Circuitele electrice sunt omniprezente în viața noastră de zi cu zi. De la circuitele integrate complexe care controlează dispozitivul pe care citiți acest articol la cablarea care vă permite să comutați un becul din casa ta aprins și oprit, întreaga ta viață ar fi radical diferită dacă nu ai fi înconjurat de circuite peste tot în tine merge.
Dar majoritatea oamenilor nu învață cu adevărat șocul de funcționare a circuitelor și ecuațiile destul de simple - cum ar fi Legea lui Ohm - care explică relațiile dintre conceptele cheie precum rezistența electrică, tensiunea și electricitatea actual. Cu toate acestea, aprofundarea puțin mai profundă în fizica electronică vă poate oferi o perspectivă mult mai profundă asupra regulilor de bază care stau la baza celei mai moderne tehnologii.
Ce este legea lui Ohm?
Legea lui Ohm este una dintre cele mai importante ecuații atunci când vine vorba de înțelegerea circuitelor electrice, dar dacă o veți înțelege, veți avea nevoie de o bună înțelegere a conceptelor de bază pe care le leagă:
Voltaj, actualșirezistenţă. Legea lui Ohm este pur și simplu ecuația care descrie relația dintre aceste trei mărimi pentru majoritatea conductorilor.Tensiunea este termenul cel mai frecvent utilizat pentru diferența de potențial electric între două puncte și oferă „împingerea” care permite sarcinii electrice să se deplaseze în jurul unei bucle conductoare.
Potențialul electric este o formă de energie potențială, cum ar fi energia potențială gravitațională, și este definit ca energia potențială electrică pe unitate de încărcare. Unitatea SI pentru tensiune este voltul (V) și 1 V = 1 J / C, sau un joule de energie per coulomb de încărcare. Uneori se mai numeșteforta electromotoaresau EMF.
Curentul electric este rata de curgere a sarcinii electrice trecând de un punct dat într-un circuit, care are unitatea SI a amperului (A), unde 1 A = 1 C / s (un coulomb de încărcare pe secundă). Se prezintă sub formă de curent continuu (DC) și curent alternativ (AC) și, deși DC este mai simplu, circuitele de curent alternativ sunt folosit pentru a furniza energie majorității gospodăriilor din întreaga lume, deoarece este mai ușor și mai sigur de transmis pe termen lung distanțe.
Conceptul final pe care va trebui să îl înțelegeți înainte de a aborda legea lui Ohm este rezistența, care este o măsură a opoziției la fluxul de curent într-un circuit. Unitatea SI pentru rezistență este ohmul (care folosește litera greacă omega, Ω), unde 1 Ω = 1 V / A.
Ecuația legii lui Ohm
Fizicianul german Georg Ohm a descris relația dintre tensiune, curent și rezistență în ecuația sa omonimă. Formula legii lui Ohm este:
V = IR
UndeVeste tensiunea sau diferența de potențial,Eueste cantitatea de curent și rezistențăReste cantitatea finală.
Ecuația poate fi rearanjată într-un mod simplu pentru a produce o formulă pentru calcularea curentului pe baza tensiunii și rezistenței sau a rezistenței pe baza curentului și tensiunii. Dacă nu vă simțiți confortabil rearanjând ecuațiile, puteți căuta un triunghi al legii lui Ohm (vezi Resurse), dar este destul de simplu pentru oricine familiarizat cu regulile de bază ale algebrei.
Punctele cheie pe care le arată ecuația legii lui Ohm sunt că tensiunea este direct proporțională cu curentul electric (deci cu cât este mai mare tensiune, cu atât este mai mare curentul), iar acel curent este invers proporțional cu rezistența (deci cu cât este mai mare rezistența, cu atât este mai mică actual).
Puteți utiliza analogia fluxului de apă pentru a vă aminti punctele cheie, care se bazează pe o țeavă cu un capăt în vârful unui deal și un capăt în partea de jos. Tensiunea este ca înălțimea dealului (un deal mai abrupt și mai înalt înseamnă mai multă tensiune), debitul curent este ca fluxul de apă (apa curge mai repede pe un deal mai abrupt) și rezistența este ca fricțiunea dintre părțile laterale ale conductei și apă (o conductă mai subțire creează mai multe frecări și reduce viteza de curgere a apei, la fel ca o rezistență mai mare pentru curentul electric curgere).
De ce este importantă legea lui Ohm?
Legea lui Ohm este de o importanță vitală pentru descrierea circuitelor electrice, deoarece corelează tensiunea cu curentul, valoarea rezistenței moderând relația dintre cele două. Din acest motiv, puteți utiliza legea lui Ohm pentru a controla cantitatea de curent dintr-un circuit, adăugând rezistențe pentru a reduce debitul de curent și luându-le pentru a crește cantitatea de curent.
De asemenea, poate fi extins pentru a descrie puterea electrică (rata fluxului de energie pe secundă), deoarece puterea P = IV, și astfel îl puteți utiliza pentru a vă asigura că circuitul dvs. oferă suficientă energie pentru, să spunem, un aparat de 60 de wați.
Pentru studenții la fizică, cel mai important lucru despre legea lui Ohm este că vă permite să analizați schemele de circuite, mai ales atunci când o combinați cu legile lui Kirchhoff, care urmează din ea.
Legea tensiunii lui Kirchhoff afirmă că căderea de tensiune în jurul oricărei bucle închise dintr-un circuit este întotdeauna egală cu zero și că legea actuală prevede că cantitatea de curent care curge într-o joncțiune sau nod într-un circuit este egală cu cantitatea care curge din ea. Puteți utiliza legea lui Ohm cu legea tensiunii în special pentru a calcula căderea de tensiune pe orice componentă a unui circuit, ceea ce este o problemă obișnuită pusă în clasele de electronică.
Exemple de lege ale lui Ohm
Puteți utiliza legea lui Ohm pentru a găsi orice cantitate necunoscută din cele trei, cu condiția să cunoașteți celelalte două cantități pentru circuitul electric în cauză. Examinarea unor exemple de bază vă arată cum se realizează acest lucru.
În primul rând, imaginați-vă că aveți o baterie de 9 volți conectată la un circuit cu o rezistență totală de 18 Ω. Cât curent curge când conectați circuitul? Reorganizând legea lui Ohm (sau folosind un triunghi), puteți găsi:
\ begin {align} I & = \ frac {V} {R} \\ & = \ frac {9 \ text {V}} {18 \ text {Ω}} \\ & = 0.5 \ text {A} \ end {aliniat}
Deci, 0,5 amperi de curent curg în jurul circuitului. Acum imaginați-vă că aceasta este cantitatea perfectă de curent pentru o componentă pe care doriți să o alimentați, dar aveți doar o baterie de 12 V. Câtă rezistență ar trebui să adăugați pentru a vă asigura că componenta primește cantitatea optimă de curent? Din nou, puteți rearanja legea lui Ohm și o puteți rezolva pentru a găsi răspunsul:
\ begin {align} R & = \ frac {V} {I} \\ & = \ frac {12 \ text {V}} {0,5 \ text {A}} \\ & = 24 \ text {Ω} \ end {aliniat}
Deci, ai avea nevoie de un rezistor de 24 Ω pentru a finaliza circuitul. În cele din urmă, care este căderea de tensiune pe un rezistor de 5 Ω într-un circuit cu curent de 2 A care curge prin el? De această dată, forma standard V = IR a legii funcționează foarte bine:
\ begin {align} V & = IR \\ & = 2 \ text {A} × 5 \ text {Ω} \\ & = 10 \ text {V} \ end {align}
Rezistențe ohmice și non-ohmice
Puteți utiliza legea lui Ohm într-o gamă largă de situații, dar există limitări ale valabilității sale - nu este o lege cu adevărat fundamentală a fizicii. Legea descrie o relație liniară între tensiune și curent, dar această relație este valabilă doar dacă rezistența sau elementul circuit rezistiv cu care lucrați are o rezistență constantă sub diferite VoltajVși curentEuvalori.
Materialele care respectă această regulă se numesc rezistențe ohmice și, deși majoritatea problemelor fizice vor implica rezistențe ohmice, veți fi familiarizați cu multe rezistențe non-ohmice din viața de zi cu zi.
Un bec este un exemplu perfect de rezistență non-ohmică. Când faci un grafic deVvs.Eupentru rezistențele ohmice, arată o relație complet dreaptă, dar dacă faceți acest lucru pentru ceva de genul unui bec, situația se schimbă. Pe măsură ce filamentul din bec se încălzește, rezistența beculuicrește, ceea ce înseamnă că graficul devine mai degrabă o curbă decât o linie dreaptă, iar legea lui Ohm nu se aplică.
