Електричні схеми є повсюдними в нашому повсякденному житті. Від складних інтегральних схем, які керують пристроєм, про який ви читаєте цю статтю, до проводки, що дозволяє вам перемкнути a лампочки у вашому будинку вмикання та вимикання, все ваше життя було б кардинально іншим, якби ви не були оточені ланцюгами скрізь, де б ви не були піти.
Але більшість людей насправді не вивчають дріб’язкову піску, як працюють схеми, і досить прості рівняння - наприклад Закон Ома - який пояснює взаємозв'язок між такими ключовими поняттями, як електричний опір, напруга та електричний струм струм. Однак, заглибившись у фізику електроніки, ви зможете набагато глибше зрозуміти основні правила, що лежать в основі більшості сучасних технологій.
Що таке закон Ома?
Закон Ома - одне з найважливіших рівнянь, коли йдеться про розуміння електричних ланцюгів, але якщо ви збираєтесь його розуміти, вам потрібно буде добре зрозуміти основні поняття, які він пов’язує:Напруга, струміопір. Закон Ома - це просто рівняння, яке описує взаємозв'язок цих трьох величин для більшості провідників.
Напруга - це найбільш часто вживаний термін для різниці електричних потенціалів між двома точками, і він забезпечує “поштовх”, що дозволяє електричному заряду рухатися навколо провідної петлі.
Електричний потенціал - це така форма потенційної енергії, як гравітаційна потенційна енергія, і вона визначається як електрична потенціальна енергія на одиницю заряду. Одиницею вимірювання СІ для напруги є вольт (V) і 1 V = 1 Дж / С, або один джоуль енергії на кулон заряду. Це іноді також називаютьелектрорушійна силаабо ЕРС.
Електричний струм - це швидкість потоку електричного заряду, що проходить через задану точку в ланцюзі, що має одиницю сили ампера (А), де 1 А = 1 С / с (один кулон заряду в секунду). Він поставляється у формі постійного струму (постійного струму) та змінного струму (змінного струму), і хоча постійний струм простіший, схеми змінного струму використовується для постачання електроенергії більшості домогосподарств у всьому світі, оскільки його легше та безпечніше передавати протягом довгого часу відстані.
Кінцевою концепцією, яку вам потрібно буде зрозуміти, перш ніж розглядати закон Ома, є опір, який є мірою протидії потоку струму в ланцюзі. Одиницею опору SI є ом (в якому використовується грецька буква омега, Ω), де 1 Ом = 1 В / А.
Рівняння закону Ома
Німецький фізик Георг Ом описав залежність між напругою, струмом і опором у своєму однойменному рівнянні. Формула закону Ома:
V = ІЧ
деV- напруга або різниця потенціалів,Я- величина струму та опоруР.- кінцева кількість.
Рівняння можна просто переставити, щоб отримати формулу для розрахунку струму на основі напруги та опору або опору на основі струму та напруги. Якщо вам не зручно переставляти рівняння, ви можете шукати трикутник закону Ома (див. Ресурси), але це досить просто для всіх, хто знайомий з основними правилами алгебри.
Ключові моменти, які показує рівняння закону Ома, полягають у тому, що напруга прямо пропорційна електричному струму (отже, чим вище напруга, чим вище струм), і цей струм обернено пропорційний опору (отже, чим більший опір, тим нижче поточний).
За аналогією потоку води ви можете запам’ятати ключові моменти, в основі яких лежить труба з одним кінцем на вершині пагорба і одним кінцем на дні. Напруга схожа на висоту пагорба (більш крутий, високий пагорб означає більше напруги), поточний потік схожий на потік води (вода швидше тече вниз по крутішому пагорбі), а опір як тертя між сторонами труби та водою (більш тонка труба створює більше тертя та зменшує швидкість потоку води, як більший опір для електричного струму потік).
Чому закон Ома важливий?
Закон Ома є життєво важливим для опису електричних ланцюгів, оскільки він пов'язує напругу зі струмом, а значення опору зменшує зв'язок між ними. Через це ви можете використовувати закон Ома для управління величиною струму в ланцюзі, додаючи резистори для зменшення потоку струму і віднімаючи їх для збільшення кількості струму.
Його також можна розширити для опису електричної потужності (швидкості потоку енергії в секунду), оскільки потужність P = IV, і тому ви можете використовувати його, щоб забезпечити, що ваша схема забезпечує достатньо енергії, скажімо, на 60-ватний прилад.
Для студентів-фізиків найголовнішим у законі Ома є те, що він дозволяє аналізувати принципові схеми, особливо коли ви поєднуєте їх із законами Кірхгофа, які випливають із нього.
Закон напруги Кірхгофа стверджує, що падіння напруги навколо будь-якого замкнутого контуру в ланцюзі завжди дорівнює нулю, і чинний закон стверджує, що величина струму, що витікає в перехід або вузол в ланцюзі, дорівнює величині, що витікає цього. Ви можете використовувати закон Ома із законом напруги, зокрема, для обчислення падіння напруги на будь-якому компоненті схеми, що є загальною проблемою, що виникає в класах електроніки.
Приклади закону Ома
За допомогою закону Ома можна знайти будь-яку невідому величину з трьох, за умови, що ви знаєте інші дві величини для відповідного електричного кола. Опрацювання деяких основних прикладів показує, як це робиться.
Спочатку уявіть, що у вас 9-вольтовий акумулятор, підключений до ланцюга із загальним опором 18 Ом. Скільки струму протікає при підключенні схеми? Переставляючи закон Ома (або використовуючи трикутник), ви можете знайти:
\ begin {align} I & = \ frac {V} {R} \\ & = \ frac {9 \ text {V}} {18 \ text {Ω}} \\ & = 0,5 \ text {A} \ end {вирівняно}
Тож навколо ланцюга протікає 0,5 ампер струму. А тепер уявіть, що це ідеальна кількість струму для компонента, який ви хочете живити, але у вас є лише акумулятор 12 В. Скільки опору слід додати, щоб переконатись, що компонент отримує оптимальну кількість струму? Знову ж таки, ви можете переставити закон Ома і вирішити його, щоб знайти відповідь:
\ begin {align} R & = \ frac {V} {I} \\ & = \ frac {12 \ text {V}} {0,5 \ text {A}} \\ & = 24 \ text {Ω} \ end {вирівняно}
Отже, вам знадобиться 24-омний резистор для завершення схеми. Нарешті, яке падіння напруги на 5-омному резисторі в ланцюзі, через який проходить струм 2 А? Цього разу стандартна форма закону V = IR працює чудово:
\ begin {align} V & = IR \\ & = 2 \ text {A} × 5 \ text {Ω} \\ & = 10 \ text {V} \ end {align}
Омічні та неомічні резистори
Ви можете використовувати закон Ома у величезній кількості ситуацій, але існують обмеження його дійсності - це не справді фундаментальний закон фізики. Закон описує лінійну залежність між напругою та струмом, але ця залежність виконується лише в тому випадку, якщо резистор або резистивний елемент ланцюга, з яким ви працюєте, має постійний опір при різних НапругаVі поточнийЯзначення.
Матеріали, які підкоряються цьому правилу, називаються омічними резисторами, і хоча більшість фізичних проблем стосуватимуться омічних резисторів, ви будете знайомі з багатьма неомічними резисторами зі свого щоденного життя.
Лампочка є прекрасним прикладом неомічного резистора. Коли ви складаєте графікVпротиЯдля омічних резисторів це показує абсолютно пряме співвідношення, але якщо зробити це для чогось на зразок лампочки, ситуація змінюється. У міру нагрівання нитки в колбі опір лампочкизбільшується, що означає, що графік стає кривою, а не прямою лінією, а закон Ома не застосовується.
