กฎของโอห์ม: มันคืออะไรและเหตุใดจึงสำคัญ

วงจรไฟฟ้ามีอยู่ทั่วไปในชีวิตประจำวันของเรา จากวงจรรวมที่ซับซ้อนที่ควบคุมอุปกรณ์ที่คุณกำลังอ่านบทความนี้ ไปจนถึงการเดินสายที่ให้คุณเปลี่ยน a หลอดไฟในบ้านของคุณเปิดและปิด ชีวิตทั้งชีวิตของคุณจะแตกต่างอย่างสิ้นเชิงหากคุณไม่ได้ล้อมรอบด้วยวงจรทุกที่ ไป.

แต่คนส่วนใหญ่ไม่ได้เรียนรู้ถึงวิธีการทำงานของวงจรและสมการที่ค่อนข้างง่าย – เช่น กฎของโอห์ม – ที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแนวคิดหลัก เช่น ความต้านทานไฟฟ้า แรงดันไฟ และไฟฟ้า ปัจจุบัน. อย่างไรก็ตาม การเจาะลึกลงไปอีกเล็กน้อยในฟิสิกส์ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์สามารถให้ข้อมูลเชิงลึกที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้นเกี่ยวกับกฎหลักที่สนับสนุนเทคโนโลยีสมัยใหม่ส่วนใหญ่

กฎของโอห์มเป็นหนึ่งในสมการที่สำคัญที่สุดในการทำความเข้าใจวงจรไฟฟ้า แต่ถ้าคุณจะเข้าใจมัน คุณจะต้องเข้าใจแนวคิดพื้นฐานที่เชื่อมโยงเป็นอย่างดี:แรงดันไฟฟ้า​, ​ปัจจุบันและแนวต้าน. กฎของโอห์มเป็นเพียงสมการที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างปริมาณทั้งสามนี้สำหรับตัวนำส่วนใหญ่

แรงดันไฟฟ้าเป็นคำที่ใช้บ่อยที่สุดสำหรับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุด และให้ "การผลัก" ที่ช่วยให้ประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ไปรอบๆ วงนำไฟฟ้า

ศักย์ไฟฟ้าเป็นรูปแบบหนึ่งของพลังงานศักย์ เช่นพลังงานศักย์โน้มถ่วง และถูกกำหนดให้เป็นพลังงานศักย์ไฟฟ้าต่อหน่วยประจุ หน่วย SI สำหรับแรงดันไฟฟ้าคือโวลต์ (V) และ 1 V = 1 J/C หรือพลังงานหนึ่งจูลต่อประจุไฟฟ้า บางครั้งก็เรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าหรือ EMF

กระแสไฟฟ้าคืออัตราการไหลของประจุไฟฟ้าผ่านจุดที่กำหนดในวงจร ซึ่งมีหน่วย SI ของแอมแปร์ (A) โดยที่ 1 A = 1 C/s (หนึ่งคูลอมบ์ของประจุต่อวินาที) มันมาในรูปแบบของกระแสตรง (DC) และกระแสสลับ (AC) และแม้ว่า DC จะง่ายกว่า แต่วงจร AC นั้น ใช้สำหรับจ่ายไฟให้บ้านเรือนส่วนใหญ่ทั่วโลก เพราะมันง่ายกว่าและปลอดภัยกว่าในการส่งพลังงานในระยะยาว ระยะทาง

แนวคิดสุดท้ายที่คุณต้องเข้าใจก่อนที่จะจัดการกับกฎของโอห์มคือความต้านทาน ซึ่งเป็นตัววัดการต่อต้านกระแสไฟในวงจร หน่วย SI สำหรับความต้านทานคือโอห์ม (ซึ่งใช้อักษรกรีกโอเมก้า Ω) โดยที่ 1 Ω = 1 V/A

นักฟิสิกส์ชาวเยอรมัน Georg Ohm อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างแรงดัน กระแส และความต้านทานในสมการบาร์นี้ สูตรกฎของโอห์มคือ:

ที่ไหนวีคือ แรงดันไฟหรือความต่างศักย์ผมคือปริมาณกระแสและความต้านทานRคือปริมาณสุดท้าย

สามารถจัดเรียงสมการใหม่ด้วยวิธีง่ายๆ เพื่อสร้างสูตรสำหรับการคำนวณกระแสตามแรงดันและความต้านทาน หรือความต้านทานตามกระแสและแรงดัน หากคุณไม่สะดวกใจในการจัดเรียงสมการใหม่ คุณสามารถค้นหาสามเหลี่ยมกฎของโอห์มได้ (ดูแหล่งข้อมูล) แต่มันค่อนข้างตรงไปตรงมาสำหรับทุกคนที่คุ้นเคยกับกฎพื้นฐานของพีชคณิต

ประเด็นสำคัญที่สมการกฎของโอห์มแสดงให้เห็นคือแรงดันเป็นสัดส่วนโดยตรงกับกระแสไฟฟ้า (ดังนั้น. ยิ่งสูง แรงดันไฟฟ้า ยิ่งกระแสสูง) และกระแสนั้นแปรผกผันกับความต้านทาน (ดังนั้น ยิ่งความต้านทานสูง ค่าความต้านทานก็จะยิ่งต่ำลง ปัจจุบัน).

คุณสามารถใช้การเปรียบเทียบการไหลของน้ำเพื่อจดจำจุดสำคัญ ซึ่งอิงตามท่อที่มีปลายด้านหนึ่งอยู่บนเนินเขาและปลายด้านหนึ่งอยู่ด้านล่าง แรงเคลื่อนไฟฟ้าเท่ากับความสูงของเนิน (เนินสูงชัน หมายถึง แรงดันไฟมากกว่า) กระแสไหลเหมือนกระแสน้ำ (น้ำไหลลงเนินชันขึ้นเร็วขึ้น) และความต้านทานคือ เช่นแรงเสียดทานระหว่างด้านข้างของท่อกับน้ำ (ท่อที่บางกว่าจะสร้างแรงเสียดทานมากขึ้นและลดความเร็วของการไหลของน้ำ เช่นเดียวกับความต้านทานที่สูงขึ้นสำหรับกระแสไฟฟ้า ไหล).

กฎของโอห์มมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการอธิบายวงจรไฟฟ้า เนื่องจากเกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้ากับกระแส โดยค่าความต้านทานจะกลั่นกรองความสัมพันธ์ระหว่างทั้งสอง ด้วยเหตุนี้ คุณสามารถใช้กฎของโอห์มเพื่อควบคุมปริมาณกระแสไฟในวงจร โดยเพิ่มตัวต้านทานเพื่อลดกระแสไฟและนำตัวต้านทานเหล่านี้ออกไปเพื่อเพิ่มปริมาณกระแส

นอกจากนี้ยังสามารถขยายเพื่ออธิบายพลังงานไฟฟ้า (อัตราการไหลของพลังงานต่อวินาที) เนื่องจากพลังงาน P = IV ดังนั้น คุณสามารถใช้เพื่อให้มั่นใจว่าวงจรของคุณมีพลังงานเพียงพอสำหรับเครื่องใช้ไฟฟ้าขนาด 60 วัตต์

สำหรับนักศึกษาฟิสิกส์ สิ่งสำคัญที่สุดเกี่ยวกับกฎของโอห์มคือ อนุญาตให้คุณวิเคราะห์แผนภาพวงจร โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อคุณรวมเข้ากับกฎของเคอร์ชอฟฟ์ ซึ่งจะตามมาด้วย

กฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff ระบุว่าแรงดันไฟฟ้าตกรอบวงปิดใด ๆ ในวงจรมีค่าเท่ากับศูนย์เสมอและ กฎปัจจุบันระบุว่าปริมาณกระแสที่ไหลเข้าสู่ทางแยกหรือโหนดในวงจรเท่ากับปริมาณที่ไหลออก ของมัน คุณสามารถใช้กฎของโอห์มกับกฎแรงดันไฟฟ้าโดยเฉพาะในการคำนวณแรงดันตกคร่อมส่วนประกอบใดๆ ของวงจร ซึ่งเป็นปัญหาทั่วไปที่เกิดขึ้นในชั้นเรียนอิเล็กทรอนิกส์

คุณสามารถใช้กฎของโอห์มเพื่อหาปริมาณที่ไม่ทราบค่าของทั้งสามค่านี้ได้ หากคุณทราบปริมาณอีกสองปริมาณสำหรับวงจรไฟฟ้าที่เป็นปัญหา การทำงานผ่านตัวอย่างพื้นฐานบางรายการจะแสดงให้คุณเห็นถึงวิธีการดำเนินการ

ขั้นแรก ลองนึกภาพว่าคุณมีแบตเตอรี่ขนาด 9 โวลต์ต่อวงจรที่มีความต้านทานรวม 18 Ω กระแสไหลเท่าไหร่เมื่อคุณต่อวงจร? โดยการจัดเรียงกฎของโอห์มใหม่ (หรือใช้รูปสามเหลี่ยม) คุณจะพบ:

ดังนั้นกระแส 0.5 แอมป์จึงไหลไปรอบ ๆ วงจร ลองจินตนาการว่านี่คือปริมาณกระแสไฟที่สมบูรณ์แบบสำหรับส่วนประกอบที่คุณต้องการจ่ายไฟ แต่คุณมีแบตเตอรี่เพียง 12 โวลต์เท่านั้น คุณควรเพิ่มความต้านทานเท่าใดเพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบได้รับกระแสไฟที่เหมาะสมที่สุด? อีกครั้ง คุณสามารถจัดเรียงกฎของโอห์มใหม่และแก้ไขเพื่อหาคำตอบได้:

ดังนั้นคุณจึงต้องมีตัวต้านทาน 24-Ω เพื่อให้วงจรของคุณสมบูรณ์ สุดท้าย แรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน 5-Ω ในวงจรที่มีกระแสไหลผ่าน 2 A คืออะไร? คราวนี้รูปแบบกฎหมายมาตรฐาน V = IR ทำงานได้ดี:

คุณสามารถใช้กฎของโอห์มในสถานการณ์ต่างๆ ได้มากมาย แต่มีข้อจำกัดในความถูกต้อง – มันไม่ใช่กฎพื้นฐานของฟิสิกส์อย่างแท้จริง กฎหมายอธิบายความสัมพันธ์เชิงเส้นตรงระหว่างแรงดันและกระแส แต่ความสัมพันธ์นี้จะคงอยู่เฉพาะถ้า ตัวต้านทานหรือองค์ประกอบวงจรต้านทานที่คุณใช้งานมีความต้านทานคงที่ภายใต้ค่าต่างๆ แรงดันไฟฟ้าวีและปัจจุบันผมค่า

วัสดุที่ปฏิบัติตามกฎนี้เรียกว่าตัวต้านทานโอห์มมิก และแม้ว่าปัญหาทางฟิสิกส์ส่วนใหญ่จะเกี่ยวข้องกับตัวต้านทานโอห์มมิก แต่คุณคงคุ้นเคยกับตัวต้านทานที่ไม่ใช่โอห์มมิกจำนวนมากในชีวิตประจำวันของคุณ

หลอดไฟเป็นตัวอย่างที่สมบูรณ์แบบของตัวต้านทานแบบไม่มีโอห์มมิก เมื่อคุณสร้างกราฟของวีเทียบกับผมสำหรับตัวต้านทานโอห์มมิก มันแสดงความสัมพันธ์แบบเส้นตรงทั้งหมด แต่ถ้าคุณทำเช่นนี้กับหลอดไฟ สถานการณ์จะเปลี่ยนไป เมื่อไส้หลอดร้อนขึ้น ความต้านทานของหลอดไฟ resistanceเพิ่มขึ้นซึ่งหมายความว่ากราฟจะกลายเป็นเส้นโค้งมากกว่าเส้นตรง และกฎของโอห์มไม่มีผลบังคับใช้