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

Den Ohm 's lov i sin makroskopiske form indikerer, at spændingen og intensiteten af strøm i et kredsløb er direkte proportional modstand er proportionalitetskonstanten. Ohms lov angiver disse tre mængder som henholdsvis V, I og R, og angiver: V = IR

Ligeledes generaliseres Ohms lov til at omfatte kredsløbselementer, som ikke er rent modstandsdygtige i vekselstrømskredsløb, på denne måde har den følgende form: V = IZ

Figur 1. Ohms lov gælder for mange kredsløb. Kilde: Wikimedia Commons. Tlapicka

Hvor Z er impedansen, som også repræsenterer modstanden mod passering af vekselstrøm med et kredsløbselement, for eksempel en kondensator eller en induktans.

Det skal bemærkes, at ikke alle kredsløbsmaterialer og -elementer er i overensstemmelse med Ohms lov. De, hvori det er gyldigt, kaldes ohmiske elementer, og hvor det ikke er opfyldt, kaldes de ikke-ohmiske eller ikke-lineære.

Almindelige elektriske modstande er af ohmisk type, men dioder og transistorer er det ikke, da forholdet mellem spænding og strøm ikke er lineært i dem.

Ohms lov skylder sit navn til den bayerske fødte tyske fysiker og matematiker George Simon Ohm (1789-1854), der i løbet af sin karriere dedikerede sig til at studere opførslen af ​​elektriske kredsløb. Enheden til elektrisk modstand i SI International System er blevet navngivet til hans ære: ohm, som også udtrykkes med det græske bogstav Ω.

Hvordan beregnes det?

Selvom den makroskopiske form af Ohms lov er den bedst kendte, da den forbinder mængder, der let kan måles i laboratoriet, relaterer den mikroskopiske form to vigtige vektormængder: det elektriske felt E og strømtætheden J:

Hvor σ er materialets elektriske ledningsevne, er en egenskab, der angiver, hvor let det er at lede strøm. På sin side er J en vektor, hvis størrelse er kvoten mellem intensiteten af ​​strøm I og tværsnitsarealet A, gennem hvilket det cirkulerer.

Det er logisk at antage, at der er en naturlig forbindelse mellem det elektriske felt inde i et materiale og den elektriske strøm, der cirkulerer gennem det, således at jo større strømmen er, jo mere strøm.

Men strømmen er ikke en vektor, da den ikke har en retning i rummet. På den anden side er vektoren J vinkelret - eller normal - i forhold til lederens tværsnitsareal, og dens retning er for strømmen.

Fra denne form for Ohms lov kommer vi til den første ligning, idet vi antager en leder med længde ℓ og tværsnit A og erstatter størrelserne på J og E med:

Det inverse af ledningsevne kaldes resistivitet og betegnes med det græske bogstav ρ:

Dermed:

En modstand fra en leder

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

Ledernes modstand afhænger af tre faktorer:

-Dens resistivitet ρ, typisk for det materiale, som det er fremstillet med.

-Længde ℓ.

- Området A i dets tværsnit.

Jo højere ℓ, jo større er modstanden, da nuværende bærere har flere muligheder for at kollidere med andre partikler inde i lederen og miste energi. Og omvendt, jo højere A, jo lettere er det for nuværende transportører at bevæge sig ordentligt gennem materialet.

Til sidst ligger molekylstrukturen i hvert materiale den lethed, hvormed et stof tillader elektrisk strøm at passere. Således er for eksempel metaller som kobber, guld, sølv og platin med lav modstand gode ledere, mens træ, gummi og olie ikke er det, hvorfor de har højere modstand.

eksempler

Her er to illustrative eksempler på Ohms lov.

Eksperimentér for at tjekke Ohms lov

En simpel oplevelse illustrerer Ohms lov, for dette har du brug for et stykke ledende materiale, en variabel spændingskilde og en multimeter.

En spænding V etableres mellem enderne af det ledende materiale, som skal varieres lidt efter lidt. Med den variable strømkilde kan værdierne for nævnte spænding indstilles, som måles med multimeteret såvel som strømmen I, der strømmer gennem lederen.

Parene med V- og I-værdier registreres i en tabel, og med dem er en graf konstrueret på grafpapir. Hvis den resulterende kurve er en lige linje, er materialet ohmisk, men hvis det er en anden kurve, er materialet ikke-ohmisk.

I det første tilfælde kan linjens hældning bestemmes, hvilket er ækvivalent med lederens modstand R eller dets inverse ledningsevne.

På billedet herunder repræsenterer den blå linje en af ​​disse grafer for et ohmisk materiale. I mellemtiden er de gule og røde kurver lavet af ikke-ohmiske materialer, som f.eks. En halvleder.

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

Hydraulisk analogi af Ohms lov

Det er interessant at vide, at den elektriske strøm i Ohms lov har en opførsel, der ligner den for vand, der cirkulerer gennem et rør. Den engelske fysiker Oliver Lodge var den første til at foreslå simulering af opførslen af ​​strømmen ved hjælp af elementer i hydraulik.

For eksempel repræsenterer rørene lederne, da vandet cirkulerer gennem dem og de nuværende bærere gennem sidstnævnte. Når der er en indsnævring i røret, er vandets passage vanskelig, så dette ville svare til en elektrisk modstand.

Forskellen i tryk i to ender af røret gør det muligt for vandet at strømme, hvilket giver en forskel i højden eller en vandpumpe, og på samme måde er forskellen i potentiale (batteriet) det, der holder ladningen i bevægelse., svarende til strømmen eller volumenet af vand pr. tidsenhed.

En stempelpumpe vil spille rollen som en vekslende spændingskilde, men fordelen ved at sætte en vandpumpe i er, at det hydrauliske kredsløb således ville være lukket, ligesom et elektrisk kredsløb skal være for at strømmen kan strømme.

Figur 3. Hydraulisk analogi til Ohms lov: i a) et vandstrømningssystem og i b) et simpelt resistivt kredsløb. Kilde: Tippens, P. 2011. Fysik: begreber og applikationer. 7. udgave. McGraw Hill.

Modstande og afbrydere

Det svarer til en switch i et kredsløb, det ville være en stopcock. Det fortolkes på denne måde: hvis kredsløbet er åbent (stophanen er lukket), kan strømmen som vandet ikke flyde.

På den anden side kan kontakten være lukket (stopcock helt åben) med strømmen lukket uden strøm gennem lederen eller røret.

Stophanen eller ventilen kan også repræsentere en modstand: når hanen er helt åbnet svarer det til at have en nulmodstand eller en kortslutning. Hvis det lukkes helt, er det som at have kredsløbet åbent, mens det delvis lukket er det som at have en modstand på en bestemt værdi (se figur 3).

Øvelser

- Øvelse 1

Det vides, at et elektrisk jern kræver, at 2A ved 120V fungerer korrekt. Hvad er dens modstand?

Løsning

Løs for modstand fra Ohms lov:

- Øvelse 2

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

Løsning

Ligningen R = ρℓ / A er passende, derfor skal tværsnitsarealet først findes:

Til sidst, når du erstatter, får du:

Referencer

1. Resnick, R. 1992. Physics. Tredje udvidede udgave på spansk. Bind 2. Compañía Redaktionel Kontinentalt SA de CV
2. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med moderne fysik. 14 ^th. Udgave bind 2. 817-820.
3. Serway, R., Jewett, J. 2009. Fysik til videnskab og teknik med moderne fysik. 7. udgave. Bind 2. Cengage Learning. 752-775.
4. Tippens, P. 2011. Fysik: koncepter og applikationer. 7. udgave. McGraw Hill.
5. Sevilla University. Institut for Anvendt Fysik III. Tæthed og intensitet af strømmen. Gendannes fra: us.es.
6. Walker, J. 2008. Fysik. 4. udgave Pearson, 725-728