Spenning, strøm, motstand og Ohms lov: 5 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:25

Dekket i denne opplæringen

Hvordan elektrisk ladning forholder seg til spenning, strøm og motstand.

Hva spenning, strøm og motstand er.

Hva Ohms lov er og hvordan du bruker den til å forstå elektrisitet.

Et enkelt eksperiment for å demonstrere disse konseptene.

Trinn 1: Elektrisk lading

Elektrisk ladning er materiens fysiske egenskap som får den til å oppleve en kraft når den plasseres i et elektromagnetisk felt. Det er to typer elektriske ladninger: positive og negative (vanligvis båret av henholdsvis protoner og elektroner). Som avgifter frastøter og i motsetning til tiltrekning. Fravær av netto gebyr kalles nøytral. Et objekt er negativt ladet hvis det har et overskudd av elektroner, og er ellers positivt ladet eller uladet. Den SI -avledede enheten for elektrisk ladning er coulomb (C). I elektroteknikk er det også vanlig å bruke ampere-timen (Ah); mens det er kjemi, er det vanlig å bruke elementær ladning (e) som en enhet. Symbolet Q betegner ofte ladning. Tidlig kunnskap om hvordan ladede stoffer samhandler kalles nå klassisk elektrodynamikk, og er fremdeles nøyaktig for problemer som ikke krever hensyn til kvanteeffekter.

Den elektriske ladningen er en grunnleggende bevarte egenskap for noen subatomære partikler, som bestemmer deres elektromagnetiske interaksjon. Elektrisk ladet materie påvirkes av eller produserer elektromagnetiske felt. Samspillet mellom en ladning i bevegelse og et elektromagnetisk felt er kilden til den elektromagnetiske kraften, som er en av de fire grunnleggende kreftene (Se også: magnetfelt).

Eksperimenter fra det tjuende århundre viste at elektrisk ladning er kvantisert; det vil si at den kommer i heltallsmultipler av individuelle små enheter som kalles elementær ladning, e, omtrent lik 1,602 × 10−19 coulombs (bortsett fra partikler som kalles kvarker, som har ladninger som er heltallsmultipler av 1/3e). Protonen har en ladning på +e, og elektronet har en ladning på −e. Studiet av ladede partikler, og hvordan deres interaksjoner medieres av fotoner, kalles kvanteelektrodynamikk.

Trinn 2: Spenning:

Spenning, elektrisk potensialforskjell, elektrisk trykk eller elektrisk spenning (formelt betegnet ∆V eller ∆U, men oftere forenklet som V eller U, for eksempel i sammenheng med Ohms eller Kirchhoffs kretslover) er forskjellen i elektrisk potensiell energi mellom to poeng per enhet elektrisk ladning. Spenningen mellom to punkter er lik arbeidet utført per ladningsenhet mot et statisk elektrisk felt for å flytte testladningen mellom to punkter. Dette måles i enheter av volt (en joule per coulomb).

Spenning kan skyldes statiske elektriske felt, av elektrisk strøm gjennom et magnetfelt, av tidsvarierende magnetfelt, eller en kombinasjon av disse tre. [1] [2] Et voltmeter kan brukes til å måle spenningen (eller potensialforskjellen) mellom to punkter i et system; ofte brukes et felles referansepotensial som grunnen til systemet som et av punktene. En spenning kan representere enten en energikilde (elektromotorisk kraft) eller tapt, brukt eller lagret energi (potensielt fall)

Når du beskriver spenning, strøm og motstand, er en vanlig analogi en vanntank. I denne analogien representeres ladning av vannmengden, spenning representeres av vanntrykket, og strøm representeres av vannstrømmen. Så for denne analogien, husk:

Vann = Lading

Trykk = spenning

Flyt = Strøm

Tenk på en vanntank i en viss høyde over bakken. På bunnen av denne tanken er det en slange.

Så strømmen er lavere i tanken med høyere motstand.

Trinn 3: Elektrisitet:

Elektrisitet er tilstedeværelse og strøm av elektrisk ladning. Den mest kjente formen er strømmen av elektroner gjennom ledere som kobbertråder.

Elektrisitet er en energiform som kommer i positive og negative former, som forekommer naturlig (som i lyn), eller som produseres (som i generator). Det er en form for energi som vi bruker til å drive maskiner og elektriske enheter. Når ladningene ikke beveger seg, kalles elektrisitet statisk elektrisitet. Når ladningene beveger seg er de en elektrisk strøm, noen ganger kalt 'dynamisk elektrisitet'. Lyn er den mest kjente og farlige typen elektrisitet i naturen, men noen ganger får statisk elektrisitet ting til å henge sammen.

Elektrisitet kan være farlig, spesielt rundt vann fordi vann er en form for leder. Siden det nittende århundre har elektrisitet blitt brukt i alle deler av våre liv. Inntil da var det bare en kuriositet sett i tordenvær.

Elektrisitet kan opprettes hvis en magnet passerer nær en metalltråd. Dette er metoden som brukes av en generator. De største generatorene er i kraftstasjoner. Elektrisitet kan også genereres ved å kombinere kjemikalier i en krukke med to forskjellige typer metallstenger. Dette er metoden som brukes i et batteri. Statisk elektrisitet dannes gjennom friksjonen mellom to materialer. For eksempel en ullhette og en linjal i plast. Gni dem sammen kan skape en gnist. Elektrisitet kan også skapes ved hjelp av energi fra solen som i solceller.

Elektrisitet kommer til hjem gjennom ledninger fra stedet der den genereres. Den brukes av elektriske lamper, elektriske ovner osv. Mange husholdningsapparater som vaskemaskiner og elektriske komfyrer bruker strøm. På fabrikker er det strømkraftmaskiner. Folk som arbeider med elektrisitet og elektriske apparater i våre hjem og fabrikker kalles "elektrikere".

La oss si nå at vi har to tanker, hver tank med en slange kommer fra bunnen. Hver tank har nøyaktig samme mengde vann, men slangen på den ene tanken er smalere enn slangen på den andre.

Vi måler det samme trykket i enden av hver slange, men når vannet begynner å strømme, vil strømningshastigheten til vannet i tanken med den smalere slangen være mindre enn strømningshastigheten til vannet i tanken med bredere slange. Elektrisk sett er strømmen gjennom den smalere slangen mindre enn strømmen gjennom den bredere slangen. Hvis vi vil at strømningen skal være den samme gjennom begge slangene, må vi øke mengden vann (ladning) i tanken med den smalere slangen.

Trinn 4: Elektrisk motstand og konduktans

I den hydrauliske analogien er strøm som strømmer gjennom en ledning (eller motstand) som vann som strømmer gjennom et rør, og spenningsfallet over ledningen er som trykkfallet som skyver vann gjennom røret. Konduktans er proporsjonal med hvor mye strøm som oppstår for et gitt trykk, og motstand er proporsjonal med hvor mye trykk som kreves for å oppnå en gitt strømning. (Konduktans og motstand er gjensidige.)

Spenningsfallet (dvs. forskjellen mellom spenninger på den ene siden av motstanden og den andre), ikke selve spenningen, gir drivkraften som skyver strøm gjennom en motstand. I hydraulikk er det likt: Trykkforskjellen mellom to sider av et rør, ikke trykket i seg selv, bestemmer strømmen gjennom det. For eksempel kan det være et stort vanntrykk over røret, som prøver å presse vann ned gjennom røret. Men det kan være et like stort vanntrykk under røret, som prøver å skyve vann tilbake gjennom røret. Hvis disse trykkene er like, renner det ikke vann. (På bildet til høyre er vanntrykket under røret null.)

Motstanden og konduktansen til en ledning, motstand eller et annet element bestemmes for det meste av to egenskaper:

• geometri (form), og
• materiale

Geometri er viktig fordi det er vanskeligere å presse vann gjennom et langt, smalt rør enn et bredt, kort rør. På samme måte har en lang, tynn kobbertråd høyere motstand (lavere konduktans) enn en kort, tykk kobbertråd.

Materialer er også viktige. Et rør fylt med hår begrenser vannstrømmen mer enn et rent rør av samme form og størrelse. På samme måte kan elektroner flyte fritt og enkelt gjennom en kobbertråd, men kan ikke flyte like lett gjennom en ståltråd med samme form og størrelse, og de kan i det hele tatt ikke strømme gjennom en isolator som gummi, uavhengig av formen. Forskjellen mellom kobber, stål og gummi er relatert til deres mikroskopiske struktur og elektronkonfigurasjon, og er kvantifisert av en egenskap som kalles resistivitet.

I tillegg til geometri og materiale, er det forskjellige andre faktorer som påvirker motstand og konduktans.

Det er åpenbart at vi ikke kan passe så mye volum gjennom et smalt rør enn et bredere ved samme trykk. Dette er motstand. Det smale røret "motstår" vannstrømmen gjennom det, selv om vannet har samme trykk som tanken med det bredere røret.

Elektrisk er dette representert av to kretser med like spenninger og forskjellige motstander. Kretsen med høyere motstand vil tillate mindre ladning å strømme, noe som betyr at kretsen med høyere motstand har mindre strøm som strømmer gjennom den.

Trinn 5: Ohms lov:

Ohms lov sier at strømmen gjennom en leder mellom to punkter er direkte proporsjonal med spenningen over de to punktene. Ved å introdusere proporsjonalitetskonstanten, motstanden, kommer man til den vanlige matematiske ligningen som beskriver dette forholdet:

der I er strømmen gjennom lederen i ampereenheter, V er spenningen målt over lederen i volt, og R er lederens motstand i ohm. Nærmere bestemt sier Ohms lov at R i dette forholdet er konstant, uavhengig av strømmen.

Loven ble oppkalt etter den tyske fysikeren Georg Ohm, som i en avhandling publisert i 1827 beskrev målinger av påført spenning og strøm gjennom enkle elektriske kretser som inneholdt forskjellige trådlengder. Ohm forklarte sine eksperimentelle resultater med en litt mer kompleks ligning enn den moderne formen ovenfor (se Historie).

I fysikken brukes begrepet Ohms lov også for å referere til forskjellige generaliseringer av loven som opprinnelig ble formulert av Ohm.