Elektros grandinės yra visur mūsų kasdieniniame gyvenime. Nuo sudėtingų integrinių grandynų, valdančių įrenginį, kurį skaitote šiame straipsnyje, iki laidų, leidžiančių perjungti a lemputė jūsų namuose įjungta ir išjungta, visas jūsų gyvenimas būtų kardinaliai kitoks, jei jūsų neaptiktų visur esančios grandinės eik.
Tačiau dauguma žmonių iš tikrųjų nesimoko grandinėlių veikimo ir gana paprastų lygčių Ohmo dėsnis - paaiškinantis ryšius tarp pagrindinių sąvokų, tokių kaip elektrinė varža, įtampa ir elektrinė srovė. Tačiau šiek tiek gilinantis į elektronikos fiziką, galite daug giliau suprasti pagrindines taisykles, kuriomis grindžiamos šiuolaikinės technologijos.
Kas yra Ohmo įstatymas?
Ohmo dėsnis yra viena iš svarbiausių lygčių, kai reikia suprasti elektros grandines, tačiau jei ketinate tai suprasti, jums reikės gerai suprasti pagrindines jo susietas sąvokas:Įtampa, srovėirpasipriešinimas. Ohmo dėsnis yra tiesiog lygtis, apibūdinanti šių trijų dydžių santykį daugumai laidininkų.
Įtampa yra dažniausiai vartojamas dviejų taškų elektrinio potencialo skirtumo terminas, kuris suteikia „stūmimą“, leidžiantį elektriniam krūviui judėti aplink laidžią kilpą.
Elektrinis potencialas yra potencialios energijos forma, pavyzdžiui, gravitacinė potencialo energija, ir ji apibrėžiama kaip elektros energijos potencialas vienam įkrovos vienetui. SI įtampos vienetas yra voltas (V) ir 1 V = 1 J / C arba vienas džaulis energijos vienam įkrovos kulonui. Kartais taip pat vadinamaelektromotorinė jėgaarba EML.
Elektros srovė yra elektros krūvio srautas per tam tikrą grandinės tašką, kurio ampero SI vienetas (A), kur 1 A = 1 C / s (viena įkrovos kulona per sekundę). Jis yra nuolatinės srovės (DC) ir kintamosios srovės (AC) pavidalu, ir nors nuolatinė srovė yra paprastesnė, kintamosios srovės grandinės yra naudojamas tiekti energiją daugumai namų ūkių visame pasaulyje, nes jį lengviau ir saugiau perduoti ilgai atstumus.
Galutinė sąvoka, kurią turėsite suprasti prieš spręsdami Ohmo dėsnį, yra pasipriešinimas, kuris yra priešpriešos dabartiniam srautui grandinėje matas. SI pasipriešinimo vienetas yra omas (kuris naudoja graikišką raidę omega, Ω), kur 1 Ω = 1 V / A.
Ohmo dėsnio lygtis
Vokiečių fizikas Georgas Ohmas aprašė įtampos, srovės ir pasipriešinimo santykį savo paties pavadinime. Ohmo dėsnio formulė yra:
V = IR
kurVyra įtampos arba potencialų skirtumas,Ašyra srovės ir varžos dydisRyra galutinis kiekis.
Lygtį galima pertvarkyti paprastu būdu, kad būtų sukurta formulė, pagal kurią apskaičiuojama srovė pagal įtampą ir varžą arba pasipriešinimą pagal srovę ir įtampą. Jei jums nepatogu pertvarkyti lygtis, galite ieškoti Ohmo dėsnio trikampio (žr. „Ištekliai“), tačiau visiems, žinantiems pagrindines algebros taisykles, tai gana paprasta.
Pagrindiniai dalykai, kuriuos rodo Ohmo dėsnio lygtis, yra tai, kad įtampa yra tiesiogiai proporcinga elektros srovei (taigi kuo didesnė įtampa, tuo didesnė srovė), ir ta srovė yra atvirkščiai proporcinga varžai (taigi kuo didesnė varža, tuo mažesnė srovė).
Norėdami prisiminti pagrindinius taškus, galite naudoti vandens srauto analogiją, kurios pagrindas yra vamzdis, kurio vienas galas yra kalvos viršuje, o vienas galas - apačioje. Įtampa yra kaip kalvos aukštis (statesnė, aukštesnė kalva reiškia daugiau įtampos), srovės srautas yra kaip vandens srautas (vanduo staigiau lekia žemiau stačios kalvos) ir pasipriešinimas kaip trintis tarp vamzdžio šonų ir vandens (plonesnis vamzdis sukuria daugiau trinties ir sumažina vandens tekėjimo greitį, kaip didesnis atsparumas elektros srovei) srautas).
Kodėl Ohmo įstatymas yra svarbus?
Ohmo dėsnis yra gyvybiškai svarbus apibūdinant elektros grandines, nes jis susieja įtampą su srove, o varžos vertė moderuoja jų santykį. Dėl to galite naudoti Omo įstatymą, kad valdytumėte srovės kiekį grandinėje, pridėdami rezistorius, kad sumažintumėte srovės srautą, ir paimdami juos, kad padidintumėte srovės kiekį.
Jis taip pat gali būti išplėstas apibūdinant elektros energiją (energijos srauto greitis per sekundę), nes galia P = IV, taigi jūs galite jį naudoti, kad užtikrintumėte, jog jūsų grandinė suteikia pakankamai energijos, tarkime, 60 vatų prietaisui.
Fizikos studentams svarbiausias Ohmo dėsnis yra tai, kad jis leidžia analizuoti grandinių schemas, ypač kai ją derinate su Kirchhoffo dėsniais, kurie iš to seka.
Kirchhoffo įtampos įstatymas teigia, kad įtampos kritimas aplink bet kurią uždarą grandinę grandinėje visada yra lygus nuliui, o dabartinis įstatymas teigia, kad srovės, tekančios į jungties ar mazgo grandinę, kiekis yra lygus ištekančiam jo. Norėdami apskaičiuoti įtampos kritimą bet kuriame grandinės komponente, visų pirma galite naudoti Ohmo įstatymą su įtampos įstatymu, o tai yra dažna problema, kylanti elektronikos klasėse.
Ohmo įstatymų pavyzdžiai
Galite naudoti Omo įstatymą, norėdami rasti bet kokį nežinomą kiekį iš trijų, jei žinote kitus du aptariamos elektros grandinės kiekius. Peržiūrėjus keletą pagrindinių pavyzdžių, parodoma, kaip tai daroma.
Pirmiausia įsivaizduokite, kad turite 9 voltų bateriją, sujungtą su grandine, kurios bendra varža yra 18 Ω. Kiek srovės teka prijungus grandinę? Pertvarkydami Ohmo dėsnį (arba naudodami trikampį), galite rasti:
\ begin {aligned} I & = \ frac {V} {R} \\ & = \ frac {9 \ text {V}} {18 \ text {Ω}} \\ & = 0.5 \ text {A} \ end {sulygiuota}
Taigi aplink grandinę teka 0,5 ampero srovė. Dabar įsivaizduokite, kad tai yra puikus srovės kiekis komponentui, kurį norite maitinti, tačiau turite tik 12 V bateriją. Kiek pasipriešinimo turėtumėte pridėti, kad komponentas gautų optimalų srovės kiekį? Vėlgi, jūs galite pertvarkyti Ohmo įstatymą ir jį išspręsti, kad rastumėte atsakymą:
\ begin {aligned} R & = \ frac {V} {I} \\ & = \ frac {12 \ text {V}} {0.5 \ text {A}} \\ & = 24 \ text {Ω} \ end {sulygiuota}
Taigi jums reikės 24-Ω rezistoriaus, kad užbaigtumėte savo grandinę. Galiausiai, koks yra įtampos kritimas 5-Ω rezistoriuje grandinėje, kurioje teka 2 A srovė? Šį kartą standartinė įstatymo V = IR forma veikia puikiai:
\ begin {aligned} V & = IR \\ & = 2 \ text {A} × 5 \ text {Ω} \\ & = 10 \ text {V} \ end {aligned}
Ominiai ir neominiai rezistoriai
Ohmo dėsnį galite naudoti labai įvairiose situacijose, tačiau jo galiojimui yra apribojimų - tai nėra tikrai pagrindinis fizikos dėsnis. Įstatyme aprašomas tiesinis įtampos ir srovės ryšys, tačiau šis ryšys galioja tik tuo atveju rezistorius arba varžos grandinės elementas, su kuriuo dirbate, turi nuolatinį atsparumą esant skirtingiems ĮtampaVir srovėAšvertybes.
Medžiagos, kurios laikosi šios taisyklės, vadinamos ominiais rezistoriais, ir, nors dauguma fizikos problemų susijusios su ominiais rezistoriais, jūs savo kasdieniniame gyvenime būsite susipažinę su daugeliu ne ominių rezistorių.
Lemputė yra puikus ne ominio rezistoriaus pavyzdys. Kai sudarysite grafikąVpriešAšominių rezistorių atveju tai rodo visiškai tiesinį ryšį, tačiau jei tai darote dėl kažko panašaus į lemputę, situacija pasikeičia. Kaitinant kaitinamąją lemputę, lemputės varžadideja, o tai reiškia, kad grafikas tampa kreive, o ne tiesia, o Ohmo dėsnis netaikomas.