Elektrilised vooluahelad on meie igapäevases elus üldlevinud. Alates keerukatest integraallülitustest, mis juhivad seadet, mida käesolevat artiklit loete, kuni juhtmestikuni, mis võimaldab teil lülitada a elektripirn teie majas sisse ja välja, oleks kogu teie elu kardinaalselt erinev, kui teid ei ümbritseks ahelad kõikjal mine.
Kuid enamik inimesi ei õpi tegelikult ahelate toimimist ja üsna lihtsaid võrrandeid - nagu Ohmi seadus - see selgitab seoseid selliste põhimõistete vahel nagu elektritakistus, pinge ja elektriline praegune. Pisut süvenedes elektroonika füüsikasse, saate siiski palju sügavama ülevaate põhireeglitest, mis toetavad kõige kaasaegsemat tehnoloogiat.
Mis on Ohmi seadus?
Ohmi seadus on elektriahelate mõistmisel üks olulisemaid võrrandeid, kuid kui hakkate sellest aru saama, peate hästi aru saama selle seostatavatest põhimõistetest:Pinge, praegunejavastupanu. Ohmi seadus on lihtsalt võrrand, mis kirjeldab nende kolme suuruse suhet enamiku juhtide jaoks.
Pinge on kahe punkti elektrilise potentsiaalierinevuse kõige sagedamini kasutatav termin ja see annab „tõuke“, mis võimaldab elektrilaengul liikuda juhtivas ringis.
Elektriline potentsiaal on potentsiaalse energia vorm, nagu gravitatsiooniline potentsiaalenergia, ja see on määratletud kui elektriline potentsiaalenergia laenguühiku kohta. Pinge SI-ühik on volt (V) ja 1 V = 1 J / C ehk üks džaul energiat ühe laadimiskuloni kohta. Mõnikord nimetatakse seda kaelektromotoorjõudvõi EMF.
Elektrivool on elektrilaengu voolukiirus vooluahela antud punktist mööda, mille amprimeetri SI-ühik on A (A), kus 1 A = 1 C / s (üks laadimiskulon sekundis). See on alalisvoolu (DC) ja vahelduvvoolu (AC) kujul ja kuigi alalisvool on lihtsam, on vahelduvvooluahelad kasutatakse energia tarnimiseks enamikule majapidamistele üle kogu maailma, kuna seda on lihtsam ja ohutum pika aja jooksul edastada vahemaad.
Lõplik kontseptsioon, mida peate enne Ohmi seaduse vastu võitlemist mõistma, on vastupanu, mis mõõdab voolu voolu vastuseisu vooluringis. SI takistuse ühik on oom (mis kasutab kreeka tähte omega, Ω), kus 1 Ω = 1 V / A.
Ohmi seaduse võrrand
Saksa füüsik Georg Ohm kirjeldas oma samanimelises võrrandis pinge, voolu ja takistuse suhet. Ohmi seaduse valem on:
V = IR
kusVon pinge või potentsiaalide erinevus,Minaon voolu ja takistuse suurusRon lõplik kogus.
Võrrandit saab lihtsal viisil ümber korraldada, et saada valem voolu arvutamiseks pinge ja takistuse või takistuse põhjal voolu ja pinge põhjal. Kui teil pole võrrandite ümberkorraldamine mugav, võite otsida Ohmi seaduskolmnurga (vt Ressursid), kuid see on kõigile algebra põhireeglitega kursis olevate inimeste jaoks üsna lihtne.
Põhipunktid, mida Ohmi seaduse võrrand näitab, on see, et pinge on otseselt proportsionaalne elektrivooluga (nii et mida suurem on pinge, seda suurem on vool) ja see vool on pöördvõrdeline takistusega (nii et mida suurem takistus, seda väiksem on praegune).
Põhipunktide meenutamiseks võite kasutada veevoolu analoogiat, mis põhineb torul, mille üks ots on mäe tipus ja üks ots all. Pinge on nagu mäe kõrgus (järsem, kõrgem mägi tähendab suuremat pinget), vooluhulk on nagu veevool (järsemast mäest alla voolab vesi kiiremini) ja takistus on nagu hõõrdumine toru külgede ja vee vahel (õhem toru tekitab rohkem hõõrdumist ja vähendab veevoolu kiirust, nagu suurem takistus elektrivoolu korral voolu).
Miks on Ohmi seadus oluline?
Ohmi seadus on elektriskeemide kirjeldamisel ülioluline, kuna see seob pinget vooluga, kusjuures takistuse väärtus mõõdab nende kahe suhet. Selle tõttu saate Ohmi seadusega kontrollida vooluahela voolu, lisades voolutugevuse vähendamiseks takistid ja eemaldades need voolu hulga suurendamiseks.
Seda saab laiendada ka elektrienergia (energia voolukiiruse sekundis) kirjeldamiseks, sest võimsus P = IV ja nii saate seda kasutada tagamaks, et teie vooluahel annab piisavalt energiat näiteks 60-vatise seadme jaoks.
Füüsikaüliõpilaste jaoks on Ohmi seaduse juures kõige olulisem see, et see võimaldab teil analüüsida elektriskeeme, eriti kui ühendate selle Kirchhoffi seadustega, mis sellest lähtuvad.
Kirchhoffi pingeseadus ütleb, et pinge langus ahela mis tahes suletud ahela ümber on alati võrdne nulliga ja kehtiv seadus ütleb, et vooluahela ristmikku või sõlme voolava vooluhulk on võrdne väljavoolava kogusega sellest. Eelkõige saate Ohmi seadust koos pingeseadusega kasutada vooluahela mis tahes komponendi pingelanguse arvutamiseks, mis on elektroonikaklassides levinud probleem.
Ohmi seaduse näited
Nende kolme tundmatu koguse leidmiseks võite kasutada Ohmi seadust, tingimusel et teate ülejäänud kahte kõnealuse elektriskeemi suurust. Mõne põhinäite läbitöötamine näitab teile, kuidas seda tehakse.
Esiteks kujutlege, et teil on 9-voldine aku ühendatud vooluahelaga, mille kogutakistus on 18 Ω. Kui palju voolu voolab vooluahela ühendamisel? Ümber korraldades Ohmi seaduse (või kasutades kolmnurka), leiate:
\ begin {joondatud} I & = \ frac {V} {R} \\ & = \ frac {9 \ text {V}} {18 \ text {Ω}} \\ & = 0.5 \ text {A} \ end {joondatud}
Niisiis voolab vooluahela ümber 0,5 amprit voolu. Kujutage nüüd ette, et see on ideaalne vooluhulk komponendile, mida soovite toita, kuid teil on ainult 12-V aku. Kui suurt vastupanu peaksite lisama, et komponent saaks optimaalse vooluhulga? Jällegi saate vastuse leidmiseks Ohmi seaduse ümber korraldada ja selle lahendada:
\ begin {joondatud} R & = \ frac {V} {I} \\ & = \ frac {12 \ text {V}} {0.5 \ text {A}} \\ & = 24 \ text {Ω} \ end {joondatud}
Niisiis vajaksite vooluahela lõpuleviimiseks 24-Ω takistit. Lõpuks, milline on pinge langus 5-Ω takisti ulatuses vooluahelas, mille kaudu voolab 2 A voolu? Seekord töötab seaduse tavaline V = IR-vorm just hästi:
\ begin {joondatud} V & = IR \\ & = 2 \ text {A} × 5 \ text {Ω} \\ & = 10 \ text {V} \ end {joondatud}
Ohmilised ja mitteohmilised takistid
Ohmi seadust saate kasutada väga erinevates olukordades, kuid selle kehtivusel on piiranguid - see pole tõeliselt põhiline füüsikaseadus. Seadus kirjeldab lineaarset suhet pinge ja voolu vahel, kuid see seos kehtib ainult juhul, kui takisti või takistusahela elemendiga, millega töötate, on pidev takistus erineva all PingeVja praeguneMinaväärtused.
Materjale, mis seda reeglit täidavad, nimetatakse oomtakistiteks ja kuigi enamik füüsikaprobleeme on seotud oomtakistitega, olete tuttav paljude mitteohmiliste takistitega oma igapäevaelust.
Lambipirn on suurepärane mitte-oomilise takisti näide. Kui teete graafikuVvs.Minaoomtakistite puhul näitab see täiesti sirgjoonelist suhet, kuid kui teete seda midagi sellist nagu lambipirn, siis olukord muutub. Kui pirn hõõgniit kuumeneb, on pirni takistussuureneb, mis tähendab, et graafist saab pigem kõver kui sirge ja Ohmi seadus ei kehti.