Spanning, stroom, weerstand en Ohm se wet: 5 stappe

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:28

Gedek in hierdie handleiding

Hoe elektriese lading verband hou met spanning, stroom en weerstand.

Wat spanning, stroom en weerstand is.

Wat Ohm se wet is en hoe om dit te gebruik om elektrisiteit te verstaan.

'N Eenvoudige eksperiment om hierdie konsepte te demonstreer.

Stap 1: Elektriese lading

Elektriese lading is die fisiese eienskap van materie wat veroorsaak dat dit 'n krag ervaar wanneer dit in 'n elektromagnetiese veld geplaas word. Daar is twee tipes elektriese ladings: positief en negatief (gewoonlik deur protone en elektrone gedra). Soos aanklagte stoot af en anders as aantrek. 'N Afwesigheid van netto heffing word neutraal genoem. 'N Voorwerp is negatief gelaai as dit 'n oormaat elektrone het, en andersins positief gelaai of ongelaai. Die SI afgeleide eenheid van elektriese lading is die coulomb (C). In elektriese ingenieurswese is dit ook algemeen om die ampère-uur (Ah) te gebruik; in die chemie is dit algemeen om die elementêre lading (e) as 'n eenheid te gebruik. Die simbool Q dui dikwels lading aan. Vroeë kennis van hoe interaksies tussen gelaaide stowwe genoem word, word nou klassieke elektrodinamika genoem, en is steeds akkuraat vir probleme wat nie kwantumeffekte in ag moet neem nie.

Die elektriese lading is 'n fundamentele bewaarde eienskap van sommige subatomiese deeltjies, wat hul elektromagnetiese interaksie bepaal. Elektries gelaaide materiaal word beïnvloed deur of produseer elektromagnetiese velde. Die interaksie tussen 'n bewegende lading en 'n elektromagnetiese veld is die bron van die elektromagnetiese krag, wat een van die vier fundamentele kragte is (sien ook: magnetiese veld).

Eksperimente uit die twintigste eeu het getoon dat elektriese lading gekwantifiseer is; dit wil sê, dit kom in heelgetalle veelvoude van individuele klein eenhede genaamd die elementêre lading, e, ongeveer gelyk aan 1.602 × 10−19 coulombs (behalwe deeltjies wat kwarke genoem word, met ladings wat heelgetalle veelvoude van 1/3e is). Die proton het 'n lading van +e, en die elektron het 'n lading van −e. Die studie van gelaaide deeltjies, en hoe hul interaksies deur fotone bemiddel word, word kwantumelektrodinamika genoem.

Stap 2: Spanning:

Spanning, elektriese potensiaalverskil, elektriese druk of elektriese spanning (formeel aangedui ∆V of ∆U, maar meer dikwels vereenvoudig as V of U, byvoorbeeld in die konteks van Ohm of Kirchhoff se kringwette) is die verskil in elektriese potensiële energie tussen twee punte per eenheid elektriese lading. Die spanning tussen twee punte is gelyk aan die werk verrig per ladingseenheid teen 'n statiese elektriese veld om die toetslading tussen twee punte te beweeg. Dit word gemeet in eenhede volt (a joule per coulomb).

Spanning kan veroorsaak word deur statiese elektriese velde, deur elektriese stroom deur 'n magnetiese veld, deur tyd-variërende magnetiese velde, of 'n kombinasie van hierdie drie. [1] [2] 'N Voltmeter kan gebruik word om die spanning (of potensiaalverskil) tussen twee punte in 'n stelsel te meet; dikwels word 'n algemene verwysingspotensiaal soos die grond van die stelsel as een van die punte gebruik. 'N Spanning kan 'n bron van energie (elektromotoriese krag) of verlore, gebruikte of gestoorde energie (potensiële val) verteenwoordig.

By die beskrywing van spanning, stroom en weerstand, is 'n algemene analogie 'n watertenk. In hierdie analogie word lading voorgestel deur die hoeveelheid water, spanning word deur die waterdruk voorgestel, en die stroom word deur die watervloei voorgestel. Onthou dus vir hierdie analogie:

Water = heffing

Druk = spanning

Vloei = Stroom

Beskou 'n watertenk op 'n sekere hoogte bo die grond. Aan die onderkant van hierdie tenk is daar 'n slang.

Die stroom is dus laer in die tenk met 'n hoër weerstand.

Stap 3: Elektrisiteit:

Elektrisiteit is die teenwoordigheid en vloei van elektriese lading. Die bekendste vorm daarvan is die vloei van elektrone deur geleiers soos koperdrade.

Elektrisiteit is 'n vorm van energie wat in positiewe en negatiewe vorme voorkom, wat natuurlik voorkom (soos in weerlig), of geproduseer word (soos in kragopwekker). Dit is 'n vorm van energie wat ons gebruik om masjiene en elektriese toestelle aan te dryf. As die heffings nie beweeg nie, word elektrisiteit statiese elektrisiteit genoem. As die ladings beweeg, is dit 'n elektriese stroom, soms 'dinamiese elektrisiteit' genoem. Weerlig is die bekendste en gevaarlikste soort elektrisiteit in die natuur, maar soms veroorsaak statiese elektrisiteit dat dinge bymekaar bly.

Elektrisiteit kan gevaarlik wees, veral rondom water omdat water 'n geleiervorm is. Sedert die negentiende eeu word elektrisiteit in elke deel van ons lewens gebruik. Tot dan was dit net 'n nuuskierigheid in 'n donderstorm.

Elektrisiteit kan geskep word as 'n magneet naby 'n metaaldraad gaan. Dit is die metode wat deur 'n kragopwekker gebruik word. Die grootste kragopwekkers is in kragstasies. Elektrisiteit kan ook opgewek word deur chemikalieë in 'n pot met twee verskillende soorte metaalstawe te kombineer. Dit is die metode wat in 'n battery gebruik word. Statiese elektrisiteit word gevorm deur die wrywing tussen twee materiale. Byvoorbeeld, 'n wolpet en 'n plastiese liniaal. Vryf dit saam, dit kan 'n vonk veroorsaak. Elektrisiteit kan ook geskep word met behulp van energie uit die son, soos in fotovoltaïese selle.

Elektrisiteit kom deur die drade van die plek waar dit opgewek word, na huise. Dit word gebruik deur elektriese lampe, elektriese verwarmers, ens. Baie huishoudelike toestelle, soos wasmasjiene en elektriese fornuise, gebruik elektrisiteit. In fabrieke is daar masjiene vir elektrisiteit. Mense wat elektrisiteit en elektriese toestelle in ons huise en fabrieke hanteer, word 'elektrisiëns' genoem.

Kom ons sê nou dat ons twee tenks het, elke tenk met 'n slang wat van onder af kom. Elke tenk het presies dieselfde hoeveelheid water, maar die slang op die een tenk is smaller as die ander op die ander.

Ons meet dieselfde hoeveelheid druk aan die einde van een van die slange, maar as die water begin vloei, is die vloeitempo van die water in die tenk met die smaller slang laer as die vloeitempo van die water in die tenk. wyer slang. Elektries is die stroom deur die nouer slang minder as die stroom deur die breër slang. As ons wil hê dat die vloei deur beide slange dieselfde moet wees, moet ons die hoeveelheid water (lading) in die tenk verhoog met die smaller slang.

Stap 4: Elektriese weerstand en konduktansie

In die hidrouliese analogie is stroom wat deur 'n draad (of weerstand) vloei, soos water wat deur 'n pyp vloei, en die spanningsval oor die draad is soos die drukval wat water deur die pyp druk. Geleiding is eweredig aan hoeveel vloei vir 'n gegewe druk plaasvind, en weerstand is eweredig aan hoeveel druk nodig is om 'n gegewe vloei te bereik. (Gedrag en weerstand is wederkerig.)

Die spanningsval (dws die verskil tussen spannings aan die een kant van die weerstand en die ander kant), nie die spanning self nie, verskaf die dryfkrag wat stroom deur 'n weerstand druk. In hidroulika is dit soortgelyk: Die drukverskil tussen twee kante van 'n pyp, nie die druk self nie, bepaal die vloei daardeur. Daar kan byvoorbeeld 'n groot waterdruk bo die pyp wees, wat probeer om water deur die pyp af te druk. Maar daar kan 'n ewe groot waterdruk onder die pyp wees, wat water deur die pyp probeer terugstoot. As hierdie druk gelyk is, vloei geen water nie. (In die prentjie regs is die waterdruk onder die pyp nul.)

Die weerstand en geleiding van 'n draad, weerstand of ander element word meestal bepaal deur twee eienskappe:

• meetkunde (vorm), en
• materiaal

Meetkunde is belangrik omdat dit moeiliker is om water deur 'n lang, smal pyp te druk as 'n breë, kort pyp. Op dieselfde manier het 'n lang, dun koperdraad hoër weerstand (laer geleiding) as 'n kort, dik koperdraad.

Materiaal is ook belangrik. 'N Pyp vol hare beperk die vloei van water meer as 'n skoon pyp van dieselfde vorm en grootte. Net so kan elektrone vry en maklik deur 'n koperdraad vloei, maar kan nie so maklik deur 'n staaldraad met dieselfde vorm en grootte vloei nie, en hulle kan in wese glad nie deur 'n isolator soos rubber vloei nie, ongeag die vorm daarvan. Die verskil tussen koper, staal en rubber hou verband met hul mikroskopiese struktuur en elektronkonfigurasie, en word gekwantifiseer deur 'n eienskap wat weerstandigheid genoem word.

Benewens meetkunde en materiaal, is daar ook ander faktore wat weerstand en geleiding beïnvloed.

Dit is duidelik dat ons nie soveel volume deur 'n smal pyp kan plaas as 'n groter pyp met dieselfde druk nie. Dit is weerstand. Die smal pyp "weerstaan" die vloei van water daardeur, alhoewel die water onder dieselfde druk is as die tenk met die breër pyp.

In elektriese terme word dit voorgestel deur twee stroombane met gelyke spannings en verskillende weerstande. Die stroombaan met die hoër weerstand laat minder lading vloei, wat beteken dat die stroombaan met 'n hoër weerstand minder stroom daardeur vloei.

Stap 5: Ohm se wet:

Ohm se wet bepaal dat die stroom deur 'n geleier tussen twee punte direk eweredig is aan die spanning oor die twee punte. Met die konstante proporsionaliteit, die weerstand, kom ons by die gewone wiskundige vergelyking wat hierdie verhouding beskryf:

waar I die stroom deur die geleier is in ampereenhede, V is die spanning wat oor die geleier gemeet word in volt -eenhede, en R is die weerstand van die geleier in eenhede ohm. Meer spesifiek bepaal Ohm se wet dat die R in hierdie verhouding konstant is, onafhanklik van die stroom.

Die wet is vernoem na die Duitse fisikus Georg Ohm, wat in 'n verhandeling wat in 1827 gepubliseer is, metings van toegepaste spanning en stroom beskryf deur eenvoudige elektriese stroombane wat verskillende lengtes draad bevat. Ohm verduidelik sy eksperimentele resultate deur 'n effens meer komplekse vergelyking as die moderne vorm hierbo (sien Geskiedenis).

In die fisika word die term Ohm se wet ook gebruik om te verwys na verskillende veralgemenings van die wet wat oorspronklik deur Ohm geformuleer is.