OHMS LOV: ENHETER OG FORMEL, BEREGNING, EKSEMPLER, ØVELSER - FYSISK - 2025

Den Ohm 's lov i sin makroskopiske form, viser at spenninger og strømstyrke i en krets er direkte proporsjonal med motstanden som den proporsjonalitetskonstant. Ohms lov angir disse tre mengdene som henholdsvis V, I og R, og sier at: V = IR

På samme måte er Ohms lov generalisert til å inkludere kretselementer som ikke er rent motstandsdyktige i vekselstrømskretser, på denne måten har den følgende form: V = IZ

Figur 1. Ohms lov er gjeldende for mange kretsløp. Kilde: Wikimedia Commons. Tlapicka

Hvor Z er impedansen, som også representerer motstanden mot passering av vekselstrøm av et kretselement, for eksempel en kondensator eller en induktans.

Det skal bemerkes at ikke alt kretsmateriell og elementer er i samsvar med Ohms lov. De som det er gyldig i, kalles ohmiske elementer, og der det ikke oppfylles, kalles de ikke-ohmiske eller ikke-lineære.

Vanlige elektriske motstander er av ohmisk type, men dioder og transistorer er det ikke, siden forholdet mellom spenning og strøm ikke er lineært i dem.

Ohms lov skylder navnet til den bayerskfødte tyske fysikeren og matematikeren George Simon Ohm (1789-1854), som i løpet av sin karriere viet seg til å studere oppførselen til elektriske kretsløp. Enheten for elektrisk motstand i SI International System har fått navnet hans til ære: ohm, som også kommer til uttrykk med den greske bokstaven Ω.

Hvordan beregnes det?

Selv om den makroskopiske formen til Ohms lov er den mest kjente, siden den knytter sammen mengder som er lett målbare i laboratoriet, har den mikroskopiske formen to viktige vektorkvantiteter: det elektriske feltet E og strømtettheten J :

Hvor σ er den elektriske ledningsevnen til materialet, er en egenskap som indikerer hvor lett det er å lede strøm. På sin side er J en vektor hvis størrelse er kvoten mellom intensiteten til strømmen I og tverrsnittsområdet A som den sirkulerer gjennom.

Det er logisk å anta at det er en naturlig forbindelse mellom det elektriske feltet inne i et materiale og den elektriske strømmen som sirkulerer gjennom det, slik at jo større strømmen er, desto mer strøm.

Men strømmen er ikke en vektor, siden den ikke har en retning i rommet. På den annen side er vektoren J vinkelrett - eller normal - mot lederens tverrsnittsareal og retningen er strømmen.

Fra denne formen for Ohms lov kommer vi til den første ligningen, og antar en leder med lengde ℓ og tverrsnitt A, og erstatter størrelsene til J og E med:

Det inverse av ledningsevne kalles resistivitet og betegnes med den greske bokstaven ρ:

Og dermed:

Motstanden til en leder

I ligningen V = (ρℓ / A) .I er konstanten (ρℓ / A) motstanden, derfor:

Ledernes motstand avhenger av tre faktorer:

-Det er resistivitet ρ, typisk for materialet det er produsert med.

-Lengde ℓ.

-Feltet A i dets tverrsnitt.

Jo høyere ℓ, desto større er motstanden, siden nåværende bærere har flere muligheter til å kollidere med andre partikler inne i lederen og miste energi. Og omvendt, jo høyere A, jo lettere er det for nåværende transportører å bevege seg på en ryddig måte gjennom materialet.

Til slutt, i molekylstrukturen til hvert materiale, ligger det letthet som et stoff lar elektrisk strøm passere. Således er for eksempel metaller som kobber, gull, sølv og platina, med lav resistivitet, gode ledere, mens tre, gummi og olje ikke er det, og derfor har de høyere motstand.

eksempler

Her er to illustrerende eksempler på Ohms lov.

Eksperimenter for å sjekke Ohms lov

En enkel opplevelse illustrerer Ohms lov, for dette trenger du et stykke ledende materiale, en variabel spenningskilde og en multimeter.

En spenning V etableres mellom endene av det ledende materialet, som må varieres litt etter litt. Med den variable strømkilden kan verdiene til nevnte spenning settes, som måles med multimeteret, så vel som strømmen I som sirkulerer gjennom lederen.

Parene med V- og I-verdiene er registrert i en tabell, og med dem er en graf konstruert på grafpapir. Hvis den resulterende kurven er en rett linje, er materialet ohmisk, men hvis det er noen annen kurve, er materialet ikke-ohmisk.

I det første tilfellet kan linjens helning bestemmes, noe som tilsvarer lederens motstand R eller dens inverse, konduktansen.

På bildet nedenfor representerer den blå linjen en av disse grafene for et ohmisk materiale. I mellomtiden er de gule og røde kurvene laget av ikke-ohmiske materialer, for eksempel en halvleder.

Figur 2. Graf I vs. V for ohmiske materialer (blå linje) og ikke-ohmiske materialer. Kilde: Wikimedia Commons.

Hydraulisk analogi av Ohms lov

Det er interessant å vite at den elektriske strømmen i Ohms lov har en oppførsel som ligner den for vann som sirkulerer gjennom et rør. Den engelske fysikeren Oliver Lodge var den første som foreslo simulering av oppførselen til strømmen ved bruk av elementer i hydraulikk.

For eksempel representerer rørene lederne, siden vannet sirkulerer gjennom dem og strømbærerne gjennom sistnevnte. Når det er en innsnevring i røret, er vannføringen vanskelig, så dette vil være ekvivalent med en elektrisk motstand.

Forskjellen i trykk i to ender av røret gjør at vannet strømmer, noe som gir en høydeforskjell eller en vannpumpe, og på samme måte er potensialforskjellen (batteriet) det som holder ladingen i bevegelse. , tilsvarer strømmen eller volumet av vann per tidsenhet.

En stempelpumpe vil spille rollen som en vekslende spenningskilde, men fordelen med å sette inn en vannpumpe er at den hydrauliske kretsen dermed ville være lukket, akkurat som en elektrisk krets må være for at strømmen skal strømme.

Figur 3. Hydraulisk analogi for Ohms lov: i a) et vannføringssystem og i b) en enkel resistiv krets. Kilde: Tippens, P. 2011. Fysikk: begreper og applikasjoner. 7. utgave. McGraw Hill.

Motstander og brytere

Ekvivalent med en bryter i en krets, ville det være en stoppekran. Det tolkes på denne måten: hvis kretsen er åpen (stoppekran lukket), kan ikke strømmen, som vannet, strømme.

På den annen side, med bryteren lukket (stoppekran helt åpen), kan både strøm og vann strømme uten problemer gjennom lederen eller røret.

Stoppekranen eller ventilen kan også representere en motstand: når kranen er helt åpnet tilsvarer den null motstand eller kortslutning. Hvis den lukkes helt, er det som å ha kretsen åpen, mens den er lukket delvis, er det som å ha en motstand på en viss verdi (se figur 3).

Øvelser

- Oppgave 1

Det er kjent at et elektrisk jern krever 2A ved 120V for å fungere ordentlig. Hva er dens motstand?

Løsning

Løs for motstand fra Ohms lov:

- Oppgave 2

En ledning på 3 mm i diameter og 150 m lang har en elektrisk motstand på 3,00 Ω ved 20 ° C. Finn materialets motstand.

Løsning

Ligningen R = ρℓ / A er passende, derfor trenger tverrsnittsarealet å bli funnet først:

Til slutt, når du erstatter, får du:

referanser

1. Resnick, R. 1992. Fysikk. Tredje utvidede utgave på spansk. Bind 2. Compañía Editorial Continental SA de CV
2. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysikk med moderne fysikk. 14 ^th . Utgave bind 2. 817-820.
3. Serway, R., Jewett, J. 2009. Physics for Science and Engineering with Modern Physics. 7. utgave. Volum 2. Cengage Learning. 752-775.
4. Tippens, P. 2011. Fysikk: begreper og applikasjoner. 7. utgave. McGraw Hill.
5. Sevilla University. Institutt for anvendt fysikk III. Tetthet og intensitet av strømmen. Gjenopprettet fra: us.es.
6. Walker, J. 2008. Fysikk. 4. utgave Pearson, 725-728