Napetost, tok, upor in Ohmov zakon: 5 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:08

Zajeto v tem vodiču

Kako je električni naboj povezan z napetostjo, tokom in uporom.

Kakšna je napetost, tok in upor.

Kaj je Ohmov zakon in kako ga uporabiti za razumevanje električne energije.

Preprost poskus za prikaz teh konceptov.

1. korak: električno polnjenje

Električni naboj je fizikalna lastnost snovi, zaradi katere pride v silo, ko je postavljena v elektromagnetno polje. Obstajata dve vrsti električnih nabojev: pozitivni in negativni (običajno jih prenašajo protoni oziroma elektroni). Tako kot se naboji odbijajo in za razliko od privlačijo. Odsotnost neto zaračunavanja se imenuje nevtralna. Predmet je negativno nabit, če ima presežek elektronov, sicer pa je pozitivno nabit ali nenapolnjen. Enota električnega naboja, ki izhaja iz SI, je kulon (C). V elektrotehniki je pogosta tudi uporaba amper ur (Ah); medtem ko je v kemiji običajno uporabiti osnovni naboj (e) kot enoto. Simbol Q pogosto označuje naboj. Zgodnje poznavanje interakcije nabitih snovi se zdaj imenuje klasična elektrodinamika in je še vedno natančno za težave, ki ne zahtevajo upoštevanja kvantnih učinkov.

Električni naboj je temeljna ohranjena lastnost nekaterih subatomskih delcev, ki določa njihovo elektromagnetno interakcijo. Na električno nabito snov vplivajo ali proizvajajo elektromagnetna polja. Interakcija med gibljivim nabojem in elektromagnetnim poljem je vir elektromagnetne sile, ki je ena od štirih temeljnih sil (glej tudi: magnetno polje).

Poskusi v dvajsetem stoletju so pokazali, da je električni naboj kvantiziran; to pomeni, da prihaja v celih številih posameznih majhnih enot, imenovanih osnovni naboj, e, približno enakih 1,602 × 10−19 kulonov (razen delcev, imenovanih kvarki, ki imajo naboje, ki so celobrojni večkratniki 1/3e). Proton ima naboj +e, elektron pa naboj −e. Študija nabitih delcev in način njihovega medsebojnega delovanja s fotoni se imenuje kvantna elektrodinamika.

2. korak: Napetost:

Napetost, razlika električnega potenciala, električni tlak ali električna napetost (uradno označena kot ∆V ali ∆U, vendar pogosteje poenostavljena kot V ali U, na primer v kontekstu Ohmovega ali Kirchhoffovega zakona) je razlika v električni potencialni energiji med dvema točk na enoto električnega naboja. Napetost med dvema točkama je enaka delu na enoto naboja proti statičnemu električnemu polju za premik preskusnega naboja med dvema točkama. To se meri v voltnih enotah (džul na kulon).

Napetost lahko povzročijo statična električna polja, električni tok skozi magnetno polje, časovno spreminjajoča se magnetna polja ali neka kombinacija teh treh. [1] [2] Voltmeter lahko uporabite za merjenje napetosti (ali potencialne razlike) med dvema točkama v sistemu; pogosto se kot ena od točk uporablja skupni referenčni potencial, kot je osnova sistema. Napetost lahko predstavlja bodisi vir energije (elektromotorna sila) bodisi izgubljeno, porabljeno ali shranjeno energijo (padec potenciala)

Pri opisovanju napetosti, toka in upora je pogosta analogija rezervoar za vodo. V tej analogiji je naboj predstavljen s količino vode, napetost s pritiskom vode, tok pa s tokom vode. Za to analogijo si zapomnite:

Voda = polnjenje

Tlak = napetost

Pretok = tok

Razmislite o rezervoarju za vodo na določeni višini nad tlemi. Na dnu rezervoarja je cev.

Torej je tok manjši v rezervoarju z večjim uporom.

3. korak: Električna energija:

Električna energija je prisotnost in tok električnega naboja. Njegova najbolj znana oblika je pretok elektronov skozi vodnike, kot so bakrene žice.

Električna energija je oblika energije, ki prihaja v pozitivni in negativni obliki, ki se pojavlja naravno (kot pri streli) ali se proizvaja (kot v generatorju). To je oblika energije, ki jo uporabljamo za napajanje strojev in električnih naprav. Ko se naboji ne premikajo, se elektrika imenuje statična elektrika. Ko se naboji premikajo, so električni tok, včasih imenovan tudi "dinamična elektrika". Strele so najbolj znana in nevarna vrsta elektrike v naravi, včasih pa statična elektrika povzroči, da se stvari držijo skupaj.

Električna energija je lahko nevarna, zlasti okoli vode, ker je voda oblika prevodnika. Od devetnajstega stoletja se elektrika uporablja v vseh delih našega življenja. Do takrat je bila to le zanimivost, ki so jo videli v nevihti.

Električno energijo lahko ustvarite, če magnet prehaja blizu kovinske žice. To je metoda, ki jo uporablja generator. Največji generatorji so v elektrarnah. Električno energijo lahko proizvedemo tudi s kombinacijo kemikalij v kozarcu z dvema različnima vrstama kovinskih palic. To je metoda, ki se uporablja v bateriji. Statična elektrika nastane zaradi trenja med dvema materialoma. Na primer volnena kapa in plastično ravnilo. Če jih drgnete skupaj, lahko nastane iskra. Električno energijo je mogoče ustvariti tudi z uporabo sončne energije, kot v fotovoltaičnih celicah.

Električna energija prihaja v domove po žicah od kraja, kjer se proizvaja. Uporabljajo ga električne svetilke, električni grelniki itd. Številni gospodinjski aparati, kot so pralni stroji in električni štedilniki, uporabljajo električno energijo. V tovarnah obstajajo stroji za električno energijo. Ljudje, ki se ukvarjajo z elektriko in električnimi napravami v naših domovih in tovarnah, se imenujejo "električarji".

Recimo zdaj, da imamo dva rezervoarja, vsak rezervoar s cevjo, ki prihaja od spodaj. Vsak rezervoar ima popolnoma enako količino vode, vendar je cev na enem rezervoarju ožja od cevi na drugem.

Na koncu obeh cevi izmerimo enako količino tlaka, toda ko voda začne teči, bo pretok vode v rezervoarju z ožjo cevjo manjši od pretoka vode v rezervoarju z širša cev. V električnem smislu je tok skozi ožjo cev manjši od toka skozi širšo cev. Če želimo, da je pretok enak skozi obe cevi, moramo povečati količino vode (polnjenje) v rezervoarju z ožjo cevjo.

4. korak: Električna odpornost in prevodnost

V hidravlični analogiji je tok, ki teče skozi žico (ali upor), podoben vodi, ki teče skozi cev, padec napetosti na žici pa kot padec tlaka, ki potiska vodo skozi cev. Prevodnost je sorazmerna s tem, koliko pretoka se pojavi pri danem tlaku, upor pa sorazmeren s tem, koliko pritiska je potrebno za dosego danega pretoka. (Prevodnost in upor sta vzajemna.)

Padec napetosti (tj. Razlika med napetostmi na eni strani upora in na drugi), ne napetost sama, zagotavlja gonilno silo, ki potiska tok skozi upor. V hidravliki je podobno: razlika v tlaku med dvema stranema cevi, ne sam tlak, določa pretok skozi njo. Na primer, lahko obstaja velik pritisk vode nad cevjo, ki poskuša potisniti vodo skozi cev. Lahko pa je pod cevjo enako velik vodni tlak, ki skuša potisniti vodo nazaj skozi cev. Če so ti tlaki enaki, voda ne teče. (Na desni sliki je tlak vode pod cevjo nič.)

Odpornost in prevodnost žice, upora ali drugega elementa večinoma določata dve lastnosti:

• geometrija (oblika) in
• material

Geometrija je pomembna, ker je težje potisniti vodo skozi dolgo, ozko cev kot široko, kratko cev. Na enak način ima dolga, tanka bakrena žica večji upor (manjšo prevodnost) kot kratka, debela bakrena žica.

Pomembni so tudi materiali. Cev, napolnjena z lasmi, omejuje pretok vode bolj kot čista cev enake oblike in velikosti. Podobno lahko elektroni prosto in enostavno tečejo skozi bakreno žico, ne morejo pa tako enostavno teči skozi jekleno žico enake oblike in velikosti in v bistvu sploh ne morejo teči skozi izolator, kot je guma, ne glede na njegovo obliko. Razlika med bakrom, jeklom in gumo je povezana z njihovo mikroskopsko strukturo in konfiguracijo elektronov in je količinsko opredeljena z lastnostjo, imenovano upornost.

Poleg geometrije in materiala obstajajo še drugi dejavniki, ki vplivajo na upornost in prevodnost.

Razume se, da skozi ozko cev ne moremo namestiti toliko volumna kot širša pri istem tlaku. To je odpor. Ozka cev se "upira" toku vode skozi njo, čeprav je voda pod istim tlakom kot rezervoar s širšo cevjo.

V električnem smislu to predstavljata dva vezja z enakimi napetostmi in različnimi upori. Vezje z večjim uporom bo omogočilo manjše polnjenje, kar pomeni, da skozi vezje z večjim uporom teče manj toka.

5. korak: Ohmov zakon:

Ohmov zakon pravi, da je tok skozi prevodnik med dvema točkama neposredno sorazmeren z napetostjo na obeh točkah. Z uvedbo konstante sorazmernosti, upora, pridemo do običajne matematične enačbe, ki opisuje to razmerje:

kjer je I tok skozi prevodnik v enotah amperov, V napetost, izmerjena na prevodniku v enotah voltov, R pa upornost prevodnika v enotah ohmov. Natančneje, Ohmov zakon pravi, da je R v tem razmerju konstanten, neodvisen od toka.

Zakon je dobil ime po nemškem fiziku Georgu Ohmu, ki je v razpravi, objavljeni leta 1827, opisal meritve uporabljene napetosti in toka skozi preprosta električna vezja, ki vsebujejo različne dolžine žice. Ohm je svoje eksperimentalne rezultate pojasnil z nekoliko bolj zapleteno enačbo kot zgornja sodobna oblika (glej Zgodovino).

V fiziki se izraz Ohmov zakon uporablja tudi za sklicevanje na različne posplošitve zakona, ki jih je prvotno oblikoval Ohm.