Pinge, vool, takistus ja oomi seadus: 5 sammu

2024 Autor: John Day | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2024-01-30 08:50

Kaetud selles õpetuses

Kuidas elektrilaeng on seotud pinge, voolu ja takistusega.

Mis on pinge, vool ja takistus.

Mis on Ohmi seadus ja kuidas seda kasutada elektri mõistmiseks.

Lihtne eksperiment nende mõistete demonstreerimiseks.

Samm: elektriline laadimine

Elektrilaeng on aine füüsiline omadus, mis paneb selle elektromagnetvälja paigutamisel jõudu kogema. Elektrilaenguid on kahte tüüpi: positiivsed ja negatiivsed (tavaliselt kannavad vastavalt prootonid ja elektronid). Nagu tasud tõrjuvad ja erinevalt meelitavad. Netomaksu puudumist nimetatakse neutraalseks. Objekt on negatiivselt laetud, kui sellel on liiga palju elektrone, ja muidu on see positiivselt laetud või laetud. SI -st tuletatud elektrilaengu ühik on kulon (C). Elektrotehnikas on tavaline kasutada ka ampertundi (Ah); samas kui keemias on tavaline kasutada elementaarlaengut (e) ühikuna. Sümbol Q tähistab sageli laengut. Varaseid teadmisi laetud ainete suhtlemise kohta nimetatakse nüüd klassikaliseks elektrodünaamikaks ja need on endiselt täpsed probleemide puhul, mis ei nõua kvantmõjude arvestamist.

Elektrilaeng on mõnede aatomite osakeste põhiline konserveeritud omadus, mis määrab nende elektromagnetilise koostoime. Elektriliselt laetud ainet mõjutavad või tekitavad elektromagnetväljad. Liikuva laengu ja elektromagnetvälja vastastikmõju on elektromagnetilise jõu allikas, mis on üks neljast põhijõust (vt ka: magnetväli).

Kahekümnenda sajandi katsed näitasid, et elektrilaeng on kvantiseeritud; see tähendab, et see on üksikute väikeste ühikute täisarvuline kordaja, mida nimetatakse elementaarlaenguks, e, ligikaudu võrdne 1,602 × 10−19 kulliga (välja arvatud osakesed, mida nimetatakse kvarkideks ja mille laengud on täisarvulised kordajad 1/3e). Prootoni laeng on +e ja elektroni laeng on −e. Laetud osakeste uurimist ja seda, kuidas nende vastasmõju footonid vahendavad, nimetatakse kvant -elektrodünaamikaks.

Samm: pinge

Pinge, elektrilise potentsiaali erinevus, elektriline rõhk või elektriline pinge (ametlikult tähistatud ∆V või ∆U, kuid sagedamini lihtsustatud kui V või U, näiteks Ohmi või Kirchhoffi ahela seaduste kontekstis) on elektrilise potentsiaalse energia erinevus kahe vahel punkti elektrilaengu ühiku kohta. Kahe punkti vaheline pinge on võrdne tööga, mis on tehtud laenguühiku kohta staatilise elektrivälja vastu, et testlaengut liigutada kahe punkti vahel. Seda mõõdetakse voltide ühikutes (džaul kuloni kohta).

Pinget võivad põhjustada staatilised elektriväljad, elektrivool magnetvälja kaudu, ajas muutuvad magnetväljad või nende kolme kombinatsioon. [1] [2] Voltmeetrit saab kasutada süsteemi kahe punkti vahelise pinge (või potentsiaalide erinevuse) mõõtmiseks; sageli kasutatakse ühe punktina ühist võrdluspotentsiaali, näiteks süsteemi maapinda. Pinge võib kujutada endast energiaallikat (elektromotoorjõudu) või kadunud, kasutatud või salvestatud energiat (potentsiaalne langus)

Pinge, voolu ja takistuse kirjeldamisel on tavaline analoog veepaak. Selles analoogias tähistab laengut veekogus, pinget vee rõhk ja voolu veevool. Nii et selle analoogia jaoks pidage meeles:

Vesi = laadimine

Rõhk = pinge

Vool = praegune

Mõelge veemahutile teatud kõrgusel maapinnast. Selle paagi põhjas on voolik.

Niisiis, suurema takistusega paagis on vool väiksem.

Samm: elekter?

Elekter on elektrilaengu olemasolu ja vool. Selle tuntuim vorm on elektronide voog läbi juhtide nagu vasktraadid.

Elekter on energia vorm, mis avaldub positiivses ja negatiivses vormis, mis esineb looduslikult (nagu välk) või toodetakse (nagu generaatoris). See on energiavorm, mida kasutame masinate ja elektriseadmete toiteks. Kui laengud ei liigu, nimetatakse elektrit staatiliseks. Kui laengud liiguvad, on need elektrivool, mida mõnikord nimetatakse ka dünaamiliseks elektrienergiaks. Välk on looduses kõige tuntum ja ohtlikum elektritüüp, kuid mõnikord põhjustab staatiline elekter asju kokku.

Elekter võib olla ohtlik, eriti vee ümbruses, kuna vesi on juhtiv vorm. Alates üheksateistkümnendast sajandist on elektrit kasutatud meie elu igas osas. Seni oli see vaid äikesetormis nähtud uudishimu.

Elektrit saab tekitada, kui magnet läheb metalltraadi lähedale. Seda meetodit kasutab generaator. Suurimad generaatorid on elektrijaamades. Elektrit saab toota ka kemikaalide ühendamisel purgis kahe erineva metallvardaga. Seda meetodit kasutatakse patareides. Staatiline elekter tekib kahe materjali vahelise hõõrdumise tõttu. Näiteks villakork ja plastikust joonlaud. Neid kokku hõõrudes võib tekkida säde. Elektrit saab toota ka päikeseenergia abil, nagu fotogalvaanilistes elementides.

Elekter jõuab kodudesse juhtmete kaudu selle tekitamise kohast. Seda kasutavad elektrilambid, elektrikerised jne. Paljud kodumasinad, näiteks pesumasinad ja elektripliidid, kasutavad elektrit. Tehastes on elektrimootorid. Inimesi, kes tegelevad elektri ja elektriseadmetega meie kodudes ja tehastes, nimetatakse "elektrikuteks".

Ütleme nüüd, et meil on kaks paaki, iga paak koos voolikuga, mis tuleb alt. Igas paagis on täpselt sama kogus vett, kuid ühe paagi voolik on kitsam kui teise voolik.

Mõõdame sama rõhku kummagi vooliku otsas, kuid kui vesi hakkab voolama, on kitsama voolikuga paagis oleva vee voolukiirus väiksem kui paagis oleva vee voolukiirus laiem voolik. Elektriliselt on kitsama vooliku kaudu vool väiksem kui vool läbi laiema vooliku. Kui tahame, et vool oleks mõlema vooliku kaudu sama, peame kitsama voolikuga suurendama paagi vee kogust (laadimist).

4. samm: elektriline takistus ja juhtivus

Hüdraulilise analoogia kohaselt on juhtmest (või takistusest) voolav vool nagu vesi, mis voolab läbi toru, ja pingelangus üle traadi on nagu rõhulang, mis surub vett läbi toru. Juhtivus on proportsionaalne vooluhulgaga antud rõhu korral ja takistus võrdeline sellega, kui palju rõhku on vaja antud voolu saavutamiseks. (Juhtivus ja takistus on vastastikused.)

Pingelangus (st pinge erinevus takisti ühel ja teisel küljel), mitte pinge ise, annab tõukejõu, mis surub voolu läbi takisti. Hüdraulikas on see sarnane: toru kahe külje rõhu erinevus, mitte rõhk ise, määrab läbi selle voolu. Näiteks võib toru kohal olla suur veesurve, mis üritab toru kaudu vett alla suruda. Kuid toru all võib olla sama suur veesurve, mis üritab toru kaudu vett tagasi üles suruda. Kui need rõhud on võrdsed, ei voola vett. (Parempoolsel pildil on vee rõhk toru all null.)

Traadi, takisti või muu elemendi takistus ja juhtivus määratakse enamasti kahe omaduse järgi:

• geomeetria (kuju) ja
• materjali

Geomeetria on oluline, sest vett on raske lükata läbi pika kitsa toru kui laia ja lühikest toru. Samamoodi on pikal õhukesel vasktraadil suurem takistus (madalam juhtivus) kui lühikesel paksul vasktraadil.

Materjalid on samuti olulised. Juustega täidetud toru piirab vee voolu rohkem kui sama kuju ja suurusega puhas toru. Samamoodi võivad elektronid vabalt ja hõlpsalt läbi vasktraadi voolata, kuid sama kuju ja suurusega terastraadist sama kergesti ning need ei saa sisuliselt üldse voolata läbi sellise isolaatori nagu kumm, olenemata selle kujust. Erinevus vase, terase ja kummi vahel on seotud nende mikroskoopilise struktuuri ja elektronide konfiguratsiooniga ning seda kvantifitseerib omadus, mida nimetatakse takistuseks.

Lisaks geomeetriale ja materjalile on mitmeid muid tegureid, mis mõjutavad takistust ja juhtivust.

On arusaadav, et me ei mahu kitsa toru kaudu sama palju mahtu kui laiem toru sama rõhu all. See on vastupanu. Kitsas toru "peab vastu" vee voolule läbi selle, kuigi vesi on sama rõhuga kui laiem toru.

Elektriliselt väljendatakse seda kahe ahelaga, millel on võrdne pinge ja erinev takistus. Suurema takistusega ahel võimaldab vähem laengut voolata, mis tähendab, et suurema takistusega vooluahelal voolab sellest vähem voolu.

Samm: Ohmi seadus?

Ohmi seadus ütleb, et kahe punkti vahelist juhti läbiv vool on otseselt võrdeline kahe punkti pingega. Proportsionaalsuse konstanti, vastupanu tutvustades jõuame tavalise matemaatilise võrrandini, mis kirjeldab seda suhet:

kus I on voolu läbi juhi amprites, V on pinge, mis on mõõdetud üle juhi voltide ühikutes, ja R on juhi takistus oomiühikutes. Täpsemalt öeldes ütleb Ohmi seadus, et R selles suhtes on konstantne, sõltumata voolust.

Seadus sai oma nime saksa füüsiku Georg Ohmi järgi, kes kirjeldas 1827. aastal avaldatud traktaadis rakendatud pinge ja voolu mõõtmisi lihtsate, erineva pikkusega traate sisaldavate elektriahelate kaudu. Ohm selgitas oma katsetulemusi veidi keerukama võrrandiga kui ülaltoodud moodne vorm (vt ajalugu).

Füüsikas kasutatakse mõistet Ohmi seadus ka erinevatele Ohmi algselt sõnastatud seaduse üldistustele.