Feszültség, áram, ellenállás és Ohm -törvény: 5 lépés

2024 Szerző: John Day | [email protected]. Utoljára módosítva: 2024-01-30 09:44

Ebben a bemutatóban szerepel

Hogyan függ össze az elektromos töltés a feszültséggel, árammal és ellenállással.

Milyen feszültség, áram és ellenállás.

Mi az Ohm -törvény és hogyan kell használni az elektromosság megértéséhez.

Egy egyszerű kísérlet ezeknek a fogalmaknak a bemutatására.

1. lépés: Elektromos töltés

Az elektromos töltés az anyag fizikai tulajdonsága, amely hatást gyakorol rá, amikor elektromágneses mezőbe helyezi. Kétféle elektromos töltés létezik: pozitív és negatív (általában protonok, illetve elektronok hordozzák). Mint a díjak, taszítanak és ellentétben vonzanak. A nettó töltés hiányát semlegesnek nevezik. Az objektum negatív töltésű, ha többlet elektronja van, és egyébként pozitív vagy töltetlen. Az SI töltésű elektromos töltés mértékegysége a coulomb (C). Az elektrotechnikában szintén gyakori az amperóra (Ah) használata; míg a kémiában gyakori az elemi töltést (e) egységként használni. A Q szimbólum gyakran jelzi a töltést. A töltött anyagok kölcsönhatásának korai ismereteit ma klasszikus elektrodinamikának nevezik, és még mindig pontosak olyan problémák esetén, amelyek nem igénylik a kvantumhatások figyelembevételét.

Az elektromos töltés egyes szubatomi részecskék alapvető konzervált tulajdonsága, amely meghatározza azok elektromágneses kölcsönhatását. Az elektromosan feltöltött anyagot elektromágneses mezők befolyásolják vagy generálják. A mozgó töltés és az elektromágneses mező közötti kölcsönhatás az elektromágneses erő forrása, amely a négy alapvető erő egyike (Lásd még: mágneses mező).

Századi kísérletek bizonyították, hogy az elektromos töltés kvantált; azaz az elemi töltésnek nevezett egyes kis egységek egész számú többszörösében jelenik meg, e, megközelítőleg 1,602 × 10−19 coulomb -tal (kivéve a kvarkoknak nevezett részecskéket, amelyek töltései 1/3e egész többszörösei). A proton töltése +e, az elektroné pedig −e. A töltött részecskék tanulmányozását és azt, hogy miként hatnak kölcsönhatásaikra a fotonok, kvantum -elektrodinamikának nevezik.

2. lépés: Feszültség

A feszültség, az elektromos potenciálkülönbség, az elektromos nyomás vagy az elektromos feszültség (formálisan ∆V vagy ∆U, de gyakrabban leegyszerűsítve V -nek vagy U -nak, például az Ohm vagy Kirchhoff -féle áramköri törvények összefüggésében) a két potenciális energia közötti különbség egységnyi elektromos töltés. A két pont közötti feszültség egyenlő a statikus elektromos mezővel szembeni töltésegységenként végzett munkával, hogy a teszt töltését két pont között mozgassa. Ezt volt egységekben mérik (joule coulombonként).

A feszültséget statikus elektromos mezők, mágneses mezőn keresztül áramerősség, időnként változó mágneses mezők vagy e három valamilyen kombinációja okozhatja. [1] [2] Voltmérővel mérhető a rendszer két pontja közötti feszültség (vagy potenciálkülönbség); gyakran egy közös referenciapotenciált, például a rendszer talaját használják egyik pontként. A feszültség vagy energiaforrás (elektromotoros erő), vagy elveszett, használt vagy tárolt energia (potenciális csökkenés)

A feszültség, áram és ellenállás leírásakor általános analógia a víztartály. Ebben az analógiában a töltést a vízmennyiség, a feszültséget a víznyomás és az áramot a vízáram képviseli. Tehát ehhez az analógiához ne feledje:

Víz = töltés

Nyomás = feszültség

Folyamat = aktuális

Tekintsünk egy víztartályt a talaj felett egy bizonyos magasságban. A tartály alján egy tömlő található.

Tehát a nagyobb ellenállású tartályban az áram alacsonyabb.

3. lépés: villamos energia

A villamos energia az elektromos töltés jelenléte és áramlása. Legismertebb formája az elektronok áramlása vezetőkön, például rézhuzalokon.

Az elektromosság olyan energiaforma, amely pozitív és negatív formában érkezik, természetes módon (mint a villámlás) vagy előállítva (mint a generátorban). Ez az energia egy formája, amelyet gépek és elektromos eszközök áramellátására használunk. Ha a töltések nem mozognak, az elektromosságot statikus elektromosságnak nevezzük. Amikor a töltések mozognak, elektromos áramról van szó, amelyet néha „dinamikus áramnak” is neveznek. A villám a természet legismertebb és legveszélyesebb áramfajtája, de néha a statikus elektromosság miatt a dolgok összetapadnak.

Az áram veszélyes lehet, különösen a víz körül, mert a víz a vezető egyik formája. A tizenkilencedik század óta az elektromos áramot életünk minden szakaszában használják. Addig csak egy viharban látott érdekesség volt.

Elektromosság keletkezhet, ha egy mágnes áthalad a fémhuzal közelében. Ezt a módszert használja a generátor. A legnagyobb generátorok az erőművekben vannak. Az áramot úgy is lehet előállítani, hogy vegyszereket keverünk egy üvegbe két különböző típusú fémrúddal. Ezt a módszert használják az akkumulátorban. Statikus elektromosság keletkezik két anyag közötti súrlódás révén. Például gyapjúsapka és műanyag vonalzó. Dörzsölje össze őket, szikrát okozhat. A villamos energia a napenergia felhasználásával is előállítható, mint a fotovoltaikus cellákban.

Az elektromos áram vezetékeken keresztül érkezik az otthonokba a termelés helyéről. Elektromos lámpák, elektromos fűtőberendezések stb. Használják. Sok háztartási készülék, például mosógép és elektromos tűzhely használja az áramot. A gyárakban vannak elektromos erőgépek. Azokat az embereket, akik otthonunkban és gyárainkban villamos energiával és elektromos eszközökkel foglalkoznak, "villanyszerelőknek" nevezik.

Tegyük fel, hogy két tartályunk van, mindegyik tartály alulról tömlővel. Minden tartályban pontosan ugyanannyi víz van, de az egyik tartály tömlője keskenyebb, mint a másik.

Ugyanazt a nyomást mérjük mindkét tömlő végén, de amikor a víz folyni kezd, a keskenyebb tömlővel ellátott tartályban lévő víz áramlási sebessége kisebb lesz, mint a tartályban lévő víz áramlási sebessége szélesebb tömlő. Elektromos értelemben a keskenyebb tömlőn átfolyó áram kisebb, mint a szélesebb tömlőn átáramló áram. Ha azt akarjuk, hogy az áramlás mindkét tömlőn keresztül azonos legyen, akkor a keskenyebb tömlővel növelnünk kell a tartályban lévő víz mennyiségét (töltést).

4. lépés: Elektromos ellenállás és vezetőképesség

A hidraulikus analógiában a vezetéken (vagy ellenálláson) keresztüláramló áram olyan, mint a víz, amely a csövön keresztül áramlik, és a feszültségcsökkenés a huzalon olyan, mint a nyomásesés, amely a csövön keresztül nyomja a vizet. A vezetőképesség arányos azzal, hogy mennyi áramlás történik egy adott nyomáson, és az ellenállás arányos azzal, hogy mekkora nyomás szükséges egy adott áramlás eléréséhez. (A vezetőképesség és az ellenállás kölcsönös.)

A feszültségcsökkenés (azaz az ellenállás egyik és másik oldalán lévő feszültségek közötti különbség), nem pedig maga a feszültség biztosítja a hajtóerőt, amely az ellenállást átnyomja. A hidraulika esetében ez hasonló: A cső két oldala közötti nyomáskülönbség, nem maga a nyomás határozza meg a rajta átfolyó vizet. Például a cső felett nagy víznyomás állhat, amely megpróbálja lenyomni a vizet a csövön keresztül. De ugyanolyan nagy víznyomás lehet a cső alatt, amely megpróbálja visszavezetni a vizet a csövön keresztül. Ha ezek a nyomások egyenlők, nem folyik víz. (A jobb oldali képen a cső alatti víznyomás nulla.)

Egy vezeték, ellenállás vagy más elem ellenállását és vezetőképességét többnyire két tulajdonság határozza meg:

• geometria (forma), és
• anyag

A geometria azért fontos, mert nehezebb a vizet egy hosszú, keskeny csövön keresztül nyomni, mint egy széles, rövid csövet. Ugyanígy, egy hosszú, vékony rézhuzal nagyobb ellenállással (alacsonyabb vezetőképességgel) rendelkezik, mint egy rövid, vastag rézhuzal.

Az anyagok is fontosak. A hajjal töltött cső jobban korlátozza a víz áramlását, mint az azonos alakú és méretű tiszta cső. Hasonlóképpen, az elektronok szabadon és könnyedén áramolhatnak a rézhuzalon, de nem tudnak olyan könnyen átfolyni egy azonos alakú és méretű acélhuzalon, és lényegében egyáltalán nem tudnak átfolyni egy szigetelőn, mint a gumi, alakjától függetlenül. A réz, acél és gumi közötti különbség mikroszkopikus szerkezetükhöz és elektronkonfigurációjukhoz kapcsolódik, és ezt az ellenállásnak nevezett tulajdonság számszerűsíti.

A geometria és az anyag mellett számos más tényező is befolyásolja az ellenállást és a vezetőképességet.

Magától értetődik, hogy nem tudunk akkora térfogatot bevinni egy keskeny csőbe, mint egy szélesebb, azonos nyomáson. Ez az ellenállás. A keskeny cső "ellenáll" a vízáramlásnak, annak ellenére, hogy a víz ugyanolyan nyomáson van, mint a tartály a szélesebb csővel.

Elektromos értelemben ezt két egyenlő feszültségű és különböző ellenállású áramkör képviseli. A nagyobb ellenállású áramkör kevesebb töltést tesz lehetővé, vagyis a nagyobb ellenállású áramkörön kevesebb áram folyik át.

5. lépés: Ohm -törvény?

Ohm törvénye kimondja, hogy a két pont közötti vezetőn átfolyó áram egyenesen arányos a két pont feszültségével. Az arányosság állandóját, az ellenállást bevezetve eljutunk a szokásos matematikai egyenlethez, amely leírja ezt az összefüggést:

ahol I a áram a vezetéken keresztül, amper mértékegységben, V a feszültség, amelyet a vezetéken mérünk, voltban, és R a vezeték ellenállását ohm egységben. Pontosabban, Ohm törvénye kimondja, hogy az R ebben a relációban állandó, független az áramtól.

A törvényt Georg Ohm német fizikusról nevezték el, aki egy 1827 -ben megjelent értekezésben leírta az alkalmazott feszültség és áram mérését egyszerű, különböző hosszúságú huzalokat tartalmazó elektromos áramkörökön keresztül. Ohm a fenti modern formánál kissé bonyolultabb egyenlettel magyarázta kísérleti eredményeit (lásd Történelem).

A fizikában az Ohm -törvény kifejezést az eredetileg Ohm által megfogalmazott törvény különböző általánosításaira is használják.