מעגלים חשמליים נמצאים בכל מקום בחיי היום יום שלנו. מהמעגלים המשולבים המורכבים השולטים במכשיר שאתה קורא מאמר זה ועד לחיווט המאפשר לך לעבור א נורה בבית שלך לסירוגין, כל חייך היו שונים בתכלית אם לא היית מוקף במעגלים בכל מקום שאתה ללכת.
אבל רוב האנשים לא ממש לומדים את הגרעיני של אופן העבודה של המעגלים והמשוואות הפשוטות למדי - כמו חוק אוהם - המסביר את הקשרים בין מושגי מפתח כמו התנגדות חשמלית, מתח וחשמל נוֹכְחִי. עם זאת, התעמקות בפיזיקה של אלקטרוניקה יכולה להעניק לך תובנה עמוקה הרבה יותר לגבי כללי הליבה העומדים בבסיס הטכנולוגיה המודרנית ביותר.
מהו חוק אוהם?
חוק אוהם הוא אחת המשוואות החשובות ביותר בכל הנוגע להבנת מעגלים חשמליים, אך אם אתה הולך להבין זאת, תצטרך להבין היטב את מושגי היסוד שהוא מקשר:מתח, נוֹכְחִיוהִתנַגְדוּת. החוק של אוהם הוא פשוט המשוואה המתארת את הקשר בין שלוש הכמויות הללו עבור רוב המוליכים.
מתח הוא המונח הנפוץ ביותר להפרש הפוטנציאל החשמלי בין שתי נקודות, והוא מספק את "הדחיפה" המאפשרת למטען חשמלי לנוע סביב לולאה מוליכה.
פוטנציאל חשמלי הוא סוג של אנרגיה פוטנציאלית, כמו אנרגיה פוטנציאלית כבידתית, והוא מוגדר כאנרגיה פוטנציאלית חשמלית לכל מטען יחידה. יחידת ה- SI למתח היא הוולט (V) ו- 1 V = 1 J / C, או ג'אול אחד של אנרגיה לכל קולומב של מטען. לפעמים זה נקרא גם
כוח אלקטרומוטיביאו EMF.זרם חשמלי הוא קצב הזרימה של המטען החשמלי מעבר לנקודה נתונה במעגל, בעל יחידת SI של האמפר (A), כאשר 1 A = 1 C / s (קולומב של מטען לשנייה). זה מגיע בצורה של זרם ישר (DC) וזרם חילופין (AC), ולמרות ש- DC פשוט יותר, מעגלי AC הם משמש לספק חשמל לרוב משקי הבית ברחבי העולם מכיוון שקל יותר ובטוח יותר להעביר לאורך זמן מרחקים.
הרעיון הסופי שתצטרך להבין לפני שתתמודד עם החוק של אוהם הוא התנגדות, שהיא מדד להתנגדות לזרימה הנוכחית במעגל. יחידת ה- SI להתנגדות היא אוהם (המשתמשת באות היוונית אומגה, Ω), כאשר 1 Ω = 1 V / A.
משוואת החוק של אוהם
הפיזיקאי הגרמני גיאורג אוהם תיאר את הקשר בין מתח, זרם והתנגדות במשוואה שלו. נוסחת החוק של אוהם היא:
V = IR
איפהוהאם המתח או ההבדל הפוטנציאלי,אניהוא כמות הזרם וההתנגדותרהיא הכמות הסופית.
ניתן לסדר את המשוואה בצורה פשוטה לייצור נוסחה לחישוב זרם על בסיס מתח והתנגדות, או התנגדות על בסיס זרם ומתח. אם לא נוח לך לסדר מחדש משוואות, אתה יכול לחפש משולש חוק אוהם (ראה משאבים), אבל זה די פשוט עבור כל מי שמכיר את הכללים הבסיסיים של האלגברה.
נקודות המפתח שמשוואת החוק של אוהם מציגה הן שהמתח ביחס ישר לזרם החשמלי (כך שככל שהוא גבוה יותר מתח, ככל שהזרם גבוה יותר, וזרם זה ביחס הפוך להתנגדות (כך שככל שההתנגדות גבוהה יותר, כך נמוך יותר נוֹכְחִי).
אתה יכול להשתמש באנלוגיית זרימת המים כדי לזכור את נקודות המפתח, המבוססות על צינור עם קצה אחד בראש גבעה וקצה אחד בתחתית. המתח הוא כמו גובה הגבעה (גבעה תלולה וגבוהה יותר פירושה מתח רב יותר), הזרימה הנוכחית היא כמו זרימת המים (מים זורמים מהר יותר במורד גבעה תלולה יותר) וההתנגדות היא כמו חיכוך בין דפנות הצינור למים (צינור דק יותר יוצר יותר חיכוך ומפחית את מהירות זרימת המים, כמו התנגדות גבוהה יותר לזרם חשמלי זְרִימָה).
מדוע חוק אוהם חשוב?
החוק של אוהם חשוב ביותר לתיאור מעגלים חשמליים מכיוון שהוא מתייחס למתח לזרם, כאשר ערך ההתנגדות ממתן את היחסים בין השניים. בגלל זה, אתה יכול להשתמש בחוק אוהם כדי לשלוט על כמות הזרם במעגל, להוסיף נגדים כדי להפחית את זרימת הזרם ולקחת אותם משם כדי להגדיל את כמות הזרם.
ניתן גם להרחיב אותו כדי לתאר כוח חשמלי (קצב זרימת האנרגיה לשנייה), מכיוון שהספק P = IV, וכך תוכלו להשתמש בו כדי להבטיח שהמעגל שלכם מספק מספיק אנרגיה למכשיר של 60 וואט.
עבור סטודנטים לפיזיקה, הדבר החשוב ביותר בחוק אוהם הוא שהוא מאפשר לך לנתח דיאגרמות מעגל, במיוחד כאשר אתה משלב אותו עם חוקי קירכהוף, הבאים בעקבותיו.
חוק המתח של קירכהוף קובע כי ירידת המתח סביב כל לולאה סגורה במעגל תמיד שווה לאפס, ו- החוק הנוכחי קובע שכמות הזרם הזורם לצומת או לצומת במעגל שווה לכמות הזורמת החוצה מזה. אתה יכול להשתמש בחוק אוהם עם חוק המתח בפרט כדי לחשב את ירידת המתח על כל רכיב במעגל, וזו בעיה נפוצה הנמצאת בשיעורי אלקטרוניקה.
דוגמאות לחוק של אוהם
אתה יכול להשתמש בחוק אוהם כדי למצוא כל כמות לא ידועה מבין השלושה, בתנאי שאתה מכיר את שתי הכמויות האחרות עבור המעגל החשמלי המדובר. עבודה על כמה דוגמאות בסיסיות מראה לך כיצד זה נעשה.
ראשית, דמיין שיש לך סוללה בת 9 וולט המחוברת למעגל עם התנגדות כוללת של 18 Ω. כמה זרם זורם כשמחברים את המעגל? על ידי סידור מחדש של חוק אוהם (או שימוש במשולש), תוכל למצוא:
\ התחל {align} I & = \ frac {V} {R} \\ & = \ frac {9 \ text {V}} {18 \ text {Ω}} \\ & = 0.5 \ text {A} \ end {מיושר}
אז 0.5 אמפר זרם זורם סביב המעגל. עכשיו דמיין שזו הכמות המושלמת של זרם לרכיב שתרצה להפעיל, אך יש לך רק סוללה 12 וולט. כמה התנגדות עליכם להוסיף כדי לוודא שהרכיב מקבל את כמות הזרם האופטימלית? שוב, אתה יכול לסדר מחדש את חוק אוהם ולפתור אותו כדי למצוא את התשובה:
\ התחל {align} R & = \ frac {V} {I} \\ & = \ frac {12 \ text {V}} {0.5 \ text {A}} \\ & = 24 \ text {Ω} \ end {מיושר}
אז תזדקק לנגד 24 Ω כדי להשלים את המעגל שלך. לבסוף, מהי ירידת המתח על פני נגד 5 Ω במעגל עם זרם 2 A הזורם דרכו? הפעם הצורה הסטנדרטית V = IR של החוק עובדת בסדר גמור:
\ התחל {מיושר} V & = IR \\ & = 2 \ טקסט {A} × 5 \ טקסט {Ω} \\ & = 10 \ טקסט {V} \ סוף {מיושר}
נגדים אוחמיים ולא אוהם
אתה יכול להשתמש בחוק אוהם במגוון עצום של מצבים, אך יש מגבלות על תוקפו - זה לא חוק יסודי של הפיזיקה. החוק מתאר קשר לינארי בין מתח לזרם, אך קשר זה מתקיים רק אם הנגד או אלמנט המעגל ההתנגדות שאיתו אתה עובד הוא בעל התנגדות קבועה תחת שונה מתחווזרםאניערכים.
חומרים המצייתים לכלל זה נקראים נגדים אוהם, ולמרות שרוב בעיות הפיזיקה יכללו נגדים אוהם, תוכלו להכיר נגדים לא אוהם רבים מחיי היום יום שלכם.
נורה היא דוגמה מושלמת לנגד שאינו אוהם. כאשר אתה עושה גרף שלולעומת.אניעבור נגדים אוהם, זה מראה קשר ישר לחלוטין, אך אם אתה עושה זאת למשהו כמו נורה, המצב משתנה. כאשר הלהט בנורה מתחמם, ההתנגדות של הנורהעולה, כלומר הגרף הופך לעקומה ולא לקו ישר, וחוק אוהם אינו חל.