Jännite, virta, vastus ja Ohmin laki: 5 vaihetta

2024 Kirjoittaja: John Day | [email protected]. Viimeksi muokattu: 2024-01-30 09:04

Katettu tässä opetusohjelmassa

Miten sähkövaraus liittyy jännitteeseen, virtaan ja vastukseen.

Mitä jännite, virta ja vastus ovat.

Mikä on Ohmin laki ja miten sitä käytetään ymmärtämään sähköä.

Yksinkertainen kokeilu näiden käsitteiden osoittamiseksi.

Vaihe 1: Sähkövaraus

Sähkövaraus on aineen fyysinen ominaisuus, joka saa sen kokemaan voiman, kun se sijoitetaan sähkömagneettiseen kenttään. Sähkövarauksia on kahdenlaisia: positiivisia ja negatiivisia (yleensä protonien ja elektronien kantamia). Kuten maksut hylkäävät ja toisin kuin houkuttelevat. Nettokulutuksen puuttumista kutsutaan neutraaliksi. Objekti on negatiivisesti varautunut, jos siinä on ylimäärä elektroneja, ja se on muuten positiivisesti varautunut tai latautumaton. SI -johdettu sähkövarauksen yksikkö on coulomb (C). Sähkötekniikassa on myös yleistä käyttää ampeerituntia (Ah); kun taas kemiassa on tavallista käyttää alkuvarausta (e) yksikönä. Symboli Q tarkoittaa usein varausta. Varhaista tietoa varautuneiden aineiden vuorovaikutuksesta kutsutaan nykyään klassiseksi elektrodynamiikaksi, ja se on edelleen tarkka ongelmissa, jotka eivät vaadi kvanttivaikutusten huomioon ottamista.

Sähkövaraus on joidenkin subatomisten hiukkasten olennainen säilynyt ominaisuus, joka määrittää niiden sähkömagneettisen vuorovaikutuksen. Sähkömagneettiset kentät vaikuttavat tai tuottavat sähköisesti varautuneita aineita. Liikkuvan varauksen ja sähkömagneettisen kentän välinen vuorovaikutus on sähkömagneettisen voiman lähde, joka on yksi neljästä perusvoimasta (Katso myös: magneettikenttä).

1900-luvun kokeet osoittivat, että sähkövaraus on kvantisoitu; eli se tulee yksittäisten pienten yksiköiden kokonaislukukertoimina, joita kutsutaan alkuvaraukseksi, e, suunnilleen yhtä suuri kuin 1,602 × 10−19 coulombia (lukuun ottamatta kvarkkeiksi kutsuttuja hiukkasia, joiden varaukset ovat 1/3e: n kokonaislukukertoja). Protonin varaus on +e ja elektronin varaus on −e. Varautuneiden hiukkasten tutkimusta ja sitä, miten fotonit välittävät niiden vuorovaikutusta, kutsutaan kvanttelektrodynamiikaksi.

Vaihe 2: Jännite

Jännite, sähköpotentiaaliero, sähköpaine tai sähköjännitys (virallisesti merkitty ∆V tai ∆U, mutta yksinkertaistettu useammin nimellä V tai U, esimerkiksi Ohmin tai Kirchhoffin piirilakien yhteydessä) on kahden potentiaalienergian välinen ero pistettä sähkövarausta kohden. Kahden pisteen välinen jännite on yhtä suuri kuin latausyksikköä kohden tehty työ staattista sähkökenttää vastaan testivarauksen siirtämiseksi kahden pisteen välillä. Tämä mitataan volttiyksiköinä (joulea kultaa kohden).

Jännitteen voivat aiheuttaa staattiset sähkökentät, magneettikentän läpi kulkeva sähkövirta, ajassa vaihtelevat magneettikentät tai jokin näiden kolmen yhdistelmä. [1] [2] Volttimittaria voidaan käyttää järjestelmän kahden pisteen välisen jännitteen (tai potentiaalieron) mittaamiseen; usein yhtenä pisteenä käytetään yhteistä vertailupotentiaalia, kuten järjestelmän maata. Jännite voi edustaa joko energialähdettä (sähkömoottorivoimaa) tai kadonnutta, käytettyä tai varastoitua energiaa (potentiaalinen pudotus)

Jännitettä, virtaa ja vastusta kuvattaessa yleinen analogia on vesisäiliö. Tässä vertailussa varausta edustaa vesimäärä, jännitettä vedenpaine ja virtaa vesivirta. Joten tämän analogian vuoksi muista:

Vesi = lataa

Paine = jännite

Virtaus = nykyinen

Harkitse vesisäiliötä tietyssä korkeudessa maanpinnan yläpuolella. Tämän säiliön pohjassa on letku.

Joten virta on pienempi säiliössä, jossa on suurempi vastus.

Vaihe 3: Sähkö

Sähkö on sähkövarauksen läsnäolo ja virtaus. Sen tunnetuin muoto on elektronien virtaus johtimien, kuten kuparilankojen, läpi.

Sähkö on energian muoto, joka tulee positiivisessa ja negatiivisessa muodossa, joka esiintyy luonnollisesti (kuten salama) tai tuotetaan (kuten generaattorissa). Se on energiamuoto, jota käytämme koneiden ja sähkölaitteiden voimaamiseen. Kun varaukset eivät liiku, sähköä kutsutaan staattiseksi sähköksi. Kun varaukset liikkuvat, ne ovat sähkövirtaa, jota kutsutaan joskus "dynaamiseksi sähköksi". Salama on tunnetuin ja vaarallisin sähkölaji luonnossa, mutta joskus staattinen sähkö saa asiat kiinni toisiinsa.

Sähkö voi olla vaarallista etenkin veden ympärillä, koska vesi on johtimen muoto. 1800 -luvulta lähtien sähköä on käytetty elämämme kaikissa osissa. Siihen asti se oli vain uteliaisuus nähtynä ukkosmyrskyssä.

Sähköä voi syntyä, jos magneetti kulkee metallilangan lähelle. Tämä on generaattorin käyttämä menetelmä. Suurimmat generaattorit ovat voimalaitoksissa. Sähköä voidaan tuottaa myös yhdistämällä kemikaaleja purkkiin kahden erilaisen metallitangan kanssa. Tätä menetelmää käytetään akussa. Staattinen sähkö syntyy kahden materiaalin välisen kitkan kautta. Esimerkiksi villahattu ja muovinen viivain. Hiero ne yhteen voi aiheuttaa kipinän. Sähköä voidaan tuottaa myös auringon energialla, kuten aurinkokennoissa.

Sähkö tulee koteihin johtojen kautta paikasta, jossa se tuotetaan. Sitä käyttävät sähkölamput, sähkölämmittimet jne. Monet kodinkoneet, kuten pesukoneet ja sähköliesit, käyttävät sähköä. Tehtaissa on sähkökäyttöisiä koneita. Ihmisiä, jotka käsittelevät sähköä ja sähkölaitteita kodeissamme ja tehtaissamme, kutsutaan "sähköasentajiksi".

Sanotaan nyt, että meillä on kaksi säiliötä, joista jokaisessa on alapuolelta tuleva letku. Jokaisessa säiliössä on täsmälleen sama määrä vettä, mutta toisen säiliön letku on kapeampi kuin toisen.

Mittaamme saman paineen kummankin letkun päässä, mutta kun vesi alkaa virrata, veden virtausnopeus säiliössä kapeamman letkun kanssa on pienempi kuin säiliössä olevan veden virtausnopeus leveämpi letku. Sähköisesti kapeamman letkun läpi kulkeva virta on pienempi kuin leveämmän letkun kautta kulkeva virta. Jos haluamme, että virtaus on sama molempien letkujen kautta, meidän on lisättävä vesimäärää (lataus) säiliössä kapeamman letkun kanssa.

Vaihe 4: Sähkövastus ja johtavuus

Hydraulisessa analogiassa johdon (tai vastuksen) läpi virtaava virta on kuin vesi, joka virtaa putken läpi, ja jännitehäviö langan poikki on kuin painehäviö, joka työntää vettä putken läpi. Johtavuus on verrannollinen siihen, kuinka paljon virtausta tapahtuu tietyllä paineella, ja vastus on verrannollinen siihen, kuinka paljon painetta tarvitaan tietyn virtauksen saavuttamiseksi. (Johtavuus ja vastus ovat vastavuoroisia.)

Jännitehäviö (ts. Vastuksen ja toisen puolen jännitteiden välinen ero), ei itse jännite, tuottaa käyttövoiman, joka työntää virran vastuksen läpi. Hydrauliikassa se on samanlainen: Putken kahden puolen välinen paine -ero, ei itse paine, määrää virtauksen sen läpi. Esimerkiksi putken yläpuolella voi olla suuri vedenpaine, joka yrittää työntää vettä putken läpi. Mutta putken alla voi olla yhtä suuri vedenpaine, joka yrittää työntää vettä takaisin ylös putken läpi. Jos nämä paineet ovat yhtä suuret, vettä ei virtaa. (Oikealla olevassa kuvassa vedenpaine putken alapuolella on nolla.)

Johdon, vastuksen tai muun elementin resistanssi ja johtavuus määräytyvät useimmiten kahden ominaisuuden perusteella:

• geometria (muoto) ja
• materiaalia

Geometria on tärkeä, koska veden työntäminen pitkän, kapean putken läpi on vaikeampaa kuin leveän, lyhyen putken. Samalla tavalla pitkällä, ohuella kuparilangalla on suurempi vastus (pienempi johtavuus) kuin lyhyellä, paksulla kuparilangalla.

Materiaalit ovat myös tärkeitä. Hiuksilla täytetty putki rajoittaa veden virtausta enemmän kuin puhdas samanmuotoinen ja kokoinen putki. Samoin elektronit voivat virrata vapaasti ja helposti kuparilangan läpi, mutta ne eivät voi virrata yhtä helposti samanmuotoisen ja -kokoisen teräslangan läpi, eivätkä ne voi olennaisesti kulkea ollenkaan kumin kaltaisen eristimen läpi muodosta riippumatta. Ero kuparin, teräksen ja kumin välillä liittyy niiden mikroskooppiseen rakenteeseen ja elektronikonfiguraatioon, ja sen kvantifioi ominaisuus nimeltä resistiivisyys.

Geometrian ja materiaalin lisäksi on monia muita tekijöitä, jotka vaikuttavat resistanssiin ja johtavuuteen.

On selvää, että emme voi mahtua yhtä paljon tilavuutta kapean putken läpi kuin leveämpi samaan paineeseen. Tämä on vastarintaa. Kapea putki "vastustaa" veden virtausta sen läpi, vaikka vesi on samassa paineessa kuin säiliö leveämmän putken kanssa.

Sähköisesti tätä kuvaa kaksi piiriä, joilla on samanlaiset jännitteet ja erilaiset vastukset. Piiri, jolla on suurempi vastus, sallii vähemmän varausta, mikä tarkoittaa, että suuremman vastuksen piirillä on vähemmän virtaa sen läpi.

Vaihe 5: Ohmin laki?

Ohmin lain mukaan johtimen kahden pisteen välinen virta on suoraan verrannollinen kahden pisteen jännitteeseen. Kun otetaan käyttöön suhteellisuusvakio, vastus, päästään tavalliseen matemaattiseen yhtälöön, joka kuvaa tätä suhdetta:

missä I on johtimen läpi kulkeva virta ampeeriyksiköinä, V on johtimen poikki mitattu jännite volttiyksiköinä ja R on johtimen vastus ohmien yksiköissä. Tarkemmin sanottuna Ohmin laki sanoo, että R tässä suhteessa on vakio, riippumaton virrasta.

Laki nimettiin saksalaisen fyysikon Georg Ohmin mukaan, joka vuonna 1827 julkaistussa tutkielmassa kuvasi jännitteen ja virran mittauksia yksinkertaisista sähköpiireistä, jotka sisälsivät eri pituisia lankoja. Ohm selitti kokeellisia tuloksia hieman monimutkaisemmalla yhtälöllä kuin yllä oleva moderni muoto (katso Historia).

Fysiikassa termiä Ohmin laki käytetään myös viittaamaan erilaisiin yleistyksiin Ohmin alun perin muotoilemasta laista.