Napięcie, prąd, rezystancja i prawo Ohma: 5 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:33

Omówione w tym samouczku

Jak ładunek elektryczny wiąże się z napięciem, prądem i rezystancją.

Jakie są napięcie, prąd i rezystancja.

Czym jest prawo Ohma i jak z niego korzystać, aby zrozumieć elektryczność.

Prosty eksperyment demonstrujący te koncepcje.

Krok 1: ładowanie elektryczne

Ładunek elektryczny to fizyczna właściwość materii, która powoduje, że po umieszczeniu w polu elektromagnetycznym doświadcza ona siły. Istnieją dwa rodzaje ładunków elektrycznych: dodatnie i ujemne (powszechnie przenoszone odpowiednio przez protony i elektrony). Jak ładunki odpychają, a w przeciwieństwie do przyciągania. Brak opłaty netto określany jest jako neutralny. Obiekt jest naładowany ujemnie, jeśli ma nadmiar elektronów, a poza tym jest naładowany dodatnio lub nie jest naładowany. Pochodną jednostką ładunku elektrycznego w układzie SI jest kulomb (C). W elektrotechnice często używa się również amperogodzin (Ah); podczas gdy w chemii powszechnie używa się ładunku elementarnego (e) jako jednostki. Symbol Q często oznacza ładunek. Wczesna wiedza na temat interakcji naładowanych substancji jest obecnie nazywana klasyczną elektrodynamiką i nadal jest dokładna w przypadku problemów, które nie wymagają uwzględniania efektów kwantowych.

Ładunek elektryczny jest podstawową zachowaną właściwością niektórych cząstek subatomowych, która determinuje ich oddziaływanie elektromagnetyczne. Materia naładowana elektrycznie jest pod wpływem pól elektromagnetycznych lub wytwarza je. Oddziaływanie pomiędzy poruszającym się ładunkiem a polem elektromagnetycznym jest źródłem siły elektromagnetycznej, która jest jedną z czterech podstawowych sił (patrz też: pole magnetyczne).

Eksperymenty XX wieku wykazały, że ładunek elektryczny jest skwantowany; oznacza to, że występuje w całkowitych wielokrotnościach pojedynczych małych jednostek zwanych ładunkiem elementarnym, e, w przybliżeniu równym 1,602×10−19 kulombów (z wyjątkiem cząstek zwanych kwarkami, których ładunki są całkowitymi wielokrotnościami 1/3e). Proton ma ładunek +e, a elektron ma ładunek −e. Badanie naładowanych cząstek i sposobu, w jaki w ich interakcjach pośredniczą fotony, nazywa się elektrodynamiką kwantową.

Krok 2: Napięcie:

Napięcie, różnica potencjałów elektrycznych, ciśnienie elektryczne lub napięcie elektryczne (formalnie oznaczane jako ∆V lub ∆U, ale częściej uproszczone jako V lub U, na przykład w kontekście praw obwodu Ohma lub Kirchhoffa) to różnica w energii potencjalnej między dwoma punktów za jednostkę ładunku elektrycznego. Napięcie między dwoma punktami jest równe pracy wykonanej na jednostkę ładunku w stosunku do statycznego pola elektrycznego w celu przesunięcia ładunku testowego między dwoma punktami. Jest to mierzone w woltach (dżul na kulomb).

Napięcie może być spowodowane przez statyczne pola elektryczne, prąd elektryczny płynący przez pole magnetyczne, zmienne w czasie pola magnetyczne lub kombinację tych trzech. Woltomierz może być używany do pomiaru napięcia (lub różnicy potencjałów) między dwoma punktami w systemie; często jako jeden z punktów wykorzystywany jest wspólny potencjał odniesienia, taki jak masa systemu. Napięcie może reprezentować źródło energii (siła elektromotoryczna) lub energię utraconą, zużytą lub zmagazynowaną (spadek potencjału)

Opisując napięcie, prąd i rezystancję, powszechną analogią jest zbiornik na wodę. W tej analogii ładunek jest reprezentowany przez ilość wody, napięcie jest reprezentowane przez ciśnienie wody, a prąd reprezentowany jest przez przepływ wody. Więc dla tej analogii pamiętaj:

Woda = ładowanie

Ciśnienie = Napięcie

Przepływ = Prąd

Rozważ zbiornik na wodę na pewnej wysokości nad ziemią. Na dnie tego zbiornika znajduje się wąż.

Tak więc prąd jest niższy w zbiorniku przy większej rezystancji.

Krok 3: Elektryczność:

Elektryczność to obecność i przepływ ładunku elektrycznego. Jego najbardziej znaną formą jest przepływ elektronów przez przewodniki, takie jak druty miedziane.

Elektryczność jest formą energii, która występuje w formie pozytywnej i negatywnej, która występuje naturalnie (jak w błyskawicy) lub jest wytwarzana (jak w generatorze). Jest to forma energii, którą wykorzystujemy do zasilania maszyn i urządzeń elektrycznych. Gdy ładunki się nie poruszają, elektryczność nazywana jest elektrycznością statyczną. Gdy ładunki się poruszają, są prądem elektrycznym, zwanym czasem „elektrycznością dynamiczną”. Błyskawica jest najbardziej znanym i niebezpiecznym rodzajem elektryczności w przyrodzie, ale czasami elektryczność statyczna powoduje, że rzeczy się sklejają.

Elektryczność może być niebezpieczna, zwłaszcza w pobliżu wody, ponieważ woda jest rodzajem przewodnika. Od XIX wieku elektryczność jest wykorzystywana w każdym aspekcie naszego życia. Do tej pory była to tylko ciekawostka widziana podczas burzy.

Elektryczność może powstać, gdy magnes znajdzie się blisko metalowego drutu. Jest to metoda używana przez generator. Największe generatory znajdują się w elektrowniach. Elektryczność można również wytwarzać, łącząc chemikalia w słoiku z dwoma różnymi rodzajami metalowych prętów. Jest to metoda stosowana w baterii. Elektryczność statyczna powstaje w wyniku tarcia między dwoma materiałami. Na przykład wełniana czapka i plastikowa linijka. Pocieranie ich razem może wywołać iskrę. Elektryczność można również wytwarzać za pomocą energii słonecznej, jak w ogniwach fotowoltaicznych.

Energia elektryczna dociera do domów przewodami z miejsca, w którym jest wytwarzana. Używają go lampy elektryczne, grzejniki elektryczne itp. Wiele urządzeń gospodarstwa domowego, takich jak pralki i kuchenki elektryczne, korzysta z energii elektrycznej. W fabrykach znajdują się maszyny do zasilania elektrycznego. Osoby zajmujące się elektrycznością i urządzeniami elektrycznymi w naszych domach i fabrykach nazywane są „elektrykami”.

Powiedzmy teraz, że mamy dwa zbiorniki, każdy zbiornik z wężem wychodzącym od dołu. Każdy zbiornik ma dokładnie taką samą ilość wody, ale wąż w jednym zbiorniku jest węższy niż wąż w drugim.

Mierzymy taką samą wartość ciśnienia na końcu każdego węża, ale gdy woda zacznie płynąć, natężenie przepływu wody w zbiorniku z węższym wężem będzie mniejsze niż natężenie przepływu wody w zbiorniku z szerszy wąż. Pod względem elektrycznym prąd płynący przez węższy wąż jest mniejszy niż prąd płynący przez szerszy wąż. Jeśli chcemy, aby przepływ był taki sam przez oba węże, musimy zwiększyć ilość wody (napełnienie) w zbiorniku węższym wężem.

Krok 4: Opór elektryczny i przewodność

W analogii hydraulicznej prąd płynący przez drut (lub rezystor) jest jak woda przepływająca przez rurę, a spadek napięcia na przewodzie jest jak spadek ciśnienia, który popycha wodę przez rurę. Przewodność jest proporcjonalna do tego, jak duży przepływ występuje dla danego ciśnienia, a opór jest proporcjonalny do tego, ile ciśnienia jest wymagane do osiągnięcia danego przepływu. (Przewodnictwo i opór są wzajemne.)

Spadek napięcia (tj. różnica między napięciami po jednej i drugiej stronie rezystora), a nie samo napięcie, zapewnia siłę napędową przepychającą prąd przez rezystor. W hydraulice jest podobnie: różnica ciśnień między dwiema stronami rury, a nie samo ciśnienie, determinuje przepływ przez nią. Na przykład nad rurą może występować duże ciśnienie wody, które próbuje wepchnąć wodę w dół przez rurę. Ale pod rurą może występować równie duże ciśnienie wody, które próbuje wypchnąć wodę z powrotem przez rurę. Jeśli te ciśnienia są równe, woda nie płynie. (Na zdjęciu po prawej ciśnienie wody pod rurą wynosi zero).

Rezystancja i przewodność drutu, rezystora lub innego elementu jest w większości zdeterminowana przez dwie właściwości:

• geometria (kształt) i
• materiał

Geometria jest ważna, ponieważ trudniej jest przepchnąć wodę przez długą, wąską rurę niż szeroką, krótką rurę. W ten sam sposób długi, cienki drut miedziany ma wyższą rezystancję (niższe przewodnictwo) niż krótki, gruby drut miedziany.

Ważne są również materiały. Fajka wypełniona włosami ogranicza przepływ wody bardziej niż czysta fajka o tym samym kształcie i rozmiarze. Podobnie elektrony mogą swobodnie i łatwo przepływać przez drut miedziany, ale nie mogą przepływać tak łatwo przez drut stalowy o tym samym kształcie i rozmiarze, i zasadniczo nie mogą w ogóle przepływać przez izolator, taki jak guma, niezależnie od jego kształtu. Różnica między miedzią, stalą i gumą jest związana z ich mikroskopijną strukturą i konfiguracją elektronową i jest określana ilościowo za pomocą właściwości zwanej rezystywnością.

Oprócz geometrii i materiału istnieje wiele innych czynników, które wpływają na rezystancję i przewodność.

Jest zrozumiałe, że przy tym samym ciśnieniu nie możemy zmieścić tak dużej objętości przez wąską rurę, jak szerszą. To jest opór. Wąska rura „opiera” przepływ wody przez nią, mimo że woda ma takie samo ciśnienie jak zbiornik z szerszą rurą.

Pod względem elektrycznym jest to reprezentowane przez dwa obwody o równych napięciach i różnych rezystancjach. Obwód o wyższej rezystancji pozwoli na przepływ mniejszej ilości ładunku, co oznacza, że przez obwód o wyższej rezystancji przepływa mniej prądu.

Krok 5: Prawo Ohma：

Prawo Ohma mówi, że prąd płynący przez przewodnik między dwoma punktami jest wprost proporcjonalny do napięcia w tych dwóch punktach. Wprowadzając stałą proporcjonalności, opór, dochodzimy do zwykłego równania matematycznego, które opisuje tę zależność:

gdzie I jest prądem płynącym przez przewodnik w jednostkach amperów, V jest napięciem mierzonym na przewodniku w woltach, a R jest rezystancją przewodnika w omach. Dokładniej, prawo Ohma mówi, że R w tej relacji jest stałe, niezależne od prądu.

Prawo zostało nazwane na cześć niemieckiego fizyka Georga Ohma, który w traktacie opublikowanym w 1827 r. opisał pomiary przyłożonego napięcia i prądu w prostych obwodach elektrycznych zawierających różne długości drutu. Ohm wyjaśnił swoje wyniki eksperymentalne nieco bardziej złożonym równaniem niż współczesna forma powyżej (patrz Historia).

W fizyce termin prawo Ohma jest również używany w odniesieniu do różnych uogólnień prawa pierwotnie sformułowanego przez Ohma.