Ohmov zakon: kaj je to in zakaj je to pomembno?

Električna vezja so povsod v našem vsakdanjem življenju. Od zapletenih integriranih vezij, ki krmilijo napravo, o kateri berete ta članek, do ožičenja, ki omogoča preklop a žarnice v vaši hiši vklopljena in izklopljena, bi bilo vaše življenje popolnoma drugačno, če ne bi bili povsod obkroženi z vezji pojdi

Toda večina ljudi se v resnici ne nauči drobnih načinov delovanja tokokrogov in dokaj preprostih enačb - na primer Ohmov zakon - ki pojasnjuje razmerja med ključnimi pojmi, kot so električni upor, napetost in elektrika trenutno. Če pa se poglobite v fiziko elektronike, lahko dobite globlji vpogled v temeljna pravila, na katerih temelji najsodobnejša tehnologija.

Ohmov zakon je ena najpomembnejših enačb pri razumevanju električnih vezij, če pa ga boste razumeli, boste morali dobro razumeti osnovne koncepte, ki jih povezuje:Napetost​, ​trenutnoinodpornost. Ohmov zakon je preprosto enačba, ki opisuje razmerje med temi tremi količinami za večino vodnikov.

Napetost je najpogosteje uporabljen izraz za razliko električnega potenciala med dvema točkama in zagotavlja "potisk", ki električnemu naboju omogoča gibanje okoli prevodne zanke.

Električni potencial je oblika potencialne energije, kot je gravitacijska potencialna energija, in je opredeljen kot električna potencialna energija na enoto naboja. Enota za napetost SI je volt (V) in 1 V = 1 J / C ali en džul energije na kulon naboja. Včasih se tudi imenujeelektromotorna silaali EMF.

Električni tok je hitrost pretoka električnega naboja mimo določene točke v tokokrogu, ki ima enoto SI ampera (A), kjer je 1 A = 1 C / s (en kulon naboja na sekundo). Na voljo je v obliki enosmernega (DC) in izmeničnega toka (AC), in čeprav je enosmerni tok preprostejši, so izmenični tokokrogi uporablja za oskrbo večine gospodinjstev po vsem svetu z električno energijo, ker je daljši prenos lažji in varnejši razdalje.

Končni koncept, ki ga boste morali razumeti, preden se lotite Ohmovega zakona, je upor, ki je merilo nasprotovanja trenutnemu toku v tokokrogu. Enota za odpornost SI je ohm (ki uporablja grško črko omega, Ω), kjer je 1 Ω = 1 V / A.

Nemški fizik Georg Ohm je v svoji istoimenski enačbi opisal razmerje med napetostjo, tokom in uporom. Ohmova zakonska formula je:

kjeVje napetost ali potencialna razlika,jazje količina toka in uporaRje končna količina.

Enačbo je mogoče na preprost način preurediti tako, da dobimo formulo za izračun toka na podlagi napetosti in upora ali upora na podlagi toka in napetosti. Če ne želite preurediti enačb, lahko poiščete Ohmov zakonski trikotnik (glejte Viri), vendar je povsem enostaven za vse, ki poznajo osnovna pravila algebre.

Ključne točke, ki jih kaže enačba Ohmovega zakona, so, da je napetost neposredno sorazmerna z električnim tokom (torej večja kot je napetost, večji je tok), in ta tok je obratno sorazmeren z uporom (torej večji kot je upor, nižja je trenutno).

Z analogijo vodnega toka se lahko spomnite ključnih točk, ki temeljijo na cevi z enim koncem na vrhu hriba in enim koncem na dnu. Napetost je kot višina hriba (bolj strm, višji hrib pomeni več napetosti), trenutni tok je kot tok vode (voda hitreje teče po strmejšem hribu) in upor je kot trenje med stranicami cevi in ​​vodo (tanjša cev ustvarja večje trenje in zmanjšuje hitrost pretoka vode, kot večji upor pri električnem toku pretok).

Ohmov zakon je ključnega pomena za opis električnih vezij, ker povezuje napetost s tokom, vrednost upora pa uravnava razmerje med njima. Zaradi tega lahko z Ohmovim zakonom nadzirate količino toka v vezju, dodajate upore za zmanjšanje toka toka in jih odvzemate za povečanje količine toka.

Razširimo ga lahko tudi tako, da opišemo električno moč (hitrost pretoka energije na sekundo), ker moč P = IV in tako lahko z njim zagotovite, da vaše vezje zagotavlja dovolj energije, na primer za 60-vatno napravo.

Za študente fizike je pri Ohmovem zakonu najpomembneje, da vam omogoča analizo vezja, še posebej, če ga kombinirate s Kirchhoffovimi zakoni, ki iz njega izhajajo.

Kirchhoffov zakon o napetosti določa, da je padec napetosti okoli katere koli zaprte zanke v tokokrogu vedno enak nič, in veljavni zakon določa, da je količina toka, ki teče v križišče ali vozlišče v tokokrogu, enaka količini, ki teče ven tega. Ohmov zakon z napetostnim zakonom lahko uporabite zlasti za izračun padca napetosti na kateri koli komponenti vezja, kar je pogost problem pri predavanjih elektronike.

Z Ohmovim zakonom lahko poiščete katero koli neznano količino od treh, pod pogojem, da poznate preostali dve količini za zadevni električni tokokrog. Delo z nekaj osnovnimi primeri vam pokaže, kako se to naredi.

Najprej si predstavljajte, da imate 9-voltno baterijo, priključeno na vezje s skupno upornostjo 18 Ω. Koliko toka teče, ko priključite vezje? Če preuredite Ohmov zakon (ali uporabite trikotnik), lahko najdete:

Tako okoli tokokroga teče 0,5 ampera toka. Zdaj pa si predstavljajte, da je to popolna količina toka za komponento, ki jo želite napajati, vendar imate samo 12-V baterijo. Koliko upora bi morali dodati, da zagotovite, da komponenta dobi optimalno količino toka? Ponovno lahko preuredite Ohmov zakon in ga rešite, da najdete odgovor:

Za dokončanje vezja potrebujete upor 24 Ω. Nazadnje, kakšen je padec napetosti na 5-Ω uporu v tokokrogu, skozi katerega teče tok 2 A? Tokrat se standardna oblika zakona V = IR dobro obnese:

Ohmov zakon lahko uporabite v najrazličnejših situacijah, vendar obstajajo omejitve njegove veljavnosti - to ni resnično temeljni zakon fizike. Zakon opisuje linearno razmerje med napetostjo in tokom, vendar to razmerje velja le, če upor ali element uporovnega vezja, s katerim delate, ima konstanten upor pod različnimi NapetostVin trenutnijazvrednote.

Materiali, ki upoštevajo to pravilo, se imenujejo ohmični upori, in čeprav bo večina fizikalnih problemov vključevala ohmične upore, boste iz svojega vsakdanjega življenja seznanjeni s številnimi neomičnimi upori.

Žarnica je odličen primer neomičnega upora. Ko naredite grafVvs.jazpri ohmičnih uporih kaže povsem linearno razmerje, če pa to storite za nekaj takega, kot je žarnica, se situacija spremeni. Ko se žarilna nitka v žarnici segreje, je odpornost žarnicepovečuje, kar pomeni, da graf postane krivulja in ne ravna črta, Ohmov zakon pa ne velja.