Elektriskās ķēdes mūsu ikdienas dzīvē ir visuresošas. Sākot no sarežģītām integrētajām shēmām, kas kontrolē ierīci, kuru lasāt šajā rakstā, līdz elektroinstalācijai, kas ļauj pārslēgt a ieslēdzot un izslēdzot spuldzi jūsu mājā, visa jūsu dzīve būtu radikāli atšķirīga, ja jūs neapturētu ķēdes visur, kur atrodaties aiziet.
Bet lielākā daļa cilvēku īsti nemācās ķēdes darbības un diezgan vienkāršos vienādojumus, piemēram, Ohma likums - tas izskaidro attiecības starp galvenajiem jēdzieniem, piemēram, elektrisko pretestību, spriegumu un elektrisko pašreizējais. Tomēr, iedziļinoties nedaudz dziļāk elektronikas fizikā, var iegūt daudz dziļāku ieskatu galvenajos noteikumos, kas ir pamatā mūsdienu tehnoloģijai.
Kas ir Ohma likums?
Oma likums ir viens no vissvarīgākajiem vienādojumiem elektrisko ķēžu izpratnē, bet, ja jūs to izprotat, jums būs labi jāsaprot pamatsavienojumi, kurus tas saista:spriegums, pašreizējaisunpretestība. Ohma likums ir vienkārši vienādojums, kas apraksta attiecības starp šiem trim lielumiem lielākajai daļai vadītāju.
Spriegums ir visbiežāk lietotais termins elektriskā potenciāla starpībai starp diviem punktiem, un tas nodrošina “grūdienu”, kas ļauj elektriskajam lādiņam pārvietoties ap vadošo cilpu.
Elektriskais potenciāls ir potenciālās enerģijas veids, piemēram, gravitācijas potenciālā enerģija, un to definē kā elektriskā potenciāla enerģiju uz lādiņa vienību. SI sprieguma mērvienība ir spriegums (V) un 1 V = 1 J / C vai viens džouls enerģijas uz vienu uzlādes kulonu. Dažreiz to sauc arīelektromotorsvai EML.
Elektriskā strāva ir elektriskās lādiņa plūsmas ātrums garām noteiktam ķēdes punktam, kuram ir ampēra SI vienība (A), kur 1 A = 1 C / s (viena uzlādes kulona sekundē). Tas nāk kā līdzstrāva (DC) un maiņstrāva (AC), un, lai gan līdzstrāva ir vienkāršāka, maiņstrāvas ķēdes ir izmanto elektroenerģijas piegādei lielākajai daļai mājsaimniecību visā pasaulē, jo to ir vieglāk un drošāk pārraidīt ilgstoši attālumiem.
Galīgais jēdziens, kas jums jāsaprot, pirms tiek risināts Ohma likums, ir pretestība, kas ir pretestība pašreizējai plūsmai ķēdē. SI pretestības vienība ir oms (kurā izmantots grieķu burts omega, Ω), kur 1 Ω = 1 V / A.
Ohma likumu vienādojums
Vācu fiziķis Georgs Oms aprakstīja sprieguma, strāvas un pretestības attiecības savā identiskajā vienādojumā. Ohma likuma formula ir šāda:
V = IR
kurVir sprieguma vai potenciāla starpība,Esir strāvas un pretestības daudzumsRir galīgais daudzums.
Vienādojumu var pārkārtot vienkāršā veidā, lai izveidotu formulu strāvas aprēķināšanai, pamatojoties uz spriegumu un pretestību, vai pretestību, pamatojoties uz strāvu un spriegumu. Ja jums nav ērti pārkārtot vienādojumus, varat meklēt Ohma likuma trijstūri (sk. Resursus), taču tas ir diezgan vienkārši ikvienam, kurš pārzina algebras pamatnoteikumus.
Galvenie punkti, ko parāda Omas likumu vienādojums, ir tas, ka spriegums ir tieši proporcionāls elektriskajai strāvai (tātad, jo lielāks ir spriegums, jo lielāka strāva), un šī strāva ir apgriezti proporcionāla pretestībai (tātad, jo lielāka pretestība, jo zemāka pašreizējā).
Varat izmantot ūdens plūsmas analoģiju, lai atcerētos galvenos punktus, kuru pamatā ir caurule ar vienu galu kalna galā un vienu galu apakšā. Spriegums ir kā kalna augstums (stāvāks, garāks kalns nozīmē lielāku spriegumu), pašreizējā plūsma ir kā ūdens plūsma (ūdens straujāk lejup pa stāvāku kalnu) un pretestība ir tāpat kā berze starp caurules sāniem un ūdeni (plānāka caurule rada lielāku berzi un samazina ūdens plūsmas ātrumu, tāpat kā lielāka pretestība elektriskajai strāvai plūsma).
Kāpēc Ohma likums ir svarīgs?
Ohma likums ir ļoti svarīgs, lai aprakstītu elektriskās ķēdes, jo tas ir saistīts ar spriegumu ar strāvu, pretestības vērtībai samazinot abu attiecības. Tādēļ jūs varat izmantot Ohma likumu, lai kontrolētu strāvas daudzumu ķēdē, pievienojot rezistorus, lai samazinātu strāvas plūsmu, un tos atņemot, lai palielinātu strāvas daudzumu.
To var arī paplašināt, aprakstot elektrisko jaudu (enerģijas plūsmas ātrumu sekundē), jo jauda P = IV, un tāpēc jūs varat to izmantot, lai nodrošinātu, ka jūsu ķēde nodrošina pietiekami daudz enerģijas, teiksim, 60 vatu ierīcei.
Fizikas studentiem vissvarīgākais Oma likumā ir tas, ka tas ļauj analizēt shēmas, it īpaši, ja to apvienojat ar Kirhofa likumiem, kas izriet no tā.
Kirhofa sprieguma likums nosaka, ka sprieguma kritums ap jebkuru slēgtu loku ķēdē vienmēr ir vienāds ar nulli, un pašreizējais likums nosaka, ka strāvas daudzums, kas ieplūst krustojumā vai mezglā, ir vienāds ar izplūstošo no tā. Jūs varat īpaši izmantot Ohma likumu ar sprieguma likumu, lai aprēķinātu sprieguma kritumu jebkurā ķēdes komponentā, kas ir izplatīta problēma elektronikas klasēs.
Oma likuma piemēri
Jūs varat izmantot Ohma likumu, lai atrastu nezināmu daudzumu no trim, ja vien jūs zināt pārējos divus attiecīgās elektriskās ķēdes lielumus. Dažu pamatpiemēru izpēte parāda, kā tas tiek darīts.
Pirmkārt, iedomājieties, ka jums ir 9 voltu akumulators, kas savienots ar ķēdi ar kopējo pretestību 18 Ω. Cik daudz strāvas plūst, pieslēdzot ķēdi? Pārkārtojot Ohma likumu (vai izmantojot trīsstūri), jūs varat atrast:
\ begin {aligned} I & = \ frac {V} {R} \\ & = \ frac {9 \ text {V}} {18 \ text {Ω}} \\ & = 0.5 \ text {A} \ end {izlīdzināts}
Tātad ap ķēdi plūst 0,5 ampēri strāvas. Tagad iedomājieties, ka tas ir ideāls strāvas daudzums komponentam, kuru vēlaties darbināt, bet jums ir tikai 12 V akumulators. Cik liela pretestība jums jāpievieno, lai pārliecinātos, ka komponents saņem optimālu strāvas daudzumu? Atkal jūs varat pārkārtot Ohma likumu un atrisināt to, lai atrastu atbildi:
\ begin {aligned} R & = \ frac {V} {I} \\ & = \ frac {12 \ text {V}} {0.5 \ text {A}} \\ & = 24 \ text {Ω} \ end {izlīdzināts}
Tātad, lai pabeigtu ķēdi, jums būs nepieciešams 24 Ω rezistors. Visbeidzot, kāds ir sprieguma kritums 5-Ω rezistorā ķēdē, caur kuru plūst 2 A strāva? Šoreiz likuma V = IR forma darbojas lieliski:
\ begin {izlīdzināts} V & = IR \\ & = 2 \ text {A} × 5 \ text {Ω} \\ & = 10 \ text {V} \ end {aligned}
Ohmiskie un neomiskie rezistori
Ohma likumu var izmantot ļoti dažādās situācijās, taču tā spēkā esamībai ir ierobežojumi - tas nav patiesi pamatfizikas likums. Likumā aprakstīta lineāra sakarība starp spriegumu un strāvu, taču šī attiecība pastāv tikai tad, ja rezistoram vai pretestības ķēdes elementam, ar kuru jūs strādājat, pastāvīga pretestība ir atšķirīga spriegumsVun pašreizējaisEsvērtības.
Materiālus, kas pakļaujas šim noteikumam, sauc par ommas rezistoriem, un, lai arī lielākā daļa fizikas problēmu būs saistīti ar omiskiem rezistoriem, jūs savā ikdienas dzīvē būsiet pazīstami ar daudziem ne-omiskiem rezistoriem.
Spuldze ir lielisks pretestības pret omu piemērs. Kad jūs izveidojat diagrammuVvs.Esomiskiem rezistoriem tas parāda pilnīgi taisnas attiecības, bet, ja jūs to darāt kaut kā līdzīgai spuldzei, situācija mainās. Kad kvēldiegs spuldzē sakarst, spuldzes pretestībapalielinās, kas nozīmē, ka grafiks kļūst par līkni, nevis taisnu līniju, un Ohmas likums nav piemērojams.