Охмов закон: шта је то и зашто је важан?

Електрични кругови су свеприсутни у нашем свакодневном животу. Од сложених интегрисаних кола која управљају уређајем који читате овај чланак до ожичења које вам омогућава да пребаците а сијалице у вашој кући и укључите и искључите, читав ваш живот би био радикално другачији да нисте свуда окружени круговима иди.

Али већина људи заправо не научи глатко како функционишу кола и прилично једноставне једначине - попут Охмов закон - који објашњава везу између кључних појмова попут електричног отпора, напона и електричног напона Тренутни. Међутим, мало дубље залажење у физику електронике може вам дати много дубљи увид у основна правила која подупиру већину модерне технологије.

Охмов закон је једна од најважнијих једначина када је реч о разумевању електричних кола, али ако ћете га разумети, требаће вам добро разумевање основних појмова које он повезује:Напон​, ​Тренутнииотпор. Охмов закон је једноставно једначина која описује однос између ове три величине за већину проводника.

Напон је најчешће коришћени израз за разлику у електричном потенцијалу између две тачке и пружа „потисак“ који омогућава електричном набоју да се креће око проводне петље.

Електрични потенцијал је облик потенцијалне енергије, попут гравитационе потенцијалне енергије, и дефинише се као електрична потенцијална енергија по јединици наелектрисања. СИ јединица за напон је волт (В), а 1 В = 1 Ј / Ц, или један џул енергије по кулону наелектрисања. Такође се понекад називаелектромоторна силаили ЕМФ.

Електрична струја је брзина протока електричног наелектрисања поред дате тачке у колу која има СИ јединицу ампера (А), где је 1 А = 1 Ц / с (један кулон наелектрисања у секунди). Долази у облику једносмерне (ДЦ) и наизменичне струје (АЦ), а иако је једносмерна струја једноставнија, наизменични кругови су користи се за напајање већине домаћинстава широм света, јер је лакше и сигурније преносити дуго растојања.

Коначни концепт који ћете морати да разумете пре него што се позабавите Охмовим законом је отпор, који је мера опозиције протоку струје у колу. СИ јединица за отпор је охм (који користи грчко слово омега, Ω), где је 1 Ω = 1 В / А.

Немачки физичар Георг Охм описао је везу између напона, струје и отпора у својој истоименој једначини. Формула Омовог закона је:

гдеВ.је напон или разлика потенцијала,Јаје количина струје и отпораР.је коначна количина.

Једначина се може преуредити на једноставан начин да се добије формула за израчунавање струје на основу напона и отпора или отпора на основу струје и напона. Ако вам није пријатно да преуређујете једначине, можете потражити Омов троугао закона (погледајте Ресурси), али то је сасвим једноставно за свакога ко је упознат са основним правилима алгебре.

Кључне тачке које једначина Охмовог закона показује су да је напон директно пропорционалан електричној струји (па што је већа напона, већа је струја), а та струја је обрнуто пропорционална отпору (дакле, што је већи отпор, то је нижа Тренутни).

Аналогијом протока воде можете се сетити кључних тачака, која се заснива на цеви са једним крајем на врху брда и једним крајем на дну. Напон је попут висине брда (стрмији, виши брежуљак значи већи напон), тренутни проток је попут протока воде (вода брже тече низ стрмији брежуљак), а отпор је попут трења између страница цеви и воде (тања цев ствара веће трење и смањује брзину протока воде, као што је већи отпор код електричне струје проток).

Охмов закон је од виталне важности за описивање електричних кола јер повезује напон са струјом, а вредност отпора модерира однос између њих. Због тога можете да користите Охмов закон да бисте контролисали количину струје у колу, додајући отпорнике да бисте смањили проток струје и одузимајући их да бисте повећали количину струје.

Такође се може проширити да опише електричну снагу (брзину протока енергије у секунди), јер снага П = ИВ, и тако можете да га користите како бисте осигурали да ваше коло даје довољно енергије, рецимо, уређају од 60 вати.

За студенте физике најважнија ствар о Охмовом закону је то што вам омогућава да анализирате дијаграме кола, посебно када га комбинујете са Кирцххоффовим законима, који из њега следе.

Кирцххофф-ов закон напона каже да је пад напона око било које затворене петље у кругу увек једнак нули, а важећи закон каже да је количина струје која тече у спој или чвор у колу једнака количини која излази од тога. Можете користити Охмов закон са законом напона, посебно за израчунавање пада напона на било којој компоненти кола, што је чест проблем који се поставља на часовима електронике.

Помоћу Охмовог закона можете пронаћи било коју непознату количину од три, под условом да знате остале две величине за дотични електрични круг. Обрада неколико основних примера показује вам како се то ради.

Прво замислите да имате 9-волтну батерију прикључену на коло са укупним отпором 18 Ω. Колика струја тече када повежете коло? Преуређивањем Охмовог закона (или коришћењем троугла) можете да пронађете:

Дакле, око струјног круга тече 0,5 ампера струје. Сада замислите да је ово савршена количина струје за компоненту коју желите да напајате, али имате само 12-В батерију. Колики отпор треба да додате да бисте били сигурни да компонента добија оптималну количину струје? Опет, можете преуредити Охмов закон и решити га да бисте пронашли одговор:

Дакле, потребан вам је отпорник од 24 Ω да бисте довршили коло. Коначно, колики је пад напона на отпорнику од 5 Ω у колу са струјом кроз коју тече 2 А? Овај пут, стандардни В = ИР облик закона добро функционише:

Омов закон можете користити у широком спектру ситуација, али постоје ограничења његове валидности - он није заиста основни закон физике. Закон описује линеарни однос између напона и струје, али овај однос важи само ако отпорник или отпорни елемент круга са којим радите има константан отпор под различитим НапонВ.и тренутниЈавредности.

Материјали који се придржавају овог правила називају се омски отпорници, и иако ће већина физичких проблема укључивати омске отпорнике, многи не-омски отпорници биће вам познати из вашег свакодневног живота.

Сијалица је савршен пример не-омског отпора. Када направите графиконВ.вс.Јаза охмичке отпорнике показује потпуно праволинијски однос, али ако ово урадите за нешто попут сијалице, ситуација се мења. Како се филамент у сијалици загрева, отпор сијалицеповећава, што значи да граф постаје крива, а не права линија, а Охмов закон не важи.