Ο νόμος του Ohm: Τι είναι και γιατί είναι σημαντικό;

Τα ηλεκτρικά κυκλώματα είναι πανταχού παρόντα στην καθημερινή μας ζωή. Από τα σύνθετα ολοκληρωμένα κυκλώματα που ελέγχουν τη συσκευή, διαβάζετε αυτό το άρθρο έως την καλωδίωση που σας επιτρέπει να αλλάζετε ένα λάμπα στο σπίτι σας μέσα και έξω, ολόκληρη η ζωή σας θα ήταν ριζικά διαφορετική αν δεν περιβαλλόταν από κυκλώματα παντού πηγαίνω.

Όμως, οι περισσότεροι άνθρωποι δεν μαθαίνουν πραγματικά την πικρή φύση του τρόπου λειτουργίας των κυκλωμάτων και των σχετικά απλών εξισώσεων Ο νόμος του Ohm - που εξηγεί τις σχέσεις μεταξύ βασικών εννοιών όπως ηλεκτρική αντίσταση, τάση και ηλεκτρικό ρεύμα. Ωστόσο, αν εξερευνήσετε λίγο βαθύτερα τη φυσική των ηλεκτρονικών μπορεί να σας δώσει μια πολύ βαθύτερη εικόνα των βασικών κανόνων που διέπουν την πιο σύγχρονη τεχνολογία.

Ο νόμος του Ohm είναι μια από τις πιο σημαντικές εξισώσεις όσον αφορά την κατανόηση των ηλεκτρικών κυκλωμάτων, αλλά αν πρόκειται να το καταλάβετε, θα χρειαστείτε μια καλή κατανόηση των βασικών εννοιών που συνδέει:

Η τάση είναι ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος όρος για τη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ δύο σημείων και παρέχει την «ώθηση» που επιτρέπει στο ηλεκτρικό φορτίο να κινείται γύρω από έναν αγώγιμο βρόχο.

Το ηλεκτρικό δυναμικό είναι μια μορφή δυνητικής ενέργειας, όπως η ενεργειακή δυναμική βαρύτητας, και ορίζεται ως η ενέργεια ηλεκτρικού δυναμικού ανά μονάδα φόρτισης. Η μονάδα SI για τάση είναι το βολτ (V) και 1 V = 1 J / C, ή μία ένωση ενέργειας ανά κομβίο φόρτισης. Μερικές φορές καλείται επίσηςηλεκτροκινητική δύναμηή EMF.

Το ηλεκτρικό ρεύμα είναι ο ρυθμός ροής ηλεκτρικού φορτίου πέρα ​​από ένα δεδομένο σημείο σε ένα κύκλωμα, το οποίο έχει τη μονάδα SI του αμπέρ (A), όπου 1 A = 1 C / s (μία κομβία φόρτισης ανά δευτερόλεπτο). Έρχεται με τη μορφή συνεχούς ρεύματος (DC) και εναλλασσόμενου ρεύματος (AC), και παρόλο που το DC είναι απλούστερο, τα κυκλώματα AC είναι χρησιμοποιείται για την παροχή ενέργειας στα περισσότερα νοικοκυριά σε όλο τον κόσμο, επειδή είναι ευκολότερο και ασφαλέστερο να μεταδίδεται για πολύ καιρό αποστάσεις.

Η τελική ιδέα που θα πρέπει να καταλάβετε πριν αντιμετωπίσετε τον νόμο του Ohm είναι η αντίσταση, η οποία είναι ένα μέτρο της αντίθεσης στην τρέχουσα ροή σε ένα κύκλωμα. Η μονάδα SI για αντίσταση είναι το ohm (το οποίο χρησιμοποιεί το ελληνικό γράμμα ωμέγα, Ω), όπου 1 Ω = 1 V / A.

Ο Γερμανός φυσικός Georg Ohm περιέγραψε τη σχέση μεταξύ τάσης, ρεύματος και αντίστασης στην ομώνυμη εξίσωση του. Ο τύπος νόμου του Ohm είναι:

όπουΒείναι η διαφορά τάσης ή δυναμικού,Εγώείναι η ποσότητα ρεύματος και αντίστασηςΡείναι η τελική ποσότητα.

Η εξίσωση μπορεί να αναδιαταχθεί με έναν απλό τρόπο για να παραχθεί ένας τύπος για τον υπολογισμό του ρεύματος με βάση την τάση και την αντίσταση ή αντίσταση με βάση το ρεύμα και την τάση. Εάν δεν είστε άνετοι να αναδιατάξετε τις εξισώσεις, μπορείτε να αναζητήσετε ένα τρίγωνο νόμου του Ohm (βλ. Πόρους), αλλά είναι αρκετά απλό για οποιονδήποτε εξοικειωθεί με τους βασικούς κανόνες της άλγεβρας.

Τα βασικά σημεία που δείχνει η εξίσωση του νόμου του Ohm είναι ότι η τάση είναι άμεσα ανάλογη με το ηλεκτρικό ρεύμα (τόσο υψηλότερη είναι η τάση, όσο υψηλότερο είναι το ρεύμα) και αυτό το ρεύμα είναι αντιστρόφως ανάλογο με την αντίσταση (έτσι όσο υψηλότερη είναι η αντίσταση, τόσο χαμηλότερη είναι η ρεύμα).

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την αναλογία ροής νερού για να θυμάστε τα βασικά σημεία, η οποία βασίζεται σε ένα σωλήνα με ένα άκρο στην κορυφή ενός λόφου και ένα άκρο στο κάτω μέρος. Η τάση είναι σαν το ύψος του λόφου (ένας απότομος, ψηλότερος λόφος σημαίνει περισσότερη τάση), η τρέχουσα ροή είναι σαν τη ροή του νερού (το νερό ρέει γρηγορότερα κάτω από έναν απότομο λόφο) και η αντίσταση είναι όπως η τριβή μεταξύ των πλευρών του σωλήνα και του νερού (ένας λεπτότερος σωλήνας δημιουργεί περισσότερη τριβή και μειώνει την ταχύτητα της ροής του νερού, όπως μια υψηλότερη αντίσταση για το ηλεκτρικό ρεύμα ροή).

Ο νόμος του Ohm είναι ζωτικής σημασίας για την περιγραφή ηλεκτρικών κυκλωμάτων, διότι συσχετίζει την τάση με το ρεύμα, με την τιμή αντίστασης να μετριάζει τη σχέση μεταξύ των δύο. Εξαιτίας αυτού, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το νόμο του Ohm για να ελέγξετε την ποσότητα ρεύματος σε ένα κύκλωμα, προσθέτοντας αντιστάσεις για να μειώσετε την τρέχουσα ροή και να τις αφαιρέσετε για να αυξήσετε την ποσότητα ρεύματος.

Μπορεί επίσης να επεκταθεί για να περιγράψει την ηλεκτρική ισχύ (ο ρυθμός ροής ενέργειας ανά δευτερόλεπτο), επειδή η ισχύς P = IV και έτσι μπορείτε να το χρησιμοποιήσετε για να διασφαλίσετε ότι το κύκλωμα σας παρέχει αρκετή ενέργεια, για παράδειγμα, σε συσκευή 60 watt.

Για τους φοιτητές φυσικής, το πιο σημαντικό πράγμα σχετικά με τον νόμο του Ohm είναι ότι σας επιτρέπει να αναλύετε διαγράμματα κυκλωμάτων, ειδικά όταν το συνδυάζετε με τους νόμους του Kirchhoff, οι οποίοι απορρέουν από αυτόν.

Ο νόμος περί τάσης του Kirchhoff αναφέρει ότι η πτώση τάσης γύρω από οποιονδήποτε κλειστό βρόχο σε ένα κύκλωμα είναι πάντα ίση με το μηδέν και το Ο ισχύων νόμος αναφέρει ότι η ποσότητα ρεύματος που ρέει σε μια διασταύρωση ή κόμβο σε ένα κύκλωμα είναι ίση με την ποσότητα που ρέει από αυτό. Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον νόμο του Ohm με τον νόμο τάσης ειδικότερα για να υπολογίσετε την πτώση τάσης σε οποιοδήποτε στοιχείο ενός κυκλώματος, το οποίο είναι ένα κοινό πρόβλημα που παρουσιάζεται σε τάξεις ηλεκτρονικών.

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το νόμο του Ohm για να βρείτε οποιαδήποτε άγνωστη ποσότητα από τα τρία, με την προϋπόθεση ότι γνωρίζετε τις άλλες δύο ποσότητες για το εν λόγω ηλεκτρικό κύκλωμα. Η επεξεργασία μερικών βασικών παραδειγμάτων σας δείχνει πώς γίνεται αυτό.

Πρώτα, φανταστείτε ότι έχετε μια μπαταρία 9 volt συνδεδεμένη σε ένα κύκλωμα με συνολική αντίσταση 18 Ω. Πόσο ρεύμα ρέει όταν συνδέετε το κύκλωμα; Αναδιατάσσοντας τον νόμο του Ohm (ή χρησιμοποιώντας ένα τρίγωνο), μπορείτε να βρείτε:

Έτσι 0,5 αμπέρ ρεύματος ρέουν γύρω από το κύκλωμα. Τώρα φανταστείτε ότι αυτό είναι το τέλειο ποσό ρεύματος για ένα στοιχείο που θέλετε να τροφοδοτήσετε, αλλά έχετε μόνο μια μπαταρία 12-V. Πόση αντίσταση πρέπει να προσθέσετε για να βεβαιωθείτε ότι το στοιχείο λαμβάνει τη βέλτιστη ποσότητα ρεύματος; Και πάλι, μπορείτε να αναδιατάξετε το νόμο του Ohm και να το λύσετε για να βρείτε την απάντηση:

Έτσι θα χρειαστείτε μια αντίσταση 24-Ω για να ολοκληρώσετε το κύκλωμα σας. Τέλος, ποια είναι η πτώση τάσης σε μια αντίσταση 5-Ω σε ένα κύκλωμα με ρεύμα 2 Α που διατρέχει; Αυτή τη φορά, η τυπική μορφή V = IR του νόμου λειτουργεί καλά:

Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το νόμο του Ohm σε ένα τεράστιο φάσμα καταστάσεων, αλλά υπάρχουν περιορισμοί στην ισχύ του - δεν είναι ένας πραγματικά θεμελιώδης νόμος της φυσικής. Ο νόμος περιγράφει μια γραμμική σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος, αλλά αυτή η σχέση ισχύει μόνο εάν η αντίσταση ή το στοιχείο κυκλώματος αντίστασης με το οποίο εργάζεστε έχει σταθερή αντίσταση κάτω από διαφορετικά ΤάσηΒκαι τρέχονΕγώαξίες.

Τα υλικά που συμμορφώνονται με αυτόν τον κανόνα ονομάζονται ωμικές αντιστάσεις και παρόλο που τα περισσότερα προβλήματα φυσικής περιλαμβάνουν ωμικές αντιστάσεις, θα εξοικειωθείτε με πολλές μη ωμικές αντιστάσεις από την καθημερινή σας ζωή.

Ένας λαμπτήρας είναι ένα τέλειο παράδειγμα μιας μη ωμικής αντίστασης. Όταν δημιουργείτε ένα γράφημα τουΒεναντίονΕγώγια τις ωμικές αντιστάσεις, δείχνει μια εντελώς ευθεία σχέση, αλλά αν το κάνετε για κάτι σαν λάμπα, η κατάσταση αλλάζει. Καθώς το νήμα του λαμπτήρα θερμαίνεται, η αντίσταση του λαμπτήρααυξάνεται, που σημαίνει ότι το γράφημα γίνεται καμπύλη και όχι ευθεία, και ο νόμος του Ohm δεν ισχύει.