Ohmov zakon: što je to i zašto je važno?

Električni krugovi su sveprisutni u našem svakodnevnom životu. Od složenih integriranih krugova koji upravljaju uređajem o kojem čitate ovaj članak do ožičenja koje vam omogućuju prebacivanje a žarulje u vašoj kući i uključite i isključite, čitav bi vam život bio radikalno drugačiji da niste svuda okruženi krugovima ići.

Ali većina ljudi zapravo ne uči glatko kako funkcioniraju sklopovi i prilično jednostavne jednadžbe - poput Ohmov zakon - koji objašnjava odnos između ključnih pojmova poput električnog otpora, napona i električnog Trenutno. Međutim, ako malo dublje zađete u fiziku elektronike, možete dobiti puno dublji uvid u temeljna pravila koja podupiru većinu moderne tehnologije.

Ohmov zakon jedna je od najvažnijih jednadžbi kada je u pitanju razumijevanje električnih krugova, ali ako ćete ga razumjeti, trebat će vam dobro razumijevanje osnovnih pojmova koje on povezuje:napon​, ​Trenutnoiotpornost. Ohmov zakon jednostavno je jednadžba koja opisuje odnos između ove tri veličine za većinu vodiča.

Napon je najčešće korišten izraz za razliku u električnom potencijalu između dviju točaka i pruža "potisak" koji omogućuje električnom naboju kretanje oko provodne petlje.

Električni potencijal je oblik potencijalne energije, poput gravitacijske potencijalne energije, i definiran je kao električna potencijalna energija po jedinici naboja. SI jedinica za napon je volt (V), a 1 V = 1 J / C, ili jedan džul energije po kulonu naboja. Ponekad se također zoveelektromotorna silaili EMF.

Električna struja je brzina protoka električnog naboja iza određene točke u krugu, koji ima SI jedinicu ampera (A), gdje je 1 A = 1 C / s (jedan kulon naboja u sekundi). Dolazi u obliku istosmjerne (DC) i izmjenične struje (AC), a iako je istosmjerna struja jednostavnija, izmjenični krugovi su koristi se za opskrbu većine kućanstava širom svijeta jer ga je lakše i sigurnije prenositi dugo udaljenosti.

Konačni koncept koji ćete morati razumjeti prije nego što se pozabavite Ohmovim zakonom je otpor, koji je mjera suprotnosti strujanju struje u krugu. SI jedinica za otpor je ohm (koji koristi grčko slovo omega, Ω), gdje je 1 Ω = 1 V / A.

Njemački fizičar Georg Ohm opisao je odnos između napona, struje i otpora u svojoj istoimenoj jednadžbi. Formula Ohmovog zakona je:

gdjeVje napon ili razlika potencijala,Jaje količina struje i otporaRje konačna količina.

Jednadžba se može preurediti na jednostavan način da se dobije formula za izračunavanje struje na temelju napona i otpora ili otpora na temelju struje i napona. Ako vam nije ugodno preslagivanje jednadžbi, možete potražiti Ohmov zakonski trokut (vidi Resursi), ali to je sasvim jednostavno za svakoga tko je upoznat s osnovnim pravilima algebre.

Ključne točke koje pokazuje jednadžba Ohmovog zakona su da je napon izravno proporcionalan električnoj struji (pa što je veći napon, veća je struja), a ta je struja obrnuto proporcionalna otporu (dakle, što je otpor veći, to je niža Trenutno).

Analogijom protoka vode možete se prisjetiti ključnih točaka koja se temelji na cijevi s jednim krajem na vrhu brda i jednim krajem na dnu. Napon je poput visine brda (strmiji, viši brežuljak znači veći napon), strujni tok je poput protoka vode (voda brže teče niz strmiji brežuljak), a otpor je poput trenja između stranica cijevi i vode (tanja cijev stvara veće trenje i smanjuje brzinu protoka vode, poput većeg otpora kod električne struje teći).

Ohmov zakon je od vitalne važnosti za opisivanje električnih krugova jer povezuje napon sa strujom, a vrijednost otpora moderira odnos između njih dvoje. Zbog toga možete koristiti Ohmov zakon za kontrolu količine struje u krugu, dodajući otpornike kako biste smanjili protok struje i oduzimajući ih kako biste povećali količinu struje.

Također se može proširiti kako bi opisao električnu snagu (brzinu protoka energije u sekundi), jer snaga P = IV, i tako ga možete koristiti kako biste osigurali da vaš krug daje dovoljno energije, recimo, uređaju od 60 vata.

Za studente fizike najvažnija stvar o Ohmovu zakonu jest to što vam omogućuje analizu shema sklopova, posebno kada ga kombinirate s Kirchhoffovim zakonima, koji slijede iz njega.

Kirchhoffov zakon napona kaže da je pad napona oko bilo koje zatvorene petlje u krugu uvijek jednak nuli, a važeći zakon kaže da je količina struje koja teče u spoj ili čvor u krugu jednaka količini koja istječe toga. Ohmov zakon možete koristiti sa zakonom napona, posebno za izračunavanje pada napona na bilo kojoj komponenti kruga, što je čest problem postavljen na satovima elektronike.

Ohmovim zakonom možete pronaći bilo koju nepoznatu količinu od tri, pod uvjetom da znate ostale dvije veličine za dotični električni krug. Obrada nekoliko osnovnih primjera pokazuje vam kako se to radi.

Prvo zamislite da imate 9-voltnu bateriju spojenu na krug s ukupnim otporom 18 Ω. Kolika struja teče kad spojite krug? Preuređivanjem Ohmovog zakona (ili pomoću trokuta) možete pronaći:

Dakle, oko kruga teče 0,5 ampera struje. Sad zamislite da je ovo savršena količina struje za komponentu koju želite napajati, ali imate samo 12-V bateriju. Koliki otpor trebate dodati kako biste bili sigurni da komponenta dobiva optimalnu količinu struje? Opet, možete preurediti Ohmov zakon i riješiti ga da biste pronašli odgovor:

Dakle, potreban vam je otpor od 24 Ω da biste dovršili svoj krug. Konačno, koliki je pad napona na otporniku od 5 Ω u krugu kroz koji prolazi struja od 2 A? Ovaj put standardni V = IR oblik zakona djeluje sasvim u redu:

Ohmov zakon možete koristiti u velikom rasponu situacija, ali postoje ograničenja njegove valjanosti - on uistinu nije temeljni zakon fizike. Zakon opisuje linearni odnos između napona i struje, ali taj odnos vrijedi samo ako otpornik ili element otpornog kruga s kojim radite ima stalni otpor pod različitim naponVi trenutniJavrijednosti.

Materijali koji se pridržavaju ovog pravila nazivaju se omski otpornici, i premda će većina problema s fizikom uključivati ​​omske otpore, mnogi će vam ne-omski otpornici biti poznati iz vašeg svakodnevnog života.

Žarulja je savršen primjer ne-omskog otpora. Kada napravite grafikonVnasuprotJaza omske otpore pokazuje potpuno linearni odnos, ali ako to učinite za nešto poput žarulje, situacija se mijenja. Kako se filament u žarulji zagrijava, otpor žaruljepovećava, što znači da graf postaje krivulja, a ne ravna crta, a Ohmov zakon ne vrijedi.