ولتاژ ، جریان ، مقاومت و قانون اهم: 5 مرحله

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:58

در این آموزش پوشش داده شده است

نحوه ارتباط بار الکتریکی با ولتاژ ، جریان و مقاومت

ولتاژ ، جریان و مقاومت چیست.

قانون اهم چیست و چگونه از آن برای درک برق استفاده کنیم.

یک آزمایش ساده برای نشان دادن این مفاهیم.

مرحله 1: شارژ الکتریکی

بار الکتریکی خاصیت فیزیکی ماده است که باعث می شود وقتی در میدان الکترومغناطیسی قرار می گیرد ، نیرویی را تجربه کند. دو نوع بار الکتریکی وجود دارد: مثبت و منفی (معمولاً به ترتیب توسط پروتون و الکترون حمل می شوند). مانند اتهامات دفع کننده و برخلاف جذب. عدم وجود بار خالص خنثی نامیده می شود. اگر جسمی بیش از حد الکترون داشته باشد بار منفی دارد و در غیر این صورت بار مثبت یا بدون بار است. واحد بار الکتریکی مشتق شده از SI کولن (C) است. در مهندسی برق ، استفاده از آمپر ساعت (Ah) نیز متداول است. در حالی که در شیمی ، استفاده از بار ابتدایی (e) به عنوان واحد معمول است. نماد Q اغلب بار را نشان می دهد. دانش اولیه درباره نحوه برهم کنش مواد باردار در حال حاضر الکترودینامیک کلاسیک نامیده می شود و هنوز برای مشکلاتی که نیازی به در نظر گرفتن اثرات کوانتومی ندارند دقیق است.

بار الکتریکی یکی از ویژگیهای اساسی حفظ شده برخی ذرات زیر اتمی است که برهمکنش الکترومغناطیسی آنها را تعیین می کند. ماده دارای بار الکتریکی تحت تأثیر میدان های الکترومغناطیسی قرار می گیرد یا تولید می کند. برهم کنش بین یک بار متحرک و یک میدان الکترومغناطیسی منبع نیروی الکترومغناطیسی است که یکی از چهار نیروی اساسی است (همچنین نگاه کنید به: میدان مغناطیسی).

آزمایشات قرن بیستم نشان داد که بار الکتریکی کمی شده است. یعنی ، در مضرب های صحیح از واحدهای کوچک جداگانه به نام بار ابتدایی ، e ، تقریبا برابر با 1.602 × 10−19 کولن (به جز ذراتی به نام کوارک ، که دارای بارهایی هستند که مضرب صحیح 1/3e هستند). پروتون دارای بار +e و الکترون دارای بار −e است. به مطالعه ذرات باردار و نحوه برهم کنش آنها توسط فوتون ها ، الکترودینامیک کوانتومی می گویند.

مرحله 2: ولتاژ

ولتاژ ، اختلاف پتانسیل الکتریکی ، فشار الکتریکی یا کشش الکتریکی (که به طور رسمی ∆V یا ∆U نشان داده می شود ، اما اغلب به عنوان V یا U ساده می شود ، به عنوان مثال در زمینه قوانین مدار اهم یا Kirchhoff) تفاوت در انرژی پتانسیل الکتریکی بین دو است امتیاز در واحد بار الکتریکی ولتاژ بین دو نقطه برابر است با کار انجام شده در واحد بار در برابر میدان الکتریکی ایستا برای انتقال بار آزمایش بین دو نقطه. این واحد بر حسب واحد ولت (یک ژول در هر کولنم) اندازه گیری می شود.

ولتاژ می تواند ناشی از میدانهای الکتریکی ساکن ، جریان الکتریکی از طریق میدان مغناطیسی ، میدانهای مغناطیسی متغیر در زمان یا ترکیبی از این سه باشد. [1] [2] از ولت متر می توان برای اندازه گیری ولتاژ (یا اختلاف پتانسیل) بین دو نقطه در سیستم استفاده کرد. اغلب از پتانسیل مرجع مشترک مانند زمین سیستم به عنوان یکی از نقاط استفاده می شود. ولتاژ ممکن است منبع انرژی (نیروی الکتروموتور) یا انرژی از دست رفته ، استفاده شده یا ذخیره شده (افت احتمالی) را نشان دهد.

هنگام توصیف ولتاژ ، جریان و مقاومت ، یک قیاس معمول مخزن آب است. در این قیاس ، بار با مقدار آب ، ولتاژ با فشار آب و جریان با جریان آب نشان داده می شود. بنابراین ، برای این قیاس ، به یاد داشته باشید:

آب = شارژ

فشار = ولتاژ

جریان = جریان

مخزن آب را در ارتفاع مشخصی از سطح زمین در نظر بگیرید. در انتهای این مخزن ، یک شلنگ وجود دارد.

بنابراین ، جریان در مخزن با مقاومت بالاتر کمتر است.

مرحله 3: برق

برق عبارت است از وجود و جریان بار الکتریکی. معروف ترین شکل آن جریان الکترون ها از طریق رسانایی مانند سیم های مسی است.

الکتریسیته شکلی از انرژی است که به دو صورت مثبت و منفی به وجود می آید که به طور طبیعی (مانند رعد و برق) یا تولید می شود (مانند ژنراتور). این نوعی انرژی است که ما از آن برای تغذیه ماشین آلات و وسایل برقی استفاده می کنیم. هنگامی که بارها در حال حرکت نیستند ، الکتریسیته را الکتریسیته ساکن می نامند. هنگامی که بارها در حال حرکت هستند یک جریان الکتریکی هستند که گاهی اوقات "برق پویا" نامیده می شود. رعد و برق شناخته شده ترین و خطرناک ترین نوع الکتریسیته در طبیعت است ، اما گاهی اوقات الکتریسیته ساکن باعث می شود تا چیزها به هم بچسبند.

برق می تواند خطرناک باشد ، به ویژه در اطراف آب ، زیرا آب نوعی رسانا است. از قرن نوزدهم ، برق در هر قسمت از زندگی ما مورد استفاده قرار گرفته است. تا آن زمان ، این فقط یک کنجکاوی بود که در یک رعد و برق مشاهده می شد.

در صورت عبور آهنربا از سیم فلزی ، می توان برق تولید کرد. این روشی است که توسط ژنراتور استفاده می شود. بزرگترین تولیدکنندگان در نیروگاه ها هستند. الکتریسیته همچنین می تواند با ترکیب مواد شیمیایی در یک شیشه با دو نوع مختلف میله فلزی تولید شود. این روشی است که در باتری استفاده می شود. الکتریسیته ساکن از طریق اصطکاک بین دو ماده ایجاد می شود. به عنوان مثال ، یک کلاه پشمی و یک خط کش پلاستیکی. مالش آنها به یکدیگر ممکن است جرقه ایجاد کند. همچنین می توان با استفاده از انرژی خورشید مانند سلولهای فتوولتائیک ، برق تولید کرد.

برق از طریق سیم از محل تولید به خانه ها می رسد. از لامپ های برقی ، بخاری برقی و … استفاده می شود. بسیاری از لوازم خانگی مانند ماشین لباسشویی و اجاق های برقی از برق استفاده می کنند. در کارخانه ها ، ماشین های قدرت الکتریکی وجود دارد. به افرادی که در خانه ها و کارخانه های ما با برق و وسایل برقی سر و کار دارند ، "برقکار" می گویند.

بیایید اکنون بگوییم که ما دو مخزن داریم ، هر مخزن با شلنگ از پایین آمده است. هر مخزن دقیقاً دارای مقدار یکسان آب است ، اما شلنگ یک مخزن باریک تر از شلنگ روی مخزن دیگر است.

ما مقدار یکسانی از فشار را در انتهای هر یک از شیلنگ ها اندازه گیری می کنیم ، اما هنگامی که آب شروع به جریان می کند ، سرعت جریان آب در مخزن با شلنگ باریک تر از میزان جریان آب در مخزن با شیلنگ پهن تر از نظر الکتریکی ، جریان از طریق شلنگ باریک کمتر از جریان شلنگ پهن تر است. اگر می خواهیم جریان از طریق هر دو شیلنگ یکسان باشد ، باید با شلنگ باریک تر ، مقدار آب (شارژ) مخزن را افزایش دهیم.

مرحله 4: مقاومت و رسانایی الکتریکی

در قیاس هیدرولیکی ، جریانی که از طریق یک سیم (یا مقاومت) عبور می کند مانند آبی است که از یک لوله عبور می کند و افت ولتاژ روی سیم مانند افت فشاری است که آب را از لوله عبور می دهد. رسانایی متناسب با میزان جریان برای یک فشار معین و مقاومت متناسب با میزان فشار مورد نیاز برای دستیابی به یک جریان معین است. (رسانایی و مقاومت متقابل است.)

افت ولتاژ (یعنی تفاوت بین ولتاژهای یک طرف مقاومت و طرف دیگر) ، نه خود ولتاژ ، نیروی محرکه ای است که جریان را از طریق یک مقاومت فشار می دهد. در هیدرولیک ، مشابه است: اختلاف فشار بین دو طرف لوله ، و نه خود فشار ، جریان را از طریق آن تعیین می کند. به عنوان مثال ، ممکن است فشار بالای آب بالای لوله وجود داشته باشد ، که سعی می کند آب را از طریق لوله به پایین فشار دهد. اما ممکن است فشار آب به همان اندازه زیر لوله وجود داشته باشد ، که سعی می کند آب را از طریق لوله به عقب بکشد. اگر این فشارها مساوی باشد ، آبی جریان نمی یابد. (در تصویر سمت راست ، فشار آب زیر لوله صفر است.)

مقاومت و رسانایی سیم ، مقاومت یا عنصر دیگر بیشتر با دو ویژگی تعیین می شود:

• هندسه (شکل) ، و
• مواد

هندسه از آن جهت اهمیت دارد که فشار آب را از طریق یک لوله باریک بلند طولانی تر از یک لوله پهن و کوتاه دشوارتر می کند. به همین ترتیب ، یک سیم مسی بلند و نازک دارای مقاومت بیشتری (رسانایی کمتر) نسبت به یک سیم مسی کوتاه و ضخیم است.

مواد نیز مهم هستند. یک لوله پر از مو ، جریان آب را بیشتر از یک لوله تمیز با همان شکل و اندازه محدود می کند. به طور مشابه ، الکترونها می توانند آزادانه و به راحتی از طریق یک سیم مسی عبور کنند ، اما نمی توانند به راحتی از طریق یک سیم فولادی با همان شکل و اندازه عبور کنند و در اصل نمی توانند به طور کلی از یک عایق مانند لاستیک ، صرف نظر از شکل آن ، عبور کنند. تفاوت بین مس ، فولاد و لاستیک به ساختار میکروسکوپی و پیکربندی الکترونی آنها مربوط می شود و با خاصیتی به نام مقاومت مشخص می شود.

علاوه بر هندسه و مواد ، عوامل مختلف دیگری نیز وجود دارد که بر مقاومت و رسانایی تأثیر می گذارد.

منطقی است که ما نمی توانیم به اندازه یک لوله باریک حجم بیشتری از یک لوله بزرگتر را با همان فشار وارد کنیم. این مقاومت است. لوله باریک در برابر جریان آب از طریق آن "مقاومت می کند" حتی اگر آب در فشار یک مخزن با لوله گسترده تر باشد.

در اصطلاح الکتریکی ، این توسط دو مدار با ولتاژ مساوی و مقاومت های مختلف نشان داده می شود. مدار با مقاومت بیشتر باعث می شود بار کمتری جریان یابد ، بدین معنا که مدار با مقاومت بیشتر جریان کمتری در آن جریان دارد.

مرحله 5: قانون اهم

قانون اهم بیان می کند که جریان از طریق یک هادی بین دو نقطه با ولتاژ دو نقطه رابطه مستقیم دارد. با معرفی ثابت تناسب ، مقاومت ، به معادله معمول ریاضی می رسیم که این رابطه را توصیف می کند:

جایی که من جریان از طریق رسانا در واحد آمپر است ، V ولتاژ اندازه گیری شده بر روی هادی بر حسب واحد ولت ، و R مقاومت هادی در واحد اهم است. به طور خاص ، قانون اهم بیان می کند که R در این رابطه ثابت و مستقل از جریان است.

این قانون پس از فیزیکدان آلمانی گئورگ اهم نامگذاری شده است ، که در رساله ای که در سال 1827 منتشر شد ، اندازه گیری ولتاژ و جریان اعمال شده را از طریق مدارهای الکتریکی ساده حاوی طول های مختلف سیم توصیف کرد. اهم نتایج تجربی خود را با یک معادله کمی پیچیده تر از شکل مدرن بالا توضیح داد (به تاریخ مراجعه کنید).

در فیزیک ، اصطلاح قانون اهم نیز برای اشاره به کلیات مختلف قانون که توسط اهم تدوین شده است ، استفاده می شود.