Napätie, prúd, odpor a Ohmov zákon: 5 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 12:01

Zahrnuté v tomto návode

Ako elektrický náboj súvisí s napätím, prúdom a odporom.

Aké je napätie, prúd a odpor.

Čo je to Ohmov zákon a ako ho použiť na pochopenie elektriny.

Jednoduchý experiment na demonštráciu týchto konceptov.

Krok 1: Elektrické nabíjanie

Elektrický náboj je fyzikálna vlastnosť hmoty, ktorá spôsobuje, že po umiestnení do elektromagnetického poľa pocíti silu. Existujú dva typy elektrických nábojov: pozitívne a negatívne (bežne prenášané protónmi a elektrónmi). Rovnako ako poplatky odpudzujú a na rozdiel od lákajú. Absencia čistého poplatku sa označuje ako neutrálna. Objekt je záporne nabitý, ak má prebytok elektrónov, a inak je kladne nabitý alebo nenabitý. Jednotkou elektrického náboja odvodenou od SI je coulomb (C). V elektrotechnike je tiež bežné používať ampérhodiny (Ah); zatiaľ čo v chémii je bežné používať elementárny náboj (e) ako jednotku. Symbol Q často označuje náboj. Počiatočné znalosti o tom, ako nabité látky interagujú, sa teraz nazývajú klasická elektrodynamika a stále sú presné v prípade problémov, ktoré nevyžadujú zváženie kvantových efektov.

Elektrický náboj je základnou zachovanou vlastnosťou niektorých subatomárnych častíc, ktorá určuje ich elektromagnetickú interakciu. Elektricky nabitá hmota je ovplyvnená elektromagnetickými poľami alebo ich vytvára. Interakcia medzi pohybujúcim sa nábojom a elektromagnetickým poľom je zdrojom elektromagnetickej sily, ktorá je jednou zo štyroch základných síl (Pozri tiež: magnetické pole).

Experimenty dvadsiateho storočia ukázali, že elektrický náboj je kvantovaný; to znamená, že prichádza v celočíselných násobkoch jednotlivých malých jednotiek nazývaných elementárny náboj, e, približne rovnakých ako 1,602 × 10–19 coulombov (okrem častíc nazývaných kvarky, ktoré majú náboje celočíselné násobky 1/3e). Protón má náboj +e a elektrón má náboj −e. Štúdium nabitých častíc a spôsob, akým sú ich interakcie sprostredkované fotónmi, sa nazýva kvantová elektrodynamika.

Krok 2: Napätie

Rozdiel v energii elektrického potenciálu medzi dvoma je napätie, rozdiel elektrického potenciálu, elektrický tlak alebo elektrické napätie (formálne označované ako ∆V alebo ∆U, ale častejšie zjednodušene ako V alebo U, napríklad v kontexte Ohmových alebo Kirchhoffových obvodových zákonov) bodov za jednotku elektrického náboja. Napätie medzi dvoma bodmi sa rovná práci vykonanej na jednotku náboja proti statickému elektrickému poľu na pohyb testovacieho náboja medzi dvoma bodmi. Toto sa meria v jednotkách voltov (joule na coulomb).

Napätie môže byť spôsobené statickými elektrickými poľami, elektrickým prúdom cez magnetické pole, časovo sa meniacimi magnetickými poľami alebo kombináciou týchto troch. [1] [2] Na meranie napätia (alebo rozdielu potenciálov) medzi dvoma bodmi v systéme je možné použiť voltmetr; často sa ako jeden z bodov používa spoločný referenčný potenciál, ako je základ systému. Napätie môže predstavovať buď zdroj energie (elektromotorická sila), alebo stratenú, použitú alebo uloženú energiu (potenciálny pokles)

Pri opise napätia, prúdu a odporu je bežnou analógiou vodná nádrž. V tejto analógii je náboj reprezentovaný množstvom vody, napätie je reprezentované tlakom vody a prúd je reprezentovaný prietokom vody. Pre túto analógiu si teda zapamätajte:

Voda = Nabitie

Tlak = napätie

Tok = prúd

Uvažujte o vodnej nádrži v určitej výške nad zemou. Na dne tejto nádrže je hadica.

Prúd je teda v nádrži nižší s vyšším odporom.

Krok 3: Elektrina ：

Elektrická energia je prítomnosť a tok elektrického náboja. Jeho najznámejšou formou je tok elektrónov cez vodiče, ako sú medené drôty.

Elektrická energia je forma energie, ktorá prichádza v pozitívnych a negatívnych formách, ktorá sa vyskytuje prirodzene (ako blesk) alebo sa vyrába (ako v generátore). Je to forma energie, ktorú používame na pohon strojov a elektrických zariadení. Keď sa náboje nepohybujú, elektrina sa nazýva statická elektrina. Keď sa náboje pohybujú, ide o elektrický prúd, ktorý sa niekedy nazýva aj „dynamická elektrina“. Blesk je najznámejším a najnebezpečnejším druhom elektriny v prírode, ale niekedy statická elektrina spôsobuje, že veci držia spolu.

Elektrická energia môže byť nebezpečná, najmä okolo vody, pretože voda je forma vodiča. Od devätnásteho storočia sa elektrina používa v každej časti nášho života. Do tej doby to bola len kuriozita videná v búrke.

Elektrinu je možné vytvoriť, ak magnet prechádza blízko kovového drôtu. Túto metódu používa generátor. Najväčšie generátory sú v elektrárňach. Elektrinu je možné vyrábať aj kombináciou chemikálií v nádobe s dvoma rôznymi druhmi kovových tyčí. Toto je metóda používaná v batérii. Statická elektrina vzniká trením medzi dvoma materiálmi. Napríklad vlnená čiapka a plastové pravítko. Vmasírujte ich, môže to spôsobiť iskru. Elektrinu je možné vytvárať aj pomocou slnečnej energie ako vo fotovoltaických článkoch.

Elektrická energia prichádza do domov prostredníctvom drôtov z miesta, kde sa vyrába. Používajú ho elektrické žiarovky, elektrické ohrievače atď. Mnoho domácich spotrebičov, ako sú práčky a elektrické sporáky, používa elektrinu. V továrňach existujú stroje na výrobu elektrickej energie. Ľudia, ktorí sa zaoberajú elektrickou energiou a elektrickými zariadeniami v našich domácnostiach a továrňach, sa nazývajú „elektrikári“.

Teraz povedzme, že máme dve nádrže, každá nádrž s hadicou vychádzajúcou zo dna. Každá nádrž má presne rovnaké množstvo vody, ale hadica na jednej nádrži je užšia ako hadica na druhej.

Na konci obidvoch hadíc meriame rovnaké množstvo tlaku, ale keď voda začne tiecť, prietok vody v nádrži s užšou hadicou bude menší ako prietok vody v nádrži s širšia hadica. Z elektrického hľadiska je prúd cez užšiu hadicu menší ako prúd cez širšiu hadicu. Ak chceme, aby bol prietok cez obe hadice rovnaký, musíme užšou hadicou zvýšiť množstvo vody (náplne) v nádrži.

Krok 4: Elektrický odpor a vodivosť

V hydraulickej analógii je prúd pretekajúci drôtom (alebo odporom) ako voda pretekajúca potrubím a pokles napätia na drôte je ako pokles tlaku, ktorý tlačí vodu potrubím. Vodivosť je úmerná množstvu prietoku pre daný tlak a odpor je úmerný tomu, aký tlak je potrebný na dosiahnutie daného prietoku. (Vodivosť a odpor sú recipročné.)

Pokles napätia (t.j. rozdiel medzi napätím na jednej strane rezistora a na druhej strane), nie samotné napätie, poskytuje hnaciu silu tlačiacu prúd cez odpor. V hydraulike je to podobné: Prietok cez ňu určuje tlakový rozdiel medzi dvoma stranami potrubia, nie samotný tlak. Nad potrubím môže byť napríklad veľký tlak vody, ktorý sa snaží tlačiť vodu potrubím nadol. Ale pod potrubím môže byť rovnako veľký tlak vody, ktorý sa snaží tlačiť vodu späť potrubím. Ak sú tieto tlaky rovnaké, netečie žiadna voda. (Na obrázku vpravo je tlak vody pod potrubím nulový.)

Odpor a vodivosť drôtu, odporu alebo iného prvku sú väčšinou určené dvoma vlastnosťami:

• geometria (tvar), a
• materiál

Geometria je dôležitá, pretože je ťažšie pretlačiť vodu dlhým, úzkym potrubím ako širokým, krátkym potrubím. Rovnakým spôsobom má dlhý tenký medený drôt vyšší odpor (nižšiu vodivosť) ako krátky hrubý medený drôt.

Dôležitý je aj materiál. Fajka naplnená vlasmi obmedzuje tok vody viac ako čistá rúrka rovnakého tvaru a veľkosti. Podobne môžu elektróny voľne a ľahko prúdiť medeným drôtom, ale nemôžu tak ľahko prúdiť oceľovým drôtom rovnakého tvaru a veľkosti a v zásade nemôžu vôbec prúdiť cez izolátor ako guma, bez ohľadu na jeho tvar. Rozdiel medzi meďou, oceľou a gumou súvisí s ich mikroskopickou štruktúrou a konfiguráciou elektrónov a je kvantifikovaný vlastnosťou nazývanou odpor.

Okrem geometrie a materiálu existujú rôzne ďalšie faktory, ktoré ovplyvňujú odpor a vodivosť.

Je logické, že sa nám pri rovnakom tlaku nezmestí toľko objemu ako úzke potrubie. Toto je odpor. Úzka rúrka „odoláva“prietoku vody cez ňu, aj keď je voda v rovnakom tlaku ako nádrž so širším potrubím.

Z elektrického hľadiska to predstavujú dva obvody s rovnakým napätím a rôznym odporom. Obvod s vyšším odporom umožní prúdenie menšieho náboja, čo znamená, že obvod s vyšším odporom preteká menším prúdom.

Krok 5: Ohmov zákon ：

Ohmov zákon uvádza, že prúd cez vodič medzi dvoma bodmi je priamo úmerný napätiu v týchto dvoch bodoch. Zavedením konštanty proporcionality, odporu, dospejeme k obvyklej matematickej rovnici, ktorá popisuje tento vzťah:

kde I je prúd cez vodič v jednotkách ampérov, V je napätie merané na vodiči v jednotkách voltov a R je odpor vodiča v jednotkách ohmov. Konkrétnejšie, Ohmov zákon uvádza, že R v tomto vzťahu je konštantná, nezávislá na prúde.

Zákon bol pomenovaný po nemeckom fyzikovi Georgovi Ohmovi, ktorý v pojednaní publikovanom v roku 1827 popísal merania aplikovaného napätia a prúdu cez jednoduché elektrické obvody obsahujúce drôty rôznych dĺžok. Ohm vysvetlil svoje experimentálne výsledky o niečo zložitejšou rovnicou ako moderná forma vyššie (pozri História).

Vo fyzike sa termín Ohmov zákon používa aj na označenie rôznych zovšeobecnení zákona, ktorý pôvodne sformuloval Ohm.