Ohmův zákon: Co to je a proč je to důležité?

Elektrické obvody jsou v našem každodenním životě všudypřítomné. Od složitých integrovaných obvodů, které řídí zařízení, o kterém čtete tento článek, až po kabeláž, která vám umožní přepnout a zapínání a vypínání žárovky ve vašem domě, celý váš život by se radikálně lišil, kdybyste nebyli obklopeni obvody všude, kde jste jít.

Ale většina lidí se ve skutečnosti nenaučí hloupost toho, jak fungují obvody, a docela jednoduché rovnice - jako Ohmův zákon - který vysvětluje vztahy mezi klíčovými pojmy jako elektrický odpor, napětí a elektrický proud. Ponořit se trochu hlouběji do fyziky elektroniky vám však může poskytnout mnohem hlubší vhled do základních pravidel, která jsou základem nejmodernější technologie.

Ohmův zákon je jednou z nejdůležitějších rovnic, pokud jde o porozumění elektrickým obvodům, ale pokud tomu porozumíte, budete potřebovat dobrý přehled o základních pojmech, které propojuje:Napětí​, ​proudaodpor. Ohmův zákon je jednoduše rovnice, která popisuje vztah mezi těmito třemi veličinami pro většinu vodičů.

Napětí je nejčastěji používaným výrazem pro rozdíl elektrického potenciálu mezi dvěma body a poskytuje „push“, který umožňuje elektrickému náboji pohybovat se po vodivé smyčce.

Elektrický potenciál je forma potenciální energie, jako je gravitační potenciální energie, a je definována jako elektrická potenciální energie na jednotku náboje. Jednotkou SI pro napětí je volt (V) a 1 V = 1 J / C nebo jedna joula energie na coulomb náboje. Někdy se tomu také říkáelektromotorická sílanebo EMF.

Elektrický proud je rychlost toku elektrického náboje za daný bod v obvodu, který má jednotku SI ampéru (A), kde 1 A = 1 C / s (jedna coulomba náboje za sekundu). Přichází ve formě stejnosměrného (DC) a střídavého proudu (AC), a přestože je stejnosměrný proud jednodušší, střídavé obvody jsou slouží k napájení většiny domácností po celém světě, protože je snazší a bezpečnější přenášet po dlouhou dobu vzdálenosti.

Konečným konceptem, kterému budete muset porozumět, než se pustíte do Ohmova zákona, je odpor, který je měřítkem opozice vůči proudu v obvodu. Jednotkou SI pro odpor je ohm (který používá řecké písmeno omega, Ω), kde 1 Ω = 1 V / A.

Německý fyzik Georg Ohm popsal vztah mezi napětím, proudem a odporem ve své stejnojmenné rovnici. Vzorec Ohmova zákona je:

kdePROTIje rozdíl napětí nebo potenciálu,Jáje množství proudu a odporuRje konečné množství.

Rovnici lze jednoduchým způsobem přeskupit a vytvořit vzorec pro výpočet proudu na základě napětí a odporu nebo odporu na základě proudu a napětí. Pokud vám nevyhovuje nové uspořádání rovnic, můžete vyhledat Ohmův zákonný trojúhelník (viz Zdroje), ale pro každého, kdo je obeznámen se základními pravidly algebry, je to celkem jednoduché.

Klíčové body, které ukazuje Ohmova rovnice, jsou, že napětí je přímo úměrné elektrickému proudu (takže čím vyšší je) napětí, tím vyšší je proud) a tento proud je nepřímo úměrný odporu (čím vyšší je odpor, tím nižší je proud).

Analogii průtoku vody můžete použít k zapamatování si klíčových bodů, která vycházejí z potrubí s jedním koncem na vrcholu kopce a jedním koncem dole. Napětí je jako výška kopce (strmější, vyšší kopec znamená více napětí), aktuální tok je jako tok vody (voda teče rychleji dolů po strmějším kopci) a odpor je jako tření mezi stranami potrubí a vodou (tenčí potrubí vytváří větší tření a snižuje rychlost toku vody, jako vyšší odpor pro elektrický proud tok).

Při popisu elektrických obvodů je životně důležitý Ohmův zákon, protože souvisí s napětím s proudem, přičemž hodnota odporu zmírňuje vztah mezi nimi. Z tohoto důvodu můžete pomocí Ohmova zákona řídit množství proudu v obvodu, přidat rezistory ke snížení toku proudu a odebrat je ke zvýšení množství proudu.

Lze jej také rozšířit k popisu elektrické energie (rychlost toku energie za sekundu), protože energie P = IV, a tak ho můžete použít k zajištění toho, aby váš obvod poskytoval dostatek energie, řekněme, 60 wattovému zařízení.

Pro studenty fyziky je nejdůležitější na Ohmově zákoně to, že vám umožňuje analyzovat obvodová schémata, zvláště když je kombinujete s Kirchhoffovými zákony, které na něj navazují.

Kirchhoffův zákon napětí říká, že pokles napětí kolem jakékoli uzavřené smyčky v obvodu je vždy roven nule a současný zákon stanoví, že množství proudu proudícího do uzlu nebo uzlu v obvodu se rovná množství proudícímu ven toho. Můžete použít Ohmův zákon se zákonem o napětí, zejména k výpočtu úbytku napětí na kterékoli součásti obvodu, což je běžný problém, který představují třídy elektroniky.

Můžete použít Ohmův zákon k vyhledání jakéhokoli neznámého množství těchto tří, pokud znáte další dvě veličiny pro daný elektrický obvod. Postup několika základních příkladů vám ukáže, jak se to děje.

Nejprve si představte, že máte 9voltovou baterii připojenou k obvodu s celkovým odporem 18 Ω. Kolik proudu protéká, když připojíte obvod? Přeskupením Ohmova zákona (nebo pomocí trojúhelníku) můžete najít:

Takže obvodem proudí 0,5 ampéru proudu. Nyní si představte, že se jedná o dokonalé množství proudu pro součást, kterou chcete napájet, ale máte pouze 12 V baterii. Jaký odpor byste měli přidat, abyste se ujistili, že komponenta dostává optimální množství proudu? Opět můžete uspořádat Ohmův zákon a vyřešit jej, abyste našli odpověď:

K dokončení obvodu tedy budete potřebovat odpor 24 Ω. Nakonec, jaký je pokles napětí na rezistoru 5 Ω v obvodu, kterým protéká proud 2 A? Tentokrát standardní V = IR forma zákona funguje dobře:

Ohmův zákon můžete použít v široké škále situací, ale jeho platnost má určitá omezení - nejde o skutečně základní fyzikální zákon. Zákon popisuje lineární vztah mezi napětím a proudem, ale tento vztah platí pouze tehdy, když odpor nebo prvek odporového obvodu, se kterým pracujete, má konstantní odpor pod různými NapětíPROTIa aktuálníJáhodnoty.

Materiály, které se tomuto pravidlu podřizují, se nazývají ohmické rezistory, a ačkoli většina problémů s fyzikou zahrnuje ohmické rezistory, budete znát mnoho neohmických rezistorů ze svého každodenního života.

Žárovka je dokonalým příkladem neohmického rezistoru. Když vytvoříte grafPROTIvs.Jápro ohmické odpory to ukazuje zcela přímý vztah, ale pokud to uděláte pro něco jako žárovka, situace se změní. Jak se vlákno v žárovce zahřívá, odpor žárovkyzvyšuje, což znamená, že graf se stává spíše křivkou než přímkou ​​a Ohmův zákon neplatí.