Elektriske kretser er allestedsnærværende i vårt daglige liv. Fra de komplekse integrerte kretsene som styrer enheten du leser denne artikkelen til ledningene som lar deg bytte en lyspære i huset ditt av og på, ville hele livet ditt være annerledes hvis du ikke var omgitt av kretser overalt gå.
Men de fleste mennesker lærer egentlig ikke det nitty gritty av hvordan kretser fungerer og de ganske enkle ligningene - som Ohms lov - som forklarer forholdet mellom nøkkelbegreper som elektrisk motstand, spenning og elektrisk nåværende. Imidlertid kan det å dykke litt dypere inn i elektronikkens fysikk gi deg en mye dypere innsikt i kjernereglene som ligger til grunn for moderne teknologi.
Hva er Ohms lov?
Ohms lov er en av de viktigste ligningene når det gjelder forståelse av elektriske kretser, men hvis du skal forstå det, trenger du en god forståelse av de grunnleggende konseptene den kobler til:Spenning, nåværendeogmotstand. Ohms lov er ganske enkelt ligningen som beskriver forholdet mellom disse tre størrelsene for de fleste ledere.
Spenning er det mest brukte begrepet for den elektriske potensialforskjellen mellom to punkter, og den gir "push" som gjør at elektrisk ladning kan bevege seg rundt en ledende sløyfe.
Elektrisk potensial er en form for potensiell energi, som gravitasjonspotensial energi, og den er definert som den elektriske potensielle energien per enhetsladning. SI-enheten for spenning er volt (V), og 1 V = 1 J / C, eller en joule energi per ladning. Noen ganger kalles det ogsåelektromotorisk krafteller EMF.
Elektrisk strøm er strømningshastigheten for elektrisk ladning forbi et gitt punkt i en krets, som har SI-enheten til amperen (A), der 1 A = 1 C / s (en ladning per sekund). Den kommer i form av likestrøm (DC) og vekselstrøm (AC), og selv om DC er enklere, er AC-kretser brukes til å levere strøm til de fleste husholdninger rundt om i verden fordi det er lettere og tryggere å overføre over lang tid avstander.
Det endelige konseptet du må forstå før du takler Ohms lov, er motstand, som er et mål på motstanden mot strømmen i en krets. SI-enheten for motstand er ohm (som bruker den greske bokstaven omega, Ω), der 1 Ω = 1 V / A.
Ohms lovligning
Den tyske fysikeren Georg Ohm beskrev forholdet mellom spenning, strøm og motstand i sin liknende ligning. Ohms lovformel er:
V = IR
hvorVer spenningen eller potensialforskjellen,Jeger mengden strøm og motstandRer den endelige mengden.
Ligningen kan ordnes på en enkel måte for å produsere en formel for beregning av strøm basert på spenning og motstand, eller motstand basert på strøm og spenning. Hvis du ikke er komfortabel med å omorganisere ligninger, kan du slå opp en Ohms lovtrekant (se Ressurser), men det er ganske greit for alle som er kjent med de grunnleggende reglene for algebra.
Nøkkelpunktene som Ohms lovligning viser er at spenningen er direkte proporsjonal med elektrisk strøm (så jo høyere er jo høyere strøm), og den strømmen er omvendt proporsjonal med motstanden (så jo høyere motstanden er, desto lavere er nåværende).
Du kan bruke vannstrømningsanalogien til å huske nøkkelpunktene, som er basert på et rør med den ene enden på toppen av en bakke og den ene enden nederst. Spenningen er som høyden på bakken (en brattere, høyere bakke betyr mer spenning), strømmen er som strømmen av vann (vann strømmer raskere ned en brattere bakke) og motstanden er som friksjonen mellom sidene av røret og vannet (et tynnere rør skaper mer friksjon og reduserer hastigheten på vannstrømmen, som en høyere motstand gjør for elektrisk strøm strømme).
Hvorfor er Ohms lov viktig?
Ohms lov er veldig viktig for å beskrive elektriske kretser fordi den relaterer spenningen til strømmen, med motstandsverdien som modererer forholdet mellom de to. På grunn av dette kan du bruke Ohms lov til å kontrollere mengden strøm i en krets, legge til motstander for å redusere strømmen og ta dem bort for å øke mengden strøm.
Den kan også utvides til å beskrive elektrisk kraft (energistrømmen per sekund), fordi kraft P = IV, og så kan du bruke den til å sikre at kretsen din gir nok energi til for eksempel et 60-watt apparat.
For fysikkstudenter er det viktigste med Ohms lov at den lar deg analysere kretsskjemaer, spesielt når du kombinerer den med Kirchhoffs lover, som følger videre av den.
Kirchhoffs spenningslov sier at spenningsfallet rundt en lukket sløyfe i en krets alltid er lik null, og gjeldende lov sier at mengden strøm som strømmer inn i et kryss eller node i en krets er lik mengden som strømmer ut av det. Du kan bruke Ohms lov med spenningsloven spesielt for å beregne spenningsfallet over en hvilken som helst komponent i en krets, noe som er et vanlig problem i elektronikklasser.
Ohms loveksempler
Du kan bruke Ohms lov til å finne en ukjent mengde av de tre, forutsatt at du kjenner de to andre størrelsene for den aktuelle elektriske kretsen. Å arbeide gjennom noen grunnleggende eksempler viser hvordan dette gjøres.
Tenk deg først at du har et 9-volts batteri koblet til en krets med en total motstand på 18 Ω. Hvor mye strøm flyter når du kobler til kretsen? Ved å omorganisere Ohms lov (eller bruke en trekant) kan du finne:
\ begin {align} I & = \ frac {V} {R} \\ & = \ frac {9 \ text {V}} {18 \ text {Ω}} \\ & = 0,5 \ text {A} \ end {justert}
Så 0,5 ampere strøm strømmer rundt kretsen. Tenk deg nå at dette er den perfekte strømmen for en komponent du vil drive, men du har bare et 12-V batteri. Hvor mye motstand bør du legge til for å sikre at komponenten får den optimale mengden strøm? Igjen, du kan omorganisere Ohms lov og løse den for å finne svaret:
\ begin {align} R & = \ frac {V} {I} \\ & = \ frac {12 \ text {V}} {0.5 \ text {A}} \\ & = 24 \ text {Ω} \ end {justert}
Så du trenger en 24-Ω motstand for å fullføre kretsen din. Til slutt, hva er spenningsfallet over en 5-Ω motstand i en krets med 2 A strøm som strømmer gjennom den? Denne gangen fungerer lovens standard V = IR-form helt fint:
\ begin {align} V & = IR \\ & = 2 \ text {A} × 5 \ text {Ω} \\ & = 10 \ text {V} \ end {align}
Ohmiske og ikke-ohmske motstander
Du kan bruke Ohms lov i et stort utvalg av situasjoner, men det er begrensninger for dens gyldighet - det er ikke en virkelig grunnleggende fysikklov. Loven beskriver et lineært forhold mellom spenning og strøm, men dette forholdet gjelder bare hvis motstanden eller det resistive kretselementet du jobber med har en konstant motstand under forskjellige SpenningVog nåværendeJegverdier.
Materialer som overholder denne regelen kalles ohmske motstander, og selv om de fleste fysikkproblemer vil involvere ohmske motstander, vil du være kjent med mange ikke-ohmske motstander fra ditt daglige liv.
En lyspære er et perfekt eksempel på en ikke-ohmsk motstand. Når du lager en graf avVvs.Jegfor ohmske motstander viser det et helt rett forhold, men hvis du gjør dette for noe som en lyspære, endres situasjonen. Når glødetråden i pæren varmes opp, er motstanden til pærenøker, som betyr at grafen blir en kurve i stedet for en rett linje, og Ohms lov gjelder ikke.