток във верига. SI единицата за съпротивление е ома (който използва гръцката буква омега, Ω), където 1 Ω = 1 V / A.

Германският физик Георг Ом описа връзката между напрежението, тока и съпротивлението в едноименното си уравнение. Формулата на закона на Ом е:

къдетоVе напрежението или потенциалната разлика,Азе количеството ток и съпротивлениеRе крайното количество.

Уравнението може да бъде пренаредено по прост начин, за да се получи формула за изчисляване на тока въз основа на напрежение и съпротивление или съпротивление въз основа на тока и напрежението. Ако не ви е удобно да пренареждате уравнения, можете да потърсите триъгълника на закона на Ом (вж. Ресурси), но това е съвсем просто за всеки, запознат с основните правила на алгебрата.

Ключовите моменти, които показва уравнението на закона на Ом, са, че напрежението е право пропорционално на електрическия ток (така че колкото по-голямо е напрежение, толкова по-висок е токът) и този ток е обратно пропорционален на съпротивлението (така че колкото по-голямо е съпротивлението, толкова по-ниско е текущ).

Можете да използвате аналогията на водния поток, за да запомните ключовите точки, които се основават на тръба с единия край в горната част на хълма и единия край в долната част. Напрежението е като височината на хълма (по-стръмен, по-висок хълм означава повече напрежение), текущият поток е като потока на водата (водата тече по-бързо по стръмен хълм) и съпротивлението е като триенето между страните на тръбата и водата (по-тънката тръба създава повече триене и намалява скоростта на водния поток, подобно на по-голямото съпротивление при електрическия ток поток).

Законът на Ом е жизненоважен за описването на електрическите вериги, тъй като той свързва напрежението с тока, като стойността на съпротивлението модерира връзката между двете. Поради това можете да използвате закона на Ом, за да контролирате количеството ток във верига, като добавяте резистори за намаляване на текущия поток и ги отнемате, за да увеличите количеството на тока.

Той може също да бъде разширен, за да опише електрическата мощност (скоростта на енергийния поток в секунда), тъй като мощността P = IV и така можете да го използвате, за да сте сигурни, че вашата верига осигурява достатъчно енергия за, да речем, 60-ватов уред.

За студентите по физика най-важното за закона на Ом е, че той ви позволява да анализирате схеми на веригите, особено когато го комбинирате със законите на Кирххоф, които следват от него.

Законът за напрежението на Kirchhoff гласи, че спадът на напрежението около всеки затворен контур във верига винаги е равен на нула, а действащият закон гласи, че количеството ток, протичащо в кръстовище или възел във верига, е равно на количеството, което изтича навън от него. Можете да използвате закона на Ом със закона за напрежението, по-специално, за да изчислите спада на напрежението във всеки компонент на верига, което е често срещан проблем, поставен в класовете по електроника.

Можете да използвате закона на Ом, за да намерите всяко неизвестно количество от трите, при условие, че знаете останалите две величини за въпросната електрическа верига. Работата с някои основни примери ви показва как се прави това.

Първо, представете си, че имате 9-волтова батерия, свързана към верига с общо съпротивление 18 Ω. Колко ток протича, когато свържете веригата? Пренареждайки закона на Ом (или използвайки триъгълник), можете да намерите:

Така 0,5 ампера ток протича около веригата. Сега си представете, че това е идеалното количество ток за компонент, който искате да захранвате, но имате само 12-V батерия. Колко съпротивление трябва да добавите, за да сте сигурни, че компонентът получава оптималното количество ток? Отново можете да пренаредите закона на Ом и да го решите, за да намерите отговора:

Така че ще ви е необходим 24-Ω резистор, за да завършите веригата си. И накрая, какъв е спадът на напрежението в 5-Ω резистор във верига с 2 A ток, преминаващ през него? Този път стандартната V = IR форма на закона работи добре:

Можете да използвате закона на Ом в огромен набор от ситуации, но има ограничения за неговата валидност - той не е наистина основен закон на физиката. Законът описва линейна връзка между напрежението и тока, но тази връзка се отнася само ако резисторът или резистивният елемент на веригата, с който работите, има постоянно съпротивление при различни волтажVи токАзстойности.

Материалите, които се подчиняват на това правило, се наричат ​​омични резистори и въпреки че повечето физически проблеми ще включват омични резистори, вие ще сте запознати с много неомични резистори от ежедневния си живот.

Една крушка е идеален пример за неомичен резистор. Когато правите графика наVсрещу.Азза омични резистори показва напълно права връзка, но ако направите това за нещо като крушка, ситуацията се променя. Тъй като нишката в крушката се нагрява, съпротивлението на крушкатасе увеличава, което означава, че графиката се превръща в крива, а не в права линия, а законът на Ом не се прилага.