Напрежение, ток, съпротивление и закон на Ом: 5 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:55

Разгледани в този урок

Как електрическият заряд е свързан с напрежението, тока и съпротивлението.

Какво е напрежението, токът и съпротивлението.

Какво представлява законът на Ом и как да го използваме, за да разберем електричеството.

Един прост експеримент за демонстриране на тези понятия.

Стъпка 1: Електрическо зареждане

Електрическият заряд е физическото свойство на материята, което я кара да изпитва сила, когато се постави в електромагнитно поле. Има два вида електрически заряди: положителни и отрицателни (обикновено се носят съответно от протони и електрони). Подобно на обвиненията отблъскват и за разлика от привличат. Липсата на нетна такса се нарича неутрална. Обектът е отрицателно зареден, ако има излишък от електрони и по друг начин е положително зареден или незареден. Извлечената от SI единица електрически заряд е кулонът (C). В електротехниката също е обичайно да се използват ампер-час (Ah); докато в химията е обичайно да се използва елементарният заряд (e) като единица. Символът Q често означава заряд. Ранните познания за това как взаимодействат заредените вещества сега се наричат класическа електродинамика и все още са точни за проблеми, които не изискват разглеждане на квантовите ефекти.

Електрическият заряд е основно запазено свойство на някои субатомни частици, което определя тяхното електромагнитно взаимодействие. Електрически заредената материя се влияе или произвежда електромагнитни полета. Взаимодействието между движещ се заряд и електромагнитно поле е източникът на електромагнитната сила, която е една от четирите основни сили (Вижте също: магнитно поле).

Експериментите на ХХ век показват, че електрическият заряд се квантува; тоест, той идва в цяло число, кратно на отделни малки единици, наречени елементарен заряд, д, приблизително равен на 1.602 × 10−19 кулона (с изключение на частици, наречени кварки, които имат заряди, които са цели числа, кратни на 1/3e). Протонът има заряд +e, а електронът има заряд −e. Изучаването на заредени частици и как техните взаимодействия се медиират от фотони, се нарича квантова електродинамика.

Стъпка 2: Напрежение:

Напрежение, разлика в електрическия потенциал, електрическо налягане или електрическо напрежение (официално означени като ∆V или ∆U, но по -често опростени като V или U, например в контекста на законите на Ом или Кирххоф) е разликата в електрическата потенциална енергия между две точки за единица електрически заряд. Напрежението между две точки е равно на извършената работа за единица заряд срещу статично електрическо поле за преместване на тестовия заряд между две точки. Това се измерва в единици волта (джаул на кулон).

Напрежението може да бъде причинено от статични електрически полета, от електрически ток през магнитно поле, от променящи се във времето магнитни полета или някаква комбинация от тези три. [1] [2] Волтметър може да се използва за измерване на напрежението (или потенциалната разлика) между две точки в системата; често като един от точките се използва общ референтен потенциал, като например земята на системата. Напрежението може да представлява или източник на енергия (електродвижеща сила), или загубена, използвана или съхранена енергия (потенциален спад)

Когато описвате напрежение, ток и съпротивление, обща аналогия е резервоарът за вода. В тази аналогия зарядът е представен от количеството вода, напрежението е представено от налягането на водата, а токът е представен от водния поток. Така че за тази аналогия запомнете:

Вода = Такса

Налягане = Напрежение

Поток = Ток

Помислете за резервоар за вода на определена височина над земята. В дъното на този резервоар има маркуч.

Така че токът е по -нисък в резервоара с по -високо съпротивление.

Стъпка 3: Електричество:

Електричеството е наличието и протичането на електрически заряд. Най-известната му форма е потокът от електрони през проводници като медни проводници.

Електричеството е форма на енергия, която идва в положителни и отрицателни форми, която се среща естествено (като при мълния) или се произвежда (както в генератора). Това е форма на енергия, която използваме за захранване на машини и електрически устройства. Когато зарядите не се движат, електричеството се нарича статично електричество. Когато зарядите се движат, те представляват електрически ток, понякога наричан „динамично електричество“. Мълнията е най-известният и опасен вид електричество в природата, но понякога статичното електричество кара нещата да се слепват.

Електричеството може да бъде опасно, особено около водата, тъй като водата е форма на проводник. От деветнадесети век електричеството се използва във всяка част от живота ни. Дотогава това беше просто любопитство, видяно в гръмотевична буря.

Електричество може да се създаде, ако магнит премине близо до метален проводник. Това е методът, използван от генератора. Най -големите генератори са в електроцентрали. Електричеството може да се генерира и чрез комбиниране на химикали в буркан с два различни вида метални пръти. Това е методът, използван в батерията. Статичното електричество се създава чрез триене между два материала. Например, вълнена шапка и пластмасова линийка. Разтриването им може да предизвика искра. Електричеството също може да бъде създадено с помощта на слънчева енергия, както във фотоволтаичните клетки.

Електричеството пристига в домовете по проводници от мястото, където се генерира. Използва се от електрически лампи, електрически нагреватели и др. Много домакински уреди като перални и електрически печки използват електричество. В заводите има машини за електроенергия. Хората, които се занимават с електричество и електрически устройства в нашите домове и фабрики, се наричат „електротехници“.

Да кажем сега, че имаме два резервоара, всеки резервоар с маркуч, идващ от дъното. Всеки резервоар има точно същото количество вода, но маркучът на единия резервоар е по -тесен от маркуча на другия.

Измерваме същото количество налягане в края на двата маркуча, но когато водата започне да тече, дебитът на водата в резервоара с по -тесния маркуч ще бъде по -малък от дебита на водата в резервоара с по -широк маркуч. В електрическо отношение токът през по -тесния маркуч е по -малък от тока през по -широкия маркуч. Ако искаме потокът да бъде еднакъв през двата маркуча, трябва да увеличим количеството вода (заряд) в резервоара с по -тесния маркуч.

Стъпка 4: Електрическо съпротивление и проводимост

В хидравличната аналогия, токът, протичащ през проводник (или резистор), е като вода, преминаваща през тръба, а спадът на напрежението по проводника е като спад на налягането, който изтласква водата през тръбата. Проводимостта е пропорционална на това колко поток възниква при дадено налягане, а съпротивлението е пропорционално на това колко налягане е необходимо за постигане на даден поток. (Проводимостта и съпротивлението са взаимни.)

Спадът на напрежението (т.е. разликата между напреженията от едната страна на резистора и от другата), а не самото напрежение, осигурява движещата сила, изтласкваща ток през резистор. В хидравликата е подобно: разликата в налягането между двете страни на тръбата, а не самото налягане, определя потока през нея. Например, може да има голямо налягане на водата над тръбата, което се опитва да изтласка водата през тръбата. Но може да има също толкова голямо водно налягане под тръбата, което се опитва да изтласка водата обратно през тръбата. Ако тези налягания са равни, няма да тече вода. (На изображението вдясно налягането на водата под тръбата е нула.)

Съпротивлението и проводимостта на проводник, резистор или друг елемент се определят най -вече от две свойства:

• геометрия (форма) и
• материал

Геометрията е важна, защото е по -трудно да се прокара вода през дълга, тясна тръба, отколкото широка, къса тръба. По същия начин дългата, тънка медна жица има по -високо съпротивление (по -ниска проводимост) от късата, дебела медна жица.

Материалите също са важни. Тръба, пълна с коса, ограничава потока на вода повече от чиста тръба със същата форма и размер. По същия начин електроните могат да текат свободно и лесно през медна жица, но не могат да преминават толкова лесно през стоманена тел със същата форма и размер и те по същество изобщо не могат да преминават през изолатор като каучук, независимо от неговата форма. Разликата между мед, стомана и каучук е свързана с тяхната микроскопична структура и електронна конфигурация и се определя количествено чрез свойство, наречено съпротивление.

В допълнение към геометрията и материала, има различни други фактори, които влияят на съпротивлението и проводимостта.

Разбира се, че не можем да поберем толкова обем през тясна тръба, отколкото по -широка при същото налягане. Това е съпротива. Тясната тръба "устоява" на потока вода през нея, въпреки че водата е със същото налягане като резервоара с по -широката тръба.

В електрическо отношение това е представено от две вериги с равни напрежения и различни съпротивления. Веригата с по -високо съпротивление ще позволи по -малък заряд да тече, което означава, че веригата с по -високо съпротивление преминава по -малко ток през нея.

Стъпка 5: Законът на Ом:

Законът на Ом гласи, че токът през проводник между две точки е правопропорционален на напрежението в двете точки. Въвеждайки константата на пропорционалност, съпротивлението, се стига до обичайното математическо уравнение, което описва тази връзка:

където I е токът през проводника в единици ампери, V е напрежението, измерено върху проводника в единици волта, а R е съпротивлението на проводника в единици ом. По -конкретно, законът на Ом гласи, че R в това отношение е постоянно, независимо от тока.

Законът е кръстен на германския физик Георг Ом, който в трактат, публикуван през 1827 г., описва измерванията на приложеното напрежение и ток чрез прости електрически вериги, съдържащи различни дължини проводници. Ом обясни експерименталните си резултати с малко по -сложно уравнение от съвременната форма по -горе (вж. История).

Във физиката терминът Омов закон също се използва за обозначаване на различни обобщения на закона, първоначално формулиран от Ом.