Prawo Ohma: co to jest i dlaczego jest ważne?

Obwody elektryczne są wszechobecne w naszym codziennym życiu. Od skomplikowanych układów scalonych, które sterują urządzeniem, które czytasz w tym artykule, po okablowanie, które umożliwia przełączanie żarówka w twoim domu włączana i wyłączana, całe twoje życie byłoby radykalnie inne, gdybyś nie był otoczony obwodami wszędzie, gdzie jesteś udać się.

Ale większość ludzi tak naprawdę nie uczy się sedna działania obwodów i dość prostych równań – na przykład Prawo Ohma – które wyjaśnia związki między kluczowymi pojęciami, takimi jak rezystancja elektryczna, napięcie i elektryczność obecny. Jednak zagłębienie się nieco głębiej w fizykę elektroniki może dać znacznie głębszy wgląd w podstawowe zasady leżące u podstaw najnowocześniejszych technologii.

Prawo Ohma jest jednym z najważniejszych równań, jeśli chodzi o zrozumienie obwodów elektrycznych, ale jeśli chcesz je zrozumieć, będziesz potrzebować dobrego zrozumienia podstawowych pojęć, które łączy:Napięcie​, ​obecnyiodporność

Napięcie jest najczęściej używanym terminem określającym różnicę potencjałów elektrycznych między dwoma punktami i zapewnia „pchnięcie”, które umożliwia przemieszczanie się ładunku elektrycznego wokół pętli przewodzącej.

Potencjał elektryczny jest formą energii potencjalnej, podobnie jak grawitacyjna energia potencjalna, i jest definiowany jako elektryczna energia potencjalna na jednostkę ładunku. Jednostką SI napięcia jest wolt (V), a 1 V = 1 J/C, czyli jeden dżul energii na kulomb ładunku. Czasami jest również nazywanysiła elektromotorycznalub EMF.

Prąd elektryczny to szybkość przepływu ładunku elektrycznego przez dany punkt w obwodzie, którego jednostka SI to amper (A), gdzie 1 A = 1 C/s (jeden kulomb ładunku na sekundę). Występuje w postaci prądu stałego (DC) i prądu przemiennego (AC) i chociaż prąd stały jest prostszy, obwody prądu przemiennego są służy do zasilania większości gospodarstw domowych na całym świecie, ponieważ jest to łatwiejsze i bezpieczniejsze przesyłanie przez długi czas odległości.

Ostatnią koncepcją, którą musisz zrozumieć, zanim zajmiesz się prawem Ohma, jest opór, który jest miarą sprzeciwu wobec przepływu prądu w obwodzie. Jednostką SI dla rezystancji jest om (który używa greckiej litery omega, Ω), gdzie 1 Ω = 1 V/A.

Niemiecki fizyk Georg Ohm opisał związek między napięciem, prądem i rezystancją w swoim tytułowym równaniu. Formuła prawa Ohma to:

gdzieVto napięcie lub różnica potencjałów,jato ilość prądu i rezystancjiRto ostateczna ilość.

Równanie można zmienić w prosty sposób, aby uzyskać wzór do obliczania prądu w oparciu o napięcie i rezystancję lub rezystancję w oparciu o prąd i napięcie. Jeśli nie czujesz się komfortowo z przestawianiem równań, możesz sprawdzić trójkąt prawa Ohma (patrz Zasoby), ale jest to całkiem proste dla każdego, kto zna podstawowe zasady algebry.

Kluczowe punkty, które pokazuje równanie z prawa Ohma, to to, że napięcie jest wprost proporcjonalne do prądu elektrycznego (więc im wyższe napięcie, tym wyższy prąd), a prąd jest odwrotnie proporcjonalny do rezystancji (więc im wyższa rezystancja, tym niższy obecny).

Możesz użyć analogii przepływu wody, aby zapamiętać kluczowe punkty, która opiera się na rurze, której jeden koniec znajduje się na szczycie wzgórza, a drugi na dole. Napięcie jest jak wysokość wzniesienia (większe, wyższe wzniesienie oznacza większe napięcie), przepływ prądu jest podobny do przepływu wody (woda spływa szybciej w dół bardziej stromego wzgórza), a opór jest jak tarcie między bokami rury a wodą (cieńsza rura powoduje większe tarcie i zmniejsza prędkość przepływu wody, podobnie jak wyższy opór w przypadku prądu elektrycznego pływ).

Prawo Ohma jest niezwykle ważne przy opisywaniu obwodów elektrycznych, ponieważ wiąże napięcie z prądem, a wartość rezystancji moderuje związek między nimi. Z tego powodu można użyć prawa Ohma do kontrolowania ilości prądu w obwodzie, dodając rezystory, aby zmniejszyć przepływ prądu i odbierając je, aby zwiększyć ilość prądu.

Można ją również rozszerzyć o moc elektryczną (szybkość przepływu energii na sekundę), ponieważ moc P = IV, a więc możesz go użyć, aby upewnić się, że twój obwód dostarcza wystarczającą ilość energii, powiedzmy, 60-watowemu urządzeniu.

Dla studentów fizyki najważniejszą rzeczą w prawie Ohma jest to, że pozwala ono analizować schematy obwodów, zwłaszcza gdy połączy się je z prawami Kirchhoffa, które z niego wynikają.

Prawo napięcia Kirchhoffa mówi, że spadek napięcia wokół dowolnej zamkniętej pętli w obwodzie jest zawsze równy zeru, a obecne prawo mówi, że ilość prądu płynącego do złącza lub węzła w obwodzie jest równa ilości wypływającej z tego. Możesz użyć prawa Ohma z prawem napięcia w szczególności do obliczenia spadku napięcia na dowolnym elemencie obwodu, co jest powszechnym problemem w klasach elektroniki.

Możesz użyć prawa Ohma, aby znaleźć dowolną nieznaną ilość z tych trzech, pod warunkiem, że znasz pozostałe dwie wielkości dla danego obwodu elektrycznego. Praca z kilkoma podstawowymi przykładami pokazuje, jak to się robi.

Najpierw wyobraź sobie, że masz 9-woltową baterię podłączoną do obwodu o całkowitej rezystancji 18 Ω. Ile prądu płynie po podłączeniu obwodu? Przestawiając prawo Ohma (lub używając trójkąta), możesz znaleźć:

Tak więc 0,5 ampera prądu przepływa przez obwód. Teraz wyobraź sobie, że jest to idealna ilość prądu dla komponentu, który chcesz zasilić, ale masz tylko akumulator 12 V. Jak duży opór należy dodać, aby upewnić się, że komponent otrzymuje optymalną ilość prądu? Ponownie, możesz zmienić prawo Ohma i rozwiązać je, aby znaleźć odpowiedź:

Potrzebowałbyś więc rezystora 24 Ω do uzupełnienia obwodu. Na koniec, jaki jest spadek napięcia na oporniku 5 Ω w obwodzie, przez który przepływa prąd 2 A? Tym razem standardowa forma prawa V = IR działa dobrze:

Możesz używać prawa Ohma w wielu różnych sytuacjach, ale istnieją ograniczenia co do jego ważności – nie jest to naprawdę fundamentalne prawo fizyki. Prawo opisuje liniową zależność między napięciem a prądem, ale ta zależność zachodzi tylko wtedy, gdy rezystor lub element obwodu rezystancyjnego, z którym pracujesz, ma stałą rezystancję pod różnymi NapięcieVi prądjawartości.

Materiały, które są zgodne z tą zasadą, nazywane są rezystorami rezystancyjnymi i chociaż większość problemów fizycznych będzie dotyczyć rezystorów rezystancyjnych, z codziennego życia będziesz zaznajomiony z wieloma rezystorami nieomowymi.

Żarówka jest doskonałym przykładem rezystora nieomowego. Kiedy zrobisz wykresVvs.jaw przypadku rezystorów omowych pokazuje to zależność całkowicie liniową, ale jeśli zrobisz to dla czegoś takiego jak żarówka, sytuacja się zmieni. Gdy żarnik w żarówce się nagrzewa, rezystancja żarówkiwzrasta, co oznacza, że ​​wykres staje się krzywą, a nie linią prostą, a prawo Ohma nie ma zastosowania.