OHMOV ZAKON: ENOTE IN FORMULA, IZRAČUN, PRIMERI, VAJE - FIZIČNO - 2026

V Ohm "s pravo v makroskopske obliki, kaže, da je napetost in jakost toka v tokokrogu neposredno sorazmerna odpornost pri čemer je konstanta sorazmernosti. Če označuje te tri količine kot V, I in R, Ohmov zakon pravi, da je: V = IR

Prav tako je Ohmov zakon posplošen tako, da v tokokroge z izmeničnim tokom vključuje elemente vezja, ki niso čisto uporovni, na ta način ima naslednjo obliko: V = IZ

Slika 1. Ohmov zakon je uporaben za številna vezja. Vir: Wikimedia Commons. Tlapicka

Kjer je Z impedanca, ki predstavlja tudi nasprotovanje prehodu izmeničnega toka s strani vezja, na primer kondenzatorja ali induktivnosti.

Treba je opozoriti, da niso vsi materiali in elementi vezja skladni z Ohmovim zakonom. Tisti, v katerih je veljavna, se imenujejo ohmični elementi, v katerih pa ni izpolnjen, imenujemo jih ne-ohmični ali nelinearni.

Običajni električni upori so ohmičnega tipa, diode in tranzistorji pa niso, saj razmerje med napetostjo in tokom ni v njih linearno.

Ohmov zakon dolguje ime nemškemu fiziku in matematiku Georgu Simonu Ohmu (1789-1854), rojenega na Bavarskem, ki se je med kariero posvetil preučevanju obnašanja električnih tokokrogov. Enota za električni upor v mednarodnem sistemu SI je bila poimenovana v njegovo čast: ohm, kar je izraženo tudi z grško črko Ω.

Kako se izračuna?

Čeprav je makroskopska oblika Ohmovega zakona najbolj znana, saj povezuje količine, ki jih je v laboratoriju enostavno izmeriti, mikroskopska oblika navezuje dve pomembni vektorski veličini: električno polje E in gostoto toka J :

Kjer je σ električna prevodnost materiala, je lastnost, ki kaže, kako enostavno je voditi tok. Pri svojem delu, J je vektor, katerega obseg je količnik med intenzivnostjo sedanjega I in območja A prečnega prereza, skozi katere kroži.

Logično je domnevati, da obstaja naravna povezava med električnim poljem znotraj materiala in električnim tokom, ki kroži skozi njega, tako da je večji tok, tem večji je tok.

A tok ni vektor, saj nima smeri v prostoru. Po drugi strani je vektor J pravokoten - ali normalen - na površino prereza prevodnika in njegova smer je smer toka.

Iz te oblike Ohmovega zakona pridemo do prve enačbe, pri čemer prevzamemo prevodnik dolžine ℓ in preseka A ter nadomestimo vrednosti J in E z:

Inverzija prevodnosti se imenuje upornost in je označena z grško črko ρ:

Tako:

Upor prevodnika

V enačbi V = (ρℓ / A) .I je konstanta (ρℓ / A) upor, zato:

Odpornost prevodnika je odvisna od treh dejavnikov:

-Ja upornost ρ, značilna za material, iz katerega je izdelan.

-Dolžina ℓ.

- Območje A njegovega preseka.

Višji kot je ℓ, večja je upornost, saj imajo sedanji nosilci več možnosti, da trčijo z drugimi delci znotraj prevodnika in izgubijo energijo. In obratno, višji kot je A, lažje je, da se sedanji nosilci po materialu pravilno urejajo.

Končno je v molekularni strukturi vsakega materiala lahkotnost, s katero snov prepušča električni tok. Tako so na primer kovine, kot so baker, zlato, srebro in platina z nizko upornostjo, dobri prevodniki, les, kavčuk in olje pa ne, zato imajo večjo upornost.

Primeri

Tu sta dva ilustrativna primera Ohmovega zakona.

Eksperimentirajte, da preverite Ohmov zakon

Preprosta izkušnja ponazarja Ohmov zakon, za to pa potrebujete konduktivni material, spremenljiv vir napetosti in multimeter.

Med konci prevodnega materiala se vzpostavi napetost V, ki jo je treba malo spreminjati. Z variabilnim virom moči lahko nastavite vrednosti omenjene napetosti, ki se merijo z multimetrom, pa tudi tok I, ki kroži skozi prevodnik.

Pare vrednosti V in I so zapisane v tabelo in z njimi je graf sestavljen na grafičnem papirju. Če je dobljena krivulja ravna črta, je material ohmičen, če pa je katera koli druga krivulja, je material ne-ohmični.

V prvem primeru je mogoče določiti naklon premice, ki je enak uporu R prevodnika ali njegovi obratni, prevodnosti.

Na spodnji sliki modra črta predstavlja enega od teh grafov za ohmični material. Medtem sta rumena in rdeča krivulja narejena iz ne ohmičnih materialov, na primer polprevodnika.

Slika 2. Graf I vs. V za ohmične materiale (modra črta) in ne-ohmične materiale. Vir: Wikimedia Commons.

Hidravlična analogija Ohmovega zakona

Zanimivo je vedeti, da ima električni tok v Ohmovem zakonu podobno delovanje kot voda, ki kroži skozi cev. Angleški fizik Oliver Lodge je prvi predlagal simulacijo obnašanja toka s pomočjo elementov hidravlike.

Na primer, cevi predstavljajo vodnike, saj voda kroži skozi njih, trenutni nosilci pa skozi slednje. Kadar v cevi pride do zožitve, je prehod vode otežen, zato bi bilo to enakovredno električnemu uporu.

Razlika tlaka na dveh koncih cevi omogoča, da voda teče, kar zagotavlja razliko v višini ali vodni črpalki, podobno pa je razlika v potencialu (akumulatorju) tisto, kar ohranja naboj. , kar ustreza količini vode ali količini vode na enoto časa.

Batna črpalka bi igrala vlogo alternativnega napetostnega vira, vendar je prednost vgradnje vodne črpalke v tem, da je hidravlični krog tako zaprt, tako kot mora biti električni tokokrog, da teče tok.

Slika 3. Hidravlična analogija za Ohmov zakon: v a) sistemu pretoka vode in v b) preprostem uporovnem vezju. Vir: Tippens, P. 2011. Fizika: pojmi in aplikacije. 7. izdaja McGraw Hill.

Upori in stikala

Ekvivalent stikala v tokokrogu bi bil stop-stop. Razlaga se tako: če je tokokrog odprt (stopcock zaprt), tok, tako kot voda, ne more teči.

Po drugi strani pa lahko pri tokokrogu brez težav teče tok in voda brez prevodnega toka skozi prevodnik ali cev.

Zaporni ventil ali ventil lahko predstavlja tudi upor: ko je pipa popolnoma odprta, je to enakovredno kot ničelni upor ali kratek stik. Če se popolnoma zapre, je, kot da bi bil tokokrog odprt, medtem ko je delno zaprt, kot da ima upor določene vrednosti (glej sliko 3).

Vaje

- Vaja 1

Znano je, da električni likalnik za pravilno delovanje potrebuje 2A pri 120V. Kakšna je njegova odpornost?

Rešitev

Rešite za odpor iz Ohmovega zakona:

- Vaja 2

Žica s premerom 3 mm in dolžino 150 m ima električni upor 3,00 Ω pri 20 ° C. Poiščite upornost materiala.

Rešitev

Enačba R = ρℓ / A je primerna, zato je treba najprej najti površino preseka:

Končno, ko nadomestite, dobite:

Reference

1. Resnick, R. 1992. Fizika. Tretja razširjena izdaja v španščini. Zvezek 2. Compañía Uredništvo Continental SA de CV
2. Sears, Zemanski. 2016. Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14. ^st . Ed. Zvezek 2. 817–820.
3. Serway, R., Jewett, J. 2009. Fizika za znanost in inženiring s sodobno fiziko. 7. izdaja Zvezek 2. Cengage Learning. 752-775.
4. Tippens, P. 2011. Fizika: pojmi in aplikacije. 7. izdaja McGraw Hill.
5. Univerza v Sevilli. Oddelek za uporabno fiziko III. Gostota in intenziteta toka. Pridobljeno: us.es.
6. Walker, J. 2008. Fizika. 4. izd. Pearson. 725-728