Tensiune, curent, rezistență și legea lui Ohm: 5 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:46

Acoperit în acest tutorial

Cum se referă încărcătura electrică la tensiune, curent și rezistență.

Ce tensiune, curent și rezistență sunt.

Ce este Legea lui Ohm și cum să o utilizați pentru a înțelege electricitatea.

Un experiment simplu pentru a demonstra aceste concepte.

Pasul 1: Încărcare electrică

Sarcina electrică este proprietatea fizică a materiei care o determină să experimenteze o forță atunci când este plasată într-un câmp electromagnetic. Există două tipuri de încărcături electrice: pozitivă și negativă (purtate în mod obișnuit de protoni și respectiv de electroni). Ca și taxele resping și, spre deosebire de atragere. O absență a taxei nete este denumită neutră. Un obiect este încărcat negativ dacă are un exces de electroni și este altfel încărcat pozitiv sau neîncărcat. Unitatea de sarcină electrică derivată din SI este coulombul (C). În ingineria electrică, este, de asemenea, obișnuit să se utilizeze ampere-oră (Ah); în timp ce în chimie, este obișnuit să se utilizeze sarcina elementară (e) ca unitate. Simbolul Q desemnează adesea încărcătură. Cunoașterea timpurie a modului în care interacționează substanțele încărcate se numește acum electrodinamică clasică și este încă exactă pentru problemele care nu necesită luarea în considerare a efectelor cuantice.

Încărcarea electrică este o proprietate conservată fundamentală a unor particule subatomice, care determină interacțiunea lor electromagnetică. Materia încărcată electric este influențată sau produce câmpuri electromagnetice. Interacțiunea dintre o sarcină în mișcare și un câmp electromagnetic este sursa forței electromagnetice, care este una dintre cele patru forțe fundamentale (Vezi și: câmp magnetic).

Experimentele din secolul al XX-lea au demonstrat că sarcina electrică este cuantificată; adică vine în multipli întregi de unități mici individuale numite sarcină elementară, e, aproximativ egală cu 1,602 × 10−19 coulombi (cu excepția particulelor numite quark, care au sarcini care sunt multipli întregi de 1 / 3e). Protonul are o sarcină de + e, iar electronul are o sarcină de -e. Studiul particulelor încărcate și modul în care interacțiunile lor sunt mediate de fotoni se numește electrodinamică cuantică.

Pasul 2: Tensiune ：

Tensiunea, diferența de potențial electric, presiunea electrică sau tensiunea electrică (denotată formal ∆V sau ∆U, dar mai des simplificată ca V sau U, de exemplu în contextul legilor circuitului lui Ohm sau Kirchhoff) este diferența de energie electrică potențială între două puncte pe unitate de încărcare electrică. Tensiunea dintre două puncte este egală cu munca efectuată pe unitate de sarcină împotriva unui câmp electric static pentru a muta sarcina de test între două puncte. Aceasta se măsoară în unități de volți (un joule per coulomb).

Tensiunea poate fi cauzată de câmpuri electrice statice, de curent electric printr-un câmp magnetic, de câmpuri magnetice care variază în timp sau de o combinație a acestor trei. [1] [2] Un voltmetru poate fi folosit pentru a măsura tensiunea (sau diferența de potențial) dintre două puncte dintr-un sistem; adesea un potențial comun de referință, cum ar fi solul sistemului, este folosit ca unul dintre puncte. O tensiune poate reprezenta fie o sursă de energie (forță electromotivă), fie energie pierdută, utilizată sau stocată (cădere potențială)

Când se descrie tensiunea, curentul și rezistența, o analogie comună este rezervorul de apă. În această analogie, sarcina este reprezentată de cantitatea de apă, tensiunea este reprezentată de presiunea apei, iar curentul este reprezentat de debitul de apă. Deci, pentru această analogie, amintiți-vă:

Apă = Încărcare

Presiune = tensiune

Flux = Curent

Luați în considerare un rezervor de apă la o anumită înălțime deasupra solului. La baza acestui rezervor există un furtun.

Deci, curentul este mai mic în rezervor cu o rezistență mai mare.

Pasul 3: Electricitate ：

Electricitatea este prezența și fluxul de sarcină electrică. Cea mai cunoscută formă a acestuia este fluxul de electroni prin conductori precum firele de cupru.

Electricitatea este o formă de energie care apare sub forme pozitive și negative, care apare în mod natural (ca în fulgere), sau este produsă (ca în generator). Este o formă de energie pe care o folosim pentru a alimenta mașinile și dispozitivele electrice. Când încărcăturile nu se mișcă, electricitatea se numește electricitate statică. Când încărcăturile se mișcă, acestea sunt un curent electric, numit uneori „electricitate dinamică”. Fulgerul este cel mai cunoscut și periculos tip de electricitate din natură, dar uneori electricitatea statică face ca lucrurile să se lipească.

Electricitatea poate fi periculoasă, în special în jurul apei, deoarece apa este o formă de conductor. Începând cu secolul al XIX-lea, electricitatea a fost utilizată în fiecare parte a vieții noastre. Până atunci, era doar o curiozitate văzută într-o furtună.

Electricitatea poate fi creată dacă un magnet trece aproape de un fir metalic. Aceasta este metoda utilizată de un generator. Cele mai mari generatoare sunt în centrale electrice. Electricitatea poate fi generată și prin combinarea substanțelor chimice într-un borcan cu două tipuri diferite de tije metalice. Aceasta este metoda utilizată într-o baterie. Electricitatea statică este creată prin fricțiunea dintre două materiale. De exemplu, un capac de lână și o riglă de plastic. Frecați-le împreună poate face o scânteie. Electricitatea poate fi creată, de asemenea, folosind energia din soare ca în celulele fotovoltaice.

Electricitatea ajunge la case prin fire din locul în care este generată. Este folosit de lămpile electrice, încălzitoarele electrice etc. Multe aparate electrocasnice, cum ar fi mașinile de spălat și aragazele electrice, utilizează electricitate. În fabrici, există mașini cu energie electrică. Oamenii care se ocupă de electricitate și dispozitive electrice în casele și fabricile noastre sunt numiți „electricieni”.

Să spunem acum că avem două tancuri, fiecare rezervor cu un furtun care vine de jos. Fiecare rezervor are exact aceeași cantitate de apă, dar furtunul dintr-un rezervor este mai îngust decât furtunul din celălalt.

Măsurăm aceeași cantitate de presiune la capătul oricărui furtun, dar când apa începe să curgă, debitul apei din rezervor cu furtunul mai îngust va fi mai mic decât debitul apei din rezervor cu furtun mai larg. În termeni electrici, curentul prin furtunul mai îngust este mai mic decât curentul prin furtunul mai larg. Dacă dorim ca debitul să fie același prin ambele furtunuri, trebuie să creștem cantitatea de apă (încărcare) din rezervor cu furtunul mai îngust.

Pasul 4: Rezistență electrică și conductivitate

În analogia hidraulică, curentul care curge printr-un fir (sau rezistor) este ca apa care curge printr-o conductă, iar căderea de tensiune peste fir este ca o cădere de presiune care împinge apa prin conductă. Conductanța este proporțională cu cât debit apare pentru o anumită presiune, iar rezistența este proporțională cu câtă presiune este necesară pentru a obține un debit dat. (Conductanța și rezistența sunt reciproce.)

Căderea de tensiune (adică diferența dintre tensiunile pe o parte a rezistorului și pe cealaltă), nu tensiunea în sine, asigură forța motrice care împinge curentul printr-un rezistor. În hidraulică, este similar: diferența de presiune dintre cele două laturi ale unei conducte, nu presiunea în sine, determină debitul prin ea. De exemplu, poate exista o presiune mare a apei deasupra conductei, care încearcă să împingă apa în jos prin conductă. Dar poate exista o presiune de apă la fel de mare sub conductă, care încearcă să împingă apa înapoi prin conductă. Dacă aceste presiuni sunt egale, nu curge apă. (În imaginea din dreapta, presiunea apei sub conductă este zero.)

Rezistența și conductanța unui fir, rezistor sau alt element sunt determinate în principal de două proprietăți:

• geometrie (formă) și
• material

Geometria este importantă, deoarece este mai dificil să împingi apa printr-o conductă lungă și îngustă decât o conductă largă și scurtă. În același mod, un fir de cupru lung și subțire are o rezistență mai mare (conductanță mai mică) decât un fir de cupru scurt și gros.

Materialele sunt importante, de asemenea. O conductă umplută cu păr restricționează fluxul de apă mai mult decât o conductă curată de aceeași formă și dimensiune. În mod similar, electronii pot curge liber și ușor printr-un fir de cupru, dar nu pot circula la fel de ușor printr-un fir de oțel de aceeași formă și dimensiune și, în esență, nu pot curge deloc printr-un izolator ca cauciucul, indiferent de forma acestuia. Diferența dintre cupru, oțel și cauciuc este legată de structura lor microscopică și configurația electronică și este cuantificată printr-o proprietate numită rezistivitate.

Pe lângă geometrie și material, există și alți factori care influențează rezistența și conductanța.

Este evident că nu putem încadra un volum atât de mare printr-o țeavă îngustă decât una mai largă la aceeași presiune. Aceasta este rezistența. Țeava îngustă „rezistă” fluxului de apă prin ea, chiar dacă apa este la aceeași presiune ca rezervorul cu țeava mai largă.

În termeni electrici, aceasta este reprezentată de două circuite cu tensiuni egale și rezistențe diferite. Circuitul cu rezistență mai mare va permite să curgă mai puțină încărcare, ceea ce înseamnă că circuitul cu rezistență mai mare curge mai puțin prin el.

Pasul 5: Legea lui Ohm ：

Legea lui Ohm afirmă că curentul printr-un conductor între două puncte este direct proporțional cu tensiunea din cele două puncte. Introducând constanta proporționalității, rezistența, se ajunge la ecuația matematică obișnuită care descrie această relație:

unde I este curentul prin conductor în unități de amperi, V este tensiunea măsurată pe conductor în unități de volți, iar R este rezistența conductorului în unități de ohmi. Mai precis, legea lui Ohm afirmă că R în această relație este constant, independent de curent.

Legea a fost numită după fizicianul german Georg Ohm, care, într-un tratat publicat în 1827, a descris măsurători ale tensiunii și curentului aplicat prin circuite electrice simple care conțin diferite lungimi de sârmă. Ohm și-a explicat rezultatele experimentale printr-o ecuație puțin mai complexă decât forma modernă de mai sus (vezi Istorie).

În fizică, termenul legea lui Ohm este, de asemenea, folosit pentru a se referi la diverse generalizări ale legii formulate inițial de Ohm.