Τάση, ρεύμα, αντίσταση και νόμος του Ohm: 5 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:38

Καλύπτεται σε αυτό το σεμινάριο

Πώς σχετίζεται το ηλεκτρικό φορτίο με την τάση, το ρεύμα και την αντίσταση.

Τι είναι η τάση, το ρεύμα και η αντίσταση.

Τι είναι ο νόμος του Ohm και πώς να τον χρησιμοποιήσετε για να κατανοήσετε τον ηλεκτρισμό.

Ένα απλό πείραμα για την επίδειξη αυτών των εννοιών.

Βήμα 1: Ηλεκτρική φόρτιση

Το ηλεκτρικό φορτίο είναι η φυσική ιδιότητα της ύλης που την προκαλεί να βιώνει μια δύναμη όταν τοποθετείται σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Υπάρχουν δύο τύποι ηλεκτρικών φορτίων: θετικά και αρνητικά (συνήθως μεταφέρονται από πρωτόνια και ηλεκτρόνια αντίστοιχα). Όπως οι χρεώσεις απωθούν και αντίθετα προσελκύουν. Η απουσία καθαρής χρέωσης αναφέρεται ως ουδέτερη. Ένα αντικείμενο φορτίζεται αρνητικά εάν έχει περίσσεια ηλεκτρονίων και διαφορετικά είναι θετικά φορτισμένο ή χωρίς φόρτιση. Η μονάδα ηλεκτρικού φορτίου που προέρχεται από το SI είναι το κουλόν (C). Στην ηλεκτρολογία, είναι επίσης συνηθισμένο να χρησιμοποιείτε την ώρα αμπέρ (Ah). ενώ στη χημεία, είναι συνηθισμένο να χρησιμοποιείται το στοιχειώδες φορτίο (ε) ως μονάδα. Το σύμβολο Q συχνά υποδηλώνει φόρτιση. Η πρώιμη γνώση για το πώς αλληλεπιδρούν οι φορτισμένες ουσίες ονομάζεται πλέον κλασική ηλεκτροδυναμική και εξακολουθεί να είναι ακριβής για προβλήματα που δεν απαιτούν εξέταση κβαντικών επιδράσεων.

Το ηλεκτρικό φορτίο είναι μια θεμελιώδης διατηρημένη ιδιότητα ορισμένων υποατομικών σωματιδίων, η οποία καθορίζει την ηλεκτρομαγνητική αλληλεπίδραση τους. Η ηλεκτρικά φορτισμένη ύλη επηρεάζεται ή παράγει ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Η αλληλεπίδραση μεταξύ κινούμενου φορτίου και ηλεκτρομαγνητικού πεδίου είναι η πηγή της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης, η οποία είναι μία από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις (Βλέπε επίσης: μαγνητικό πεδίο).

Πειράματα του εικοστού αιώνα απέδειξαν ότι το ηλεκτρικό φορτίο κβαντίζεται. Δηλαδή, έρχεται σε ακέραια πολλαπλάσια μεμονωμένων μικρών μονάδων που ονομάζονται στοιχειώδες φορτίο, ε, περίπου ίσο με 1,602 × 10−19 κουλόνια (εκτός από τα σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ, τα οποία έχουν φορτία που είναι ακέραια πολλαπλάσια του 1/3e). Το πρωτόνιο έχει φορτίο +e και το ηλεκτρόνιο έχει φορτίο −e. Η μελέτη των φορτισμένων σωματιδίων και πώς οι αλληλεπιδράσεις τους μεσολαβούνται από φωτόνια, ονομάζεται κβαντική ηλεκτροδυναμική.

Βήμα 2: Τάση

Τάση, διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού, ηλεκτρική πίεση ή ηλεκτρική τάση (επίσημα συμβολίζεται ∆V ή ∆U, αλλά πιο συχνά απλοποιείται ως V ή U, για παράδειγμα στο πλαίσιο των νόμων του κυκλώματος Ohm ή Kirchhoff) είναι η διαφορά στην ηλεκτρική δυνητική ενέργεια μεταξύ δύο πόντους ανά μονάδα ηλεκτρικού φορτίου. Η τάση μεταξύ δύο σημείων είναι ίση με το έργο που εκτελείται ανά μονάδα φόρτισης σε ένα στατικό ηλεκτρικό πεδίο για να μετακινήσει το φορτίο δοκιμής μεταξύ δύο σημείων. Αυτό μετριέται σε μονάδες βολτ (joule ανά coulomb).

Η τάση μπορεί να προκληθεί από στατικά ηλεκτρικά πεδία, από ηλεκτρικό ρεύμα μέσω μαγνητικού πεδίου, από χρονικά μεταβαλλόμενα μαγνητικά πεδία ή από κάποιο συνδυασμό αυτών των τριών. [1] [2] Ένα βολτόμετρο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση της τάσης (ή της διαφοράς δυναμικού) μεταξύ δύο σημείων σε ένα σύστημα. συχνά ένα κοινό δυναμικό αναφοράς όπως το έδαφος του συστήματος χρησιμοποιείται ως ένα από τα σημεία. Μια τάση μπορεί να αντιπροσωπεύει είτε πηγή ενέργειας (ηλεκτροκινητική δύναμη) είτε απώλεια, χρήση ή αποθήκευση ενέργειας (δυνητική πτώση)

Κατά την περιγραφή της τάσης, του ρεύματος και της αντίστασης, μια κοινή αναλογία είναι μια δεξαμενή νερού. Σε αυτή την αναλογία, το φορτίο αντιπροσωπεύεται από την ποσότητα νερού, η τάση αντιπροσωπεύεται από την πίεση του νερού και το ρεύμα αντιπροσωπεύεται από τη ροή του νερού. Έτσι, για αυτήν την αναλογία, θυμηθείτε:

Νερό = Χρέωση

Πίεση = Τάση

Ροή = Ρεύμα

Εξετάστε μια δεξαμενή νερού σε ένα ορισμένο ύψος πάνω από το έδαφος. Στο κάτω μέρος αυτής της δεξαμενής, υπάρχει ένας εύκαμπτος σωλήνας.

Έτσι, το ρεύμα είναι χαμηλότερο στη δεξαμενή με μεγαλύτερη αντίσταση.

Βήμα 3: Ηλεκτρισμός

Ηλεκτρική ενέργεια είναι η παρουσία και ροή ηλεκτρικού φορτίου. Η πιο γνωστή μορφή του είναι η ροή των ηλεκτρονίων μέσω αγωγών όπως τα σύρματα χαλκού.

Ο ηλεκτρισμός είναι μια μορφή ενέργειας που έρχεται σε θετικές και αρνητικές μορφές, η οποία εμφανίζεται φυσικά (όπως σε κεραυνούς) ή παράγεται (όπως στη γεννήτρια). Είναι μια μορφή ενέργειας που χρησιμοποιούμε για την τροφοδοσία μηχανών και ηλεκτρικών συσκευών. Όταν τα φορτία δεν κινούνται, ο ηλεκτρισμός ονομάζεται στατικός ηλεκτρισμός. Όταν τα φορτία κινούνται είναι ένα ηλεκτρικό ρεύμα, που μερικές φορές ονομάζεται «δυναμικός ηλεκτρισμός». Ο κεραυνός είναι το πιο γνωστό και επικίνδυνο είδος ηλεκτρικής ενέργειας στη φύση, αλλά μερικές φορές ο στατικός ηλεκτρισμός κάνει τα πράγματα να κολλάνε μεταξύ τους.

Ο ηλεκτρισμός μπορεί να είναι επικίνδυνος, ειδικά γύρω από το νερό επειδή το νερό είναι μια μορφή αγωγού. Από τον δέκατο ένατο αιώνα, η ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται σε κάθε μέρος της ζωής μας. Μέχρι τότε, ήταν απλώς μια περιέργεια που παρατηρήθηκε σε μια καταιγίδα.

Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να δημιουργηθεί εάν ένας μαγνήτης περάσει κοντά σε ένα μεταλλικό σύρμα. Αυτή είναι η μέθοδος που χρησιμοποιείται από μια γεννήτρια. Οι μεγαλύτερες γεννήτριες βρίσκονται σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής. Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί επίσης να παραχθεί συνδυάζοντας χημικά σε ένα βάζο με δύο διαφορετικά είδη μεταλλικών ράβδων. Αυτή είναι η μέθοδος που χρησιμοποιείται σε μια μπαταρία. Ο στατικός ηλεκτρισμός δημιουργείται μέσω της τριβής μεταξύ δύο υλικών. Για παράδειγμα, ένα καπάκι από μαλλί και ένα πλαστικό χάρακα. Τρίψτε τα μεταξύ τους μπορεί να κάνει μια σπίθα. Η ηλεκτρική ενέργεια μπορεί επίσης να δημιουργηθεί χρησιμοποιώντας ενέργεια από τον ήλιο όπως στα φωτοβολταϊκά κύτταρα.

Η ηλεκτρική ενέργεια φτάνει στα σπίτια μέσω καλωδίων από τον τόπο όπου παράγεται. Χρησιμοποιείται από ηλεκτρικούς λαμπτήρες, ηλεκτρικούς θερμαντήρες κλπ. Πολλές οικιακές συσκευές όπως πλυντήρια ρούχων και ηλεκτρικές κουζίνες χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια. Στα εργοστάσια, υπάρχουν μηχανές ηλεκτρικής ενέργειας. Οι άνθρωποι που ασχολούνται με τον ηλεκτρισμό και τις ηλεκτρικές συσκευές στα σπίτια και τα εργοστάσια μας ονομάζονται «ηλεκτρολόγοι».

Ας πούμε τώρα ότι έχουμε δύο δεξαμενές, κάθε δεξαμενή με σωλήνα που έρχεται από κάτω. Κάθε δεξαμενή έχει την ίδια ακριβώς ποσότητα νερού, αλλά ο σωλήνας στη μία δεξαμενή είναι στενότερος από τον εύκαμπτο σωλήνα στην άλλη.

Μετράμε την ίδια ποσότητα πίεσης στο τέλος κάθε σωλήνα, αλλά όταν το νερό αρχίσει να ρέει, ο ρυθμός ροής του νερού στη δεξαμενή με τον στενότερο σωλήνα θα είναι μικρότερος από τον ρυθμό ροής του νερού στη δεξαμενή με το ευρύτερο σωλήνα. Σε ηλεκτρικούς όρους, το ρεύμα μέσω του στενότερου εύκαμπτου σωλήνα είναι μικρότερο από το ρεύμα μέσω του ευρύτερου εύκαμπτου σωλήνα. Εάν θέλουμε η ροή να είναι η ίδια και από τους δύο εύκαμπτους σωλήνες, πρέπει να αυξήσουμε την ποσότητα νερού (φόρτισης) στη δεξαμενή με τον στενότερο εύκαμπτο σωλήνα.

Βήμα 4: Ηλεκτρική αντίσταση και αγωγιμότητα

Στην υδραυλική αναλογία, το ρεύμα που ρέει μέσω ενός σύρματος (ή αντίστασης) είναι σαν το νερό που ρέει μέσω ενός σωλήνα και η πτώση τάσης στο σύρμα είναι σαν η πτώση πίεσης που ωθεί το νερό μέσω του σωλήνα. Η αγωγιμότητα είναι ανάλογη με το πόση ροή συμβαίνει για μια δεδομένη πίεση και η αντίσταση είναι ανάλογη με το πόση πίεση απαιτείται για να επιτευχθεί μια δεδομένη ροή. (Η αγωγιμότητα και η αντίσταση είναι αμοιβαίες.)

Η πτώση τάσης (δηλαδή, η διαφορά μεταξύ των τάσεων στη μία πλευρά του αντιστάτη και στην άλλη), όχι η ίδια η τάση, παρέχει την κινητήρια δύναμη που ωθεί το ρεύμα μέσω μιας αντίστασης. Στην υδραυλική, είναι παρόμοιο: Η διαφορά πίεσης μεταξύ δύο πλευρών ενός σωλήνα, όχι η ίδια η πίεση, καθορίζει τη ροή μέσω αυτού. Για παράδειγμα, μπορεί να υπάρχει μεγάλη πίεση νερού πάνω από τον σωλήνα, ο οποίος προσπαθεί να σπρώξει το νερό προς τα κάτω μέσω του σωλήνα. Αλλά μπορεί να υπάρχει μια εξίσου μεγάλη πίεση νερού κάτω από τον σωλήνα, ο οποίος προσπαθεί να σπρώξει το νερό πίσω μέσω του σωλήνα. Εάν αυτές οι πιέσεις είναι ίσες, δεν ρέει νερό. (Στην εικόνα δεξιά, η πίεση του νερού κάτω από το σωλήνα είναι μηδενική.)

Η αντίσταση και η αγωγιμότητα ενός σύρματος, αντίστασης ή άλλου στοιχείου καθορίζονται κυρίως από δύο ιδιότητες:

• γεωμετρία (σχήμα), και
• υλικό

Η γεωμετρία είναι σημαντική γιατί είναι πιο δύσκολο να σπρώξεις το νερό μέσα από ένα μακρύ, στενό σωλήνα παρά έναν φαρδύ, κοντό σωλήνα. Με τον ίδιο τρόπο, ένα μακρύ, λεπτό σύρμα χαλκού έχει μεγαλύτερη αντίσταση (χαμηλότερη αγωγιμότητα) από ένα κοντό, χοντρό σύρμα χαλκού.

Τα υλικά είναι επίσης σημαντικά. Ένας σωλήνας γεμάτος με τρίχες περιορίζει τη ροή του νερού περισσότερο από έναν καθαρό σωλήνα του ίδιου σχήματος και μεγέθους. Ομοίως, τα ηλεκτρόνια μπορούν να ρέουν ελεύθερα και εύκολα μέσω ενός χάλκινου σύρματος, αλλά δεν μπορούν να ρέουν τόσο εύκολα μέσω ενός χαλύβδινου σύρματος του ίδιου σχήματος και μεγέθους και ουσιαστικά δεν μπορούν να ρέουν καθόλου μέσω ενός μονωτήρα όπως το καουτσούκ, ανεξάρτητα από το σχήμα του. Η διαφορά μεταξύ χαλκού, χάλυβα και καουτσούκ σχετίζεται με τη μικροσκοπική δομή και τη διαμόρφωση των ηλεκτρονίων τους και ποσοτικοποιείται με μια ιδιότητα που ονομάζεται αντίσταση.

Εκτός από τη γεωμετρία και το υλικό, υπάρχουν διάφοροι άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την αντίσταση και την αγωγιμότητα.

Είναι λογικό ότι δεν μπορούμε να χωρέσουμε τόσο πολύ όγκο μέσω ενός στενού σωλήνα από έναν ευρύτερο με την ίδια πίεση. Αυτό είναι αντίσταση. Ο στενός σωλήνας "αντιστέκεται" στη ροή του νερού μέσα από αυτό, παρόλο που το νερό βρίσκεται στην ίδια πίεση με τη δεξαμενή με τον ευρύτερο σωλήνα.

Σε ηλεκτρικούς όρους, αυτό αντιπροσωπεύεται από δύο κυκλώματα με ίσες τάσεις και διαφορετικές αντιστάσεις. Το κύκλωμα με την υψηλότερη αντίσταση θα επιτρέψει τη ροή λιγότερου φορτίου, πράγμα που σημαίνει ότι το κύκλωμα με μεγαλύτερη αντίσταση έχει μικρότερο ρεύμα που ρέει μέσα του.

Βήμα 5: Ο νόμος του Ohm

Ο νόμος του Ohm λέει ότι το ρεύμα μέσω ενός αγωγού μεταξύ δύο σημείων είναι ευθέως ανάλογο με την τάση στα δύο σημεία. Εισάγοντας τη σταθερά της αναλογικότητας, την αντίσταση, φτάνουμε στη συνήθη μαθηματική εξίσωση που περιγράφει αυτή τη σχέση:

όπου Ι είναι το ρεύμα μέσω του αγωγού σε μονάδες αμπέρ, V είναι η τάση που μετριέται στον αγωγό σε μονάδες βολτ και R είναι η αντίσταση του αγωγού σε μονάδες ωμ. Πιο συγκεκριμένα, ο νόμος του Ohm δηλώνει ότι το R σε αυτή τη σχέση είναι σταθερό, ανεξάρτητο από το ρεύμα.

Ο νόμος πήρε το όνομά του από τον Γερμανό φυσικό Georg Ohm, ο οποίος, σε μια πραγματεία που δημοσιεύτηκε το 1827, περιέγραψε μετρήσεις της εφαρμοζόμενης τάσης και ρεύματος μέσω απλών ηλεκτρικών κυκλωμάτων που περιέχουν διάφορα μήκη σύρματος. Ο Ohm εξήγησε τα πειραματικά του αποτελέσματα με μια ελαφρώς πιο πολύπλοκη εξίσωση από τη σύγχρονη μορφή παραπάνω (βλ. Ιστορία).

Στη φυσική, ο όρος νόμος του Ohm χρησιμοποιείται επίσης για να αναφερθεί σε διάφορες γενικεύσεις του νόμου που διατυπώθηκαν αρχικά από τον Ohm.