Napon, struja, otpor i Ohmov zakon: 5 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja promjena: 2024-01-30 09:38

Obuhvaćeno u ovom vodiču

Kako se električni naboj odnosi na napon, struju i otpor.

Koji su napon, struja i otpor.

Što je Ohmov zakon i kako ga koristiti za razumijevanje električne energije.

Jednostavan eksperiment za demonstriranje ovih koncepata.

Korak 1: Električno punjenje

Električni naboj je fizičko svojstvo materije zbog kojega dolazi do djelovanja sile kada se stavi u elektromagnetsko polje. Postoje dvije vrste električnih naboja: pozitivni i negativni (obično ih nose protoni i elektroni). Poput naboja odbijaju se, a za razliku od privlačenja. Odsustvo neto naplate naziva se neutralnim. Objekt je negativno nabijen ako ima višak elektrona, a inače je pozitivno nabijen ili nenabijen. SI izvedena jedinica električnog naboja je kulon (C). U elektrotehnici je također uobičajeno koristiti amper-sat (Ah); dok je u kemiji uobičajeno koristiti elementarni naboj (e) kao jedinicu. Simbol Q često označava naboj. Rano znanje o interakciji nabijenih tvari danas se naziva klasična elektrodinamika i još uvijek je točno za probleme koji ne zahtijevaju razmatranje kvantnih učinaka.

Električni naboj temeljno je očuvano svojstvo nekih subatomskih čestica koje određuje njihovu elektromagnetsku interakciju. Na električno nabijenu tvar utječu ili stvaraju elektromagnetska polja. Interakcija između pokretnog naboja i elektromagnetskog polja izvor je elektromagnetske sile koja je jedna od četiri temeljne sile (vidi također: magnetsko polje).

Pokusi u dvadesetom stoljeću pokazali su da se električni naboj kvantizira; odnosno dolazi u cjelobrojnim množinama pojedinačnih malih jedinica koje se nazivaju elementarni naboj, e, približno jednakim 1,602 × 10−19 kulona (osim za čestice zvane kvarkovi, koje imaju naboje koji su cijeli broj višekratnici 1/3e). Proton ima naboj +e, a elektron naboj −e. Proučavanje nabijenih čestica i način na koji njihove interakcije posreduju fotoni naziva se kvantna elektrodinamika.

Korak 2: Napon:

Napon, razlika električnog potencijala, električni tlak ili električna napetost (formalno označeni kao ∆V ili ∆U, ali češće pojednostavljeni kao V ili U, na primjer u kontekstu Ohmovih ili Kirchhoffovih zakona) je razlika u električnoj potencijalnoj energiji između dva bodova po jedinici električnog naboja. Napon između dviju točaka jednak je radu po jedinici naboja u odnosu na statičko električno polje za pomicanje ispitnog naboja između dvije točke. To se mjeri u voltnim jedinicama (džul po kulonu).

Napon može biti uzrokovan statičkim električnim poljem, električnom strujom kroz magnetsko polje, vremenski promjenjivim magnetskim poljima ili nekom kombinacijom ova tri. [1] [2] Voltmetar se može koristiti za mjerenje napona (ili razlike potencijala) između dvije točke u sustavu; često se kao jedna od točaka koristi zajednički referentni potencijal, kao što je tlo sustava. Napon može predstavljati izvor energije (elektromotorna sila) ili izgubljenu, iskorištenu ili pohranjenu energiju (potencijalni pad)

Pri opisivanju napona, struje i otpora uobičajena je analogija spremnik za vodu. U ovoj analogiji, naboj je predstavljen količinom vode, napon je predstavljen tlakom vode, a struja je predstavljena protokom vode. Dakle, za ovu analogiju zapamtite:

Voda = Punjenje

Tlak = napon

Protok = struja

Razmislite o spremniku vode na određenoj visini iznad zemlje. Na dnu spremnika nalazi se crijevo.

Dakle, struja je manja u spremniku s većim otporom.

Korak 3: Električna energija:

Električna energija je prisutnost i protok električnog naboja. Njegov najpoznatiji oblik je protok elektrona kroz vodiče poput bakrenih žica.

Električna energija je oblik energije koji dolazi u pozitivnom i negativnom obliku, koji se javlja prirodno (kao u munjama) ili se proizvodi (kao u generatoru). To je oblik energije koji koristimo za napajanje strojeva i električnih uređaja. Kad se naboji ne kreću, električna energija naziva se statički elektricitet. Kad se naboji kreću, oni su električna struja, koja se ponekad naziva i "dinamička električna energija". Munja je najpoznatija i najopasnija vrsta elektriciteta u prirodi, ali ponekad statički elektricitet uzrokuje da se stvari drže zajedno.

Električna energija može biti opasna, osobito oko vode jer je voda oblik vodiča. Od devetnaestog stoljeća električna energija koristi se u svakom dijelu našeg života. Do tada je to bio samo kuriozitet viđen u grmljavinskoj oluji.

Električna energija može se stvoriti ako magnet prođe blizu metalne žice. Ovo je metoda koju koristi generator. Najveći generatori nalaze se u elektranama. Električna energija također se može generirati kombiniranjem kemikalija u staklenci s dvije različite vrste metalnih šipki. Ovo je metoda koja se koristi u bateriji. Statički elektricitet nastaje trenjem između dva materijala. Na primjer, vunena kapa i plastično ravnalo. Trljajući ih zajedno, može nastati iskra. Električna energija također se može stvoriti pomoću sunčeve energije kao u fotonaponskim ćelijama.

Električna energija stiže u domove žicama s mjesta gdje se proizvodi. Koriste ga električne lampe, električni grijači itd. Mnogi kućanski aparati poput perilica rublja i električnih kuhala koriste električnu energiju. U tvornicama postoje strojevi za napajanje električnom energijom. Ljudi koji se bave električnom energijom i električnim uređajima u našim domovima i tvornicama nazivaju se "električari".

Recimo sada da imamo dva spremnika, svaki spremnik s crijevom koje dolazi s dna. Svaki spremnik ima potpuno istu količinu vode, ali crijevo na jednom spremniku je uže od crijeva na drugom.

Mjerimo istu količinu pritiska na kraju bilo kojeg crijeva, ali kad voda počne teći, protok vode u spremniku s užim crijevom bit će manji od protoka vode u spremniku s šire crijevo. U električnom smislu, struja kroz uže crijevo je manja od struje kroz šire crijevo. Ako želimo da protok bude isti kroz oba crijeva, moramo povećati količinu vode (punjenje) u spremniku sa užim crijevom.

Korak 4: Električni otpor i vodljivost

U hidrauličkoj analogiji, struja koja teče kroz žicu (ili otpornik) je poput vode koja teče kroz cijev, a pad napona na žici je poput pada tlaka koji tjera vodu kroz cijev. Vodljivost je proporcionalna količini protoka za dati tlak, a otpor proporcionalan koliko je tlaka potrebno za postizanje zadanog protoka. (Vodljivost i otpor su recipročni.)

Pad napona (tj. Razlika napona s jedne i druge strane otpornika), a ne sam napon, daje pokretačku snagu koja gura struju kroz otpornik. U hidraulici je slično: razlika tlaka između dvije strane cijevi, a ne sam tlak, određuje protok kroz nju. Na primjer, može postojati veliki tlak vode iznad cijevi, koji pokušava gurnuti vodu kroz cijev. No, ispod cijevi može postojati jednako veliki tlak vode koji pokušava gurnuti vodu natrag kroz cijev. Ako su ti pritisci jednaki, voda ne teče. (Na slici desno pritisak vode ispod cijevi je nula.)

Otpor i vodljivost žice, otpornika ili drugog elementa uglavnom se određuju s dva svojstva:

• geometrija (oblik), i
• materijal

Geometrija je važna jer je teže gurati vodu kroz dugu, usku cijev nego široku, kratku cijev. Na isti način, duga, tanka bakrena žica ima veći otpor (manju vodljivost) od kratke, debele bakrene žice.

Materijali su također važni. Cijev ispunjena dlakom ograničava protok vode više od čiste cijevi istog oblika i veličine. Slično, elektroni mogu slobodno i lako protjecati kroz bakrenu žicu, ali ne mogu tako lako teći kroz čeličnu žicu istog oblika i veličine, te u biti uopće ne mogu teći kroz izolator poput gume, bez obzira na njen oblik. Razlika između bakra, čelika i gume povezana je s njihovom mikroskopskom strukturom i konfiguracijom elektrona, a kvantificirana je svojstvom koje se naziva otpornost.

Osim geometrije i materijala, postoje različiti drugi čimbenici koji utječu na otpor i vodljivost.

Razumljivo je da kroz usku cijev ne možemo probiti toliko volumena od šireg pod istim tlakom. Ovo je otpor. Uska cijev "opire" se protoku vode kroz nju iako je voda pod istim tlakom kao i spremnik sa širom cijevi.

U električnom smislu, to je predstavljeno s dva kruga s jednakim naponima i različitim otporima. Krug s većim otporom omogućit će protok manjeg naboja, što znači da krug s većim otporom prolazi manje struje.

Korak 5: Ohmov zakon:

Ohmov zakon kaže da je struja kroz vodič između dvije točke izravno proporcionalna naponu na dvije točke. Uvodeći konstantu proporcionalnosti, otpor, dolazi se do uobičajene matematičke jednadžbe koja opisuje ovaj odnos:

gdje je I struja kroz vodič u jedinicama ampera, V je napon izmjeren na vodiču u jedinicama volti, a R je otpor vodiča u jedinicama ohma. Točnije, Ohmov zakon kaže da je R u ovoj relaciji konstantan, neovisan o struji.

Zakon je dobio ime po njemačkom fizičaru Georgu Ohmu, koji je u raspravi objavljenoj 1827. godine opisao mjerenja primijenjenog napona i struje kroz jednostavne električne krugove koji sadrže različite duljine žice. Ohm je svoje eksperimentalne rezultate objasnio nešto složenijom jednadžbom od gornjeg modernog oblika (vidi Povijest).

U fizici se izraz Ohmov zakon koristi i za označavanje različitih generalizacija zakona koje je izvorno formulirao Ohm.