Ohmin laki: mikä se on ja miksi se on tärkeä?

Sähköpiirit ovat läsnä jokapäiväisessä elämässämme. Tästä monimutkaisista integroiduista piireistä, jotka ohjaavat laitetta, jota luet tämän artikkelin, aina johdotukseen, jonka avulla voit vaihtaa a hehkulamppu talossasi päälle ja pois päältä, koko elämäsi olisi täysin erilainen, jos sinua ei ympäröisi piirit kaikkialla mennä.

Mutta useimmat ihmiset eivät todellakaan opi piikkien rakeita siitä, miten piirit toimivat, ja melko yksinkertaisia ​​yhtälöitä - kuten Ohmin laki - joka selittää keskeisten käsitteiden, kuten sähkövastuksen, jännitteen ja sähköisen, väliset suhteet nykyinen. Hieman syvemmälle elektroniikan fysiikkaan tutustuminen voi kuitenkin antaa sinulle paljon syvemmän käsityksen nykyaikaisen tekniikan perussäännöistä.

Ohmin laki on yksi tärkeimmistä yhtälöistä sähköpiirien ymmärtämisessä, mutta jos aiot ymmärtää sen, tarvitset hyvän käsityksen sen yhdistämistä peruskäsitteistä:Jännite​, ​nykyinenjavastus. Ohmin laki on yksinkertaisesti yhtälö, joka kuvaa näiden kolmen suureen suhdetta useimmille johtimille.

Jännite on yleisimmin käytetty termi kahden pisteen väliseen sähköpotentiaalieroon, ja se tarjoaa "työnnön", jonka avulla sähkövaraus voi liikkua johtavan silmukan ympäri.

Sähköpotentiaali on potentiaalienergian muoto, kuten gravitaatiopotentiaalienergia, ja se määritellään sähköpotentiaalienergiana latausyksikköä kohti. Jännitteen SI-yksikkö on voltti (V) ja 1 V = 1 J / C tai yksi joulea energiaa kutakin latauskulomia kohti. Sitä kutsutaan joskus myössähkömoottorin voimatai EMF.

Sähkövirta on sähkövarauksen virtausnopeus tietyn pisteen ohi piirissä, jolla on ampeerin SI-yksikkö (A), jossa 1 A = 1 C / s (yksi varauksen kulma sekunnissa). Se tulee tasavirran (DC) ja vaihtovirran (AC) muodossa, ja vaikka tasavirta on yksinkertaisempi, vaihtovirtapiirit ovat käytetään virran toimittamiseen useimmille kotitalouksille ympäri maailmaa, koska se on helpompaa ja turvallisempaa siirtää pitkiä aikoja etäisyydet.

Viimeinen käsite, joka sinun on ymmärrettävä ennen Ohmin lain käsittelemistä, on vastarinta, joka mittaa piirin nykyisen virtauksen vastustusta. SI-vastusyksikkö on ohmi (joka käyttää kreikkalaista kirjainta omega, Ω), jossa 1 Ω = 1 V / A.

Saksalainen fyysikko Georg Ohm kuvasi jännitteen, virran ja vastuksen suhdetta samannimisessä yhtälössä. Ohmin lain kaava on:

missäVon jännite tai potentiaaliero,Minäon virran ja vastuksen määräRon lopullinen määrä.

Yhtälö voidaan järjestää yksinkertaisella tavalla, jotta saadaan kaava jännitteen ja vastuksen tai virtaan ja jännitteeseen perustuvan vastuksen laskemiseksi. Jos et halua järjestellä yhtälöitä uudelleen, voit etsiä Ohmin lakikolmion (katso Resurssit), mutta se on melko suoraviivaista kaikille, jotka tuntevat algebran perussäännöt.

Ohmin lain yhtälön osoittamat avainkohdat ovat, että jännite on suoraan verrannollinen sähkövirtaan (joten mitä suurempi jännite, sitä suurempi virta), ja virta on kääntäen verrannollinen vastukseen (joten mitä suurempi vastus, sitä pienempi nykyinen).

Voit käyttää veden virtausanalogiaa muistamaan tärkeimmät kohdat, jotka perustuvat putkeen, jonka toinen pää on mäen päällä ja toinen pää alareunassa. Jännite on kuin mäen korkeus (jyrkempi, korkeampi mäki tarkoittaa enemmän jännitettä), virtaus on kuin veden virtaus (vesi virtaa nopeammin alas jyrkemmästä mäestä) ja vastus on kuten putken sivujen ja veden välinen kitka (ohuempi putki luo enemmän kitkaa ja vähentää veden virtauksen nopeutta, kuten suurempi vastus sähkövirralle virtaus).

Ohmin laki on elintärkeä kuvaamaan sähköpiirejä, koska se suhteuttaa jännitteen virtaan, ja vastusarvo hillitsee näiden kahden välistä suhdetta. Tämän vuoksi voit käyttää Ohmin lakia säätämään virran määrää piirissä, lisäämällä vastuksia vähentämään virtaa ja ottamalla ne pois virran määrän lisäämiseksi.

Sitä voidaan myös laajentaa kuvaamaan sähkötehoa (energian virtausnopeus sekunnissa), koska teho P = IV, joten voit käyttää sitä varmistaaksesi, että piirisi tarjoaa riittävästi energiaa esimerkiksi 60 watin laitteelle.

Fysiikan opiskelijoille tärkein asia Ohmin laissa on, että sen avulla voit analysoida piirikaavioita, varsinkin kun yhdistät sen Kirchhoffin lakien kanssa, jotka seuraavat sitä.

Kirchhoffin jännitelaki sanoo, että jännitteen pudotus minkä tahansa piirin suljetun silmukan ympärillä on aina yhtä suuri kuin nolla, ja nykyisen lain mukaan virtapiiriin tai solmuun virtaavan virran määrä on yhtä suuri kuin ulosvirtaava määrä siitä. Voit käyttää Ohmin lakia jännitelain kanssa erityisesti laskeaksesi jännitteen pudotuksen piirin minkä tahansa komponentin yli, mikä on yleinen ongelma elektroniikkaluokissa.

Voit käyttää Ohmin lakia etsimään tuntematon määrä kolmesta, jos tiedät kaksi muuta määrää kyseiselle sähköpiirille. Joidenkin perusesimerkkien tutkiminen osoittaa, miten tämä tehdään.

Kuvittele ensin, että sinulla on 9 voltin akku kytkettynä virtapiiriin, jonka kokonaisresistanssi on 18 Ω. Kuinka paljon virtaa, kun kytket piirin? Järjestämällä Ohmin laki uudelleen (tai käyttämällä kolmiota) löydät:

Joten 0,5 ampeeria virtaa virtaa piirin ympäri. Kuvittele nyt, että tämä on täydellinen virran määrä komponentille, jonka haluat käynnistää, mutta sinulla on vain 12 V: n akku. Kuinka paljon vastusta sinun tulisi lisätä varmistaaksesi, että komponentti saa optimaalisen määrän virtaa? Jälleen voit järjestää Ohmin lain uudelleen ja ratkaista sen vastauksen löytämiseksi:

Joten tarvitset 24 Ω -vastuksen virtapiirisi täydentämiseksi. Lopuksi, mikä on jännitehäviö 5-Ω-vastuksen yli piirissä, jonka läpi kulkee 2 A virtaa? Tällä kertaa lain normaali V = IR-muoto toimii hyvin:

Voit käyttää Ohmin lakia monissa tilanteissa, mutta sen voimassaololle on rajoituksia - se ei ole todellinen fysiikan laki. Laki kuvaa lineaarisen suhteen jännitteen ja virran välillä, mutta tämä suhde pätee vain, jos vastuksella tai resistiivisellä piirielementillä, jolla työskentelet, on jatkuva vastus eri jännitteillä JänniteVja nykyinenMinäarvot.

Materiaaleja, jotka noudattavat tätä sääntöä, kutsutaan ohmisiksi vastuksiksi, ja vaikka useimpiin fysiikan ongelmiin liittyy ohmisia vastuksia, tunnet monet ei-ohmiset vastukset jokapäiväisestä elämästäsi.

Hehkulamppu on täydellinen esimerkki ei-ohmisesta vastuksesta. Kun teet kaavionVvs.Minäohmisille vastuksille se osoittaa täysin suoraviivaisen suhteen, mutta jos teet tämän esimerkiksi lampun kaltaiselle, tilanne muuttuu. Kun lampun hehkulanka lämpenee, polttimon vastuskasvaa, mikä tarkoittaa, että kaaviosta tulee käyrä eikä suora viiva, eikä Ohmin lakia sovelleta.