Закон Ома: что это такое и почему это важно?

Электрические цепи повсеместно встречаются в нашей повседневной жизни. От сложных интегральных схем, управляющих устройством, о котором вы читаете в этой статье, до проводки, позволяющей переключать лампочка в вашем доме включается и выключается, вся ваша жизнь радикально изменилась бы, если бы вы не были окружены цепями везде, где вы идти.

Но большинство людей на самом деле не понимают мельчайших деталей того, как работают схемы, и довольно простых уравнений, таких как Закон Ома, объясняющий взаимосвязь между ключевыми понятиями, такими как электрическое сопротивление, напряжение и электрическая Текущий. Однако более глубокое погружение в физику электроники может дать вам гораздо более глубокое понимание основных правил, лежащих в основе большинства современных технологий.

Закон Ома - одно из самых важных уравнений, когда дело доходит до понимания электрических цепей, но если вы собираетесь понять его, вам потребуется хорошее понимание основных понятий, которые он связывает:

Напряжение - это наиболее часто используемый термин для обозначения разности электрических потенциалов между двумя точками, который обеспечивает «толчок», который позволяет электрическому заряду перемещаться по проводящей петле.

Электрический потенциал - это форма потенциальной энергии, подобная гравитационной потенциальной энергии, и определяется как электрическая потенциальная энергия на единицу заряда. Единицей измерения напряжения в системе СИ является вольт (В), а 1 В = 1 Дж / Кл, или один джоуль энергии на кулон заряда. Иногда его также называютэлектродвижущая силаили ЭДС.

Электрический ток - это скорость прохождения электрического заряда через заданную точку в цепи, в системе СИ единица измерения ампер (А), где 1 А = 1 Кл / с (один кулон заряда в секунду). Он имеет форму постоянного (DC) и переменного (AC) тока, и хотя постоянный ток проще, цепи переменного тока используется для подачи электроэнергии в большинство домашних хозяйств по всему миру, потому что ее проще и безопаснее передавать в течение длительного времени расстояния.

Последняя концепция, которую вам нужно понять, прежде чем приступить к рассмотрению закона Ома, - это сопротивление, которое является мерой сопротивления току, протекающему в цепи. Единицей измерения сопротивления в системе СИ является ом (в котором используется греческая буква омега, Ом), где 1 Ом = 1 В / А.

Немецкий физик Георг Ом описал взаимосвязь между напряжением, током и сопротивлением в своем одноименном уравнении. Формула закона Ома:

гдеVэто напряжение или разность потенциалов,яэто количество тока и сопротивлениярэто окончательное количество.

Уравнение можно переформулировать простым способом, чтобы получить формулу для расчета тока на основе напряжения и сопротивления или сопротивления на основе тока и напряжения. Если вам неудобно переставлять уравнения, вы можете найти треугольник закона Ома (см. Раздел "Ресурсы"), но это довольно просто для любого, кто знаком с основными правилами алгебры.

Ключевые моменты, которые показывает уравнение закона Ома, заключаются в том, что напряжение прямо пропорционально электрическому току (поэтому чем выше напряжение, тем выше ток), и этот ток обратно пропорционален сопротивлению (поэтому чем выше сопротивление, тем ниже Текущий).

Вы можете использовать аналогию с потоком воды, чтобы запомнить ключевые моменты, в основе которой лежит труба, один конец которой находится на вершине холма, а другой конец - внизу. Напряжение похоже на высоту холма (более крутой и высокий холм означает большее напряжение), ток подобен потоку воды (вода течет быстрее вниз по более крутому холму), а сопротивление равно как трение между сторонами трубы и водой (более тонкая труба создает большее трение и снижает скорость потока воды, как более высокое сопротивление делает электрический ток поток).

Закон Ома жизненно важен для описания электрических цепей, потому что он связывает напряжение с током, а значение сопротивления смягчает взаимосвязь между ними. Из-за этого вы можете использовать закон Ома для управления величиной тока в цепи, добавляя резисторы, чтобы уменьшить ток, и снимая их, чтобы увеличить величину тока.

Его также можно расширить, чтобы описать электрическую мощность (скорость потока энергии в секунду), потому что мощность P = IV, поэтому вы можете использовать его, чтобы обеспечить достаточное количество энергии в вашей цепи, например, для 60-ваттного прибора.

Для студентов-физиков наиболее важным в законе Ома является то, что он позволяет анализировать принципиальные схемы, особенно когда вы объединяете его с законами Кирхгофа, которые следуют из него.

Закон Кирхгофа утверждает, что падение напряжения вокруг любого замкнутого контура в цепи всегда равно нулю, а Текущий закон гласит, что количество тока, протекающего в переход или узел в цепи, равно количеству, протекающему наружу. из этого. Вы можете использовать закон Ома с законом напряжения, в частности, для расчета падения напряжения на любом компоненте схемы, что является распространенной проблемой, возникающей в классах электроники.

Вы можете использовать закон Ома, чтобы найти любую неизвестную величину из трех, при условии, что вам известны две другие величины для рассматриваемой электрической цепи. Работа с некоторыми базовыми примерами показывает, как это делается.

Во-первых, представьте, что у вас есть 9-вольтовая батарея, подключенная к цепи с общим сопротивлением 18 Ом. Сколько тока течет при подключении цепи? Изменив закон Ома (или используя треугольник), вы можете найти:

Таким образом, по цепи течет ток 0,5 ампер. Теперь представьте, что это идеальная величина тока для компонента, который вы хотите запитать, но у вас есть только батарея на 12 В. Какое сопротивление вы должны добавить, чтобы убедиться, что компонент получает оптимальную силу тока? Опять же, вы можете изменить закон Ома и решить его, чтобы найти ответ:

Так что для замыкания цепи вам понадобится резистор 24 Ом. Наконец, каково падение напряжения на резисторе 5 Ом в цепи с током 2 А, протекающим через нее? На этот раз стандартная форма закона V = IR работает нормально:

Вы можете использовать закон Ома в огромном количестве ситуаций, но есть ограничения его применимости - это не действительно фундаментальный закон физики. Закон описывает линейную зависимость между напряжением и током, но эта связь сохраняется только в том случае, если резистор или резистивный элемент цепи, с которым вы работаете, имеет постоянное сопротивление при различных НапряжениеVи текущиеязначения.

Материалы, которые подчиняются этому правилу, называются омическими резисторами, и хотя большинство физических задач будут связаны с омическими резисторами, вы из повседневной жизни знакомы со многими неомическими резисторами.

Лампочка - прекрасный пример неомического резистора. Когда вы строите графикVпротив.ядля омических резисторов он показывает полностью прямолинейную зависимость, но если вы сделаете это для чего-то вроде лампочки, ситуация изменится. Когда нить накала в лампочке нагревается, сопротивление лампыувеличивается, что означает, что график становится кривой, а не прямой линией, и закон Ома не применяется.