Ohmov zákon: Čo to je a prečo je to dôležité?

Elektrické obvody sú v našom každodennom živote všadeprítomné. Od zložitých integrovaných obvodov, ktoré ovládajú zariadenie, o ktorom čítate tento článok, až po kabeláž, ktorá umožňuje prepnúť a zapnutie a vypnutie žiarovky vo vašom dome, celý váš život by sa radikálne líšil, keby vás všade neobklopovali okruhy choď.

Ale väčšina ľudí sa vlastne nenaučí chrumkavosti toho, ako fungujú obvody, a celkom jednoduchých rovníc Ohmov zákon - ktorý vysvetľuje vzťahy medzi kľúčovými pojmami ako elektrický odpor, napätie a elektrický prúd prúd. Hĺbkové ponorenie do fyziky elektroniky vám však môže poskytnúť oveľa hlbší vhľad do základných pravidiel, o ktoré sa opiera najmodernejšia technológia.

Ohmov zákon je jednou z najdôležitejších rovníc, pokiaľ ide o pochopenie elektrických obvodov, ale ak mu budete rozumieť, budete potrebovať základné informácie o základných pojmoch, ktoré spája, budete mať:Napätie​, ​prúdaodpor. Ohmov zákon je jednoducho rovnica, ktorá popisuje vzťah medzi týmito tromi veličinami pre väčšinu vodičov.

Napätie je najbežnejšie používaný výraz pre rozdiel elektrického potenciálu medzi dvoma bodmi a poskytuje „push“, ktorý umožňuje elektrickému náboju pohybovať sa po vodivej slučke.

Elektrický potenciál je forma potenciálnej energie, ako je gravitačná potenciálna energia, a je definovaná ako elektrická potenciálna energia na jednotku náboja. Jednotkou SI pre napätie je volt (V) a 1 V = 1 J / C alebo jedna joula energie na coulomb náboja. Niekedy sa to tiež nazývaelektromotorická silaalebo EMF.

Elektrický prúd je rýchlosť toku elektrického náboja za daný bod v obvode, ktorý má jednotku SI ampéra (A), kde 1 A = 1 C / s (jedna coulomba náboja za sekundu). Dodáva sa vo forme jednosmerného prúdu (DC) a striedavého prúdu (AC), a hoci je jednosmerný prúd jednoduchší, striedavé obvody sú sa používa na napájanie väčšiny domácností po celom svete, pretože je ľahšie a bezpečnejšie prenášať dlho vzdialenosti.

Konečným konceptom, ktorý budete musieť pochopiť pred riešením Ohmovho zákona, je odpor, ktorý je mierou opozície voči prúdeniu v obvode. Jednotkou SI pre odpor je ohm (ktorý používa grécke písmeno omega, Ω), kde 1 Ω = 1 V / A.

Nemecký fyzik Georg Ohm opísal vzťah medzi napätím, prúdom a odporom vo svojej rovnomennej rovnici. Vzorec Ohmovho zákona je:

kdeV.je rozdiel napätia alebo potenciálu,Jaje množstvo prúdu a odporuRje konečné množstvo.

Rovnicu je možné zmeniť jednoduchým spôsobom a vytvoriť vzorec na výpočet prúdu na základe napätia a odporu alebo odporu na základe prúdu a napätia. Ak vám nevyhovuje nové usporiadanie rovníc, môžete vyhľadať Ohmov zákonný trojuholník (pozri Zdroje), ale pre každého, kto je oboznámený so základnými pravidlami algebry, je to celkom jednoduché.

Kľúčové body, ktoré ukazuje Ohmov zákon, sú tie, že napätie je priamo úmerné elektrickému prúdu (teda čím je vyššie) prúd, tým vyšší je prúd) a tento prúd je nepriamo úmerný odporu (takže čím vyšší je odpor, tým nižší je prúd) prúd).

Na zapamätanie si kľúčových bodov môžete použiť analógiu prietoku vody, ktorá je založená na potrubí s jedným koncom na vrchole kopca a jedným koncom na spodku. Napätie je ako výška kopca (strmší, vyšší kopec znamená väčšie napätie), súčasný tok je ako tok vody (voda tečie rýchlejšie dolu strmším kopcom) a odpor je ako trenie medzi stranami potrubia a vodou (tenšie potrubie vytvára väčšie trenie a znižuje rýchlosť prietoku vody, ako vyšší odpor pre elektrický prúd. prietok).

Pri opise elektrických obvodov je životne dôležitý Ohmov zákon, pretože ten spája napätie s prúdom, pričom hodnota odporu zmierňuje vzťah medzi nimi. Z tohto dôvodu môžete pomocou Ohmovho zákona riadiť množstvo prúdu v obvode, pridať rezistory na zníženie prietoku prúdu a odobrať ich na zvýšenie množstva prúdu.

Môže sa tiež rozšíriť na popis elektrickej energie (rýchlosť toku energie za sekundu), pretože energie P = IV, a tak ho môžete použiť na zabezpečenie toho, aby váš obvod poskytoval dostatok energie napríklad na 60-wattový spotrebič.

Pre študentov fyziky je najdôležitejšie na Ohmovom zákone to, že vám umožňuje analyzovať schémy zapojenia, najmä keď ich skombinujete s Kirchhoffovými zákonmi, ktoré z neho nadväzujú.

Kirchhoffov zákon o napätí hovorí, že pokles napätia okolo akejkoľvek uzavretej slučky v obvode sa vždy rovná nule a súčasný zákon hovorí, že množstvo prúdu prúdiaceho do križovatky alebo uzla v obvode sa rovná množstvu vytekajúcemu von toho. Môžete použiť Ohmov zákon so zákonom o napätí najmä na výpočet poklesu napätia na ktorejkoľvek súčasti obvodu, čo je častý problém v triedach elektroniky.

Môžete použiť Ohmov zákon na vyhľadanie neznámeho množstva troch z nich, ak poznáte ďalšie dve veličiny pre daný elektrický obvod. Práca na niekoľkých základných príkladoch vám ukáže, ako sa to deje.

Najprv si predstavte, že máte 9-voltovú batériu zapojenú do obvodu s celkovým odporom 18 Ω. Koľko prúdu tečie, keď zapojíte obvod? Po zmene usporiadania Ohmovho zákona (alebo pomocou trojuholníka) nájdete:

Takže obvodom prúdi 0,5 ampéra prúdu. Teraz si predstavte, že ide o ideálne množstvo prúdu pre komponent, ktorý chcete napájať, ale máte iba 12 V batériu. Aký veľký odpor by ste mali pridať, aby ste sa uistili, že komponent dostane optimálne množstvo prúdu? Opäť môžete usporiadať Ohmov zákon a vyriešiť ho tak, aby ste našli odpoveď:

Na dokončenie obvodu teda budete potrebovať 24 Ω rezistor. Nakoniec, aký je pokles napätia na 5-Ω rezistore v obvode, cez ktorý preteká prúdom 2 A? Tentokrát štandardná forma zákona V = IR funguje dobre:

Ohmov zákon môžete použiť v širokej škále situácií, jeho platnosť však má svoje obmedzenia - nejde o skutočne základný fyzikálny zákon. Zákon popisuje lineárny vzťah medzi napätím a prúdom, ale tento vzťah platí, iba ak odpor alebo prvok odporového obvodu, s ktorým pracujete, má konštantný odpor pod rôznymi NapätieV.a aktuálneJahodnoty.

Materiály, ktoré sa podriaďujú tomuto pravidlu, sa nazývajú ohmické rezistory, a hoci väčšina problémov s fyzikou bude zahŕňať ohmické rezistory, poznáte veľa neohmických rezistorov zo svojho každodenného života.

Žiarovka je dokonalým príkladom neohmického odporu. Keď robíte grafV.vs.Japre ohmické odpory ukazuje úplne priamy vzťah, ale ak to urobíte pre niečo ako žiarovku, situácia sa zmení. Keď sa vlákno v žiarovke zahreje, odpor žiarovkyzvyšuje, čo znamená, že graf sa stáva skôr krivkou ako priamkou a Ohmov zákon neplatí.