Napětí, proud, odpor a Ohmův zákon: 5 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:24

Zahrnuto v tomto tutoriálu

Jak elektrický náboj souvisí s napětím, proudem a odporem.

Jaké jsou napětí, proud a odpor.

Co je to Ohmův zákon a jak jej použít k pochopení elektřiny.

Jednoduchý experiment k demonstraci těchto konceptů.

Krok 1: Elektrické nabíjení

Elektrický náboj je fyzikální vlastností hmoty, která způsobuje, že při umístění do elektromagnetického pole zažije sílu. Existují dva typy elektrických nábojů: kladné a záporné (běžně přenášené protony a elektrony). Stejně jako náboje odpuzují a na rozdíl od přitahují. Absence čistého náboje se označuje jako neutrální. Předmět je záporně nabitý, pokud má přebytek elektronů, a jinak je kladně nabitý nebo nenabitý. Jednotkou elektrického náboje odvozenou od SI je coulomb (C). V elektrotechnice je také běžné používat ampérhodinu (Ah); zatímco v chemii je běžné používat elementární náboj (e) jako jednotku. Symbol Q často označuje náboj. Počáteční znalosti o tom, jak nabité látky interagují, se nyní nazývají klasická elektrodynamika a jsou stále přesné pro problémy, které nevyžadují zvážení kvantových efektů.

Elektrický náboj je základní zachovanou vlastností některých subatomárních částic, která určuje jejich elektromagnetickou interakci. Elektricky nabitá hmota je ovlivňována nebo vytváří elektromagnetická pole. Interakce mezi pohybujícím se nábojem a elektromagnetickým polem je zdrojem elektromagnetické síly, která je jednou ze čtyř základních sil (Viz také: magnetické pole).

Experimenty dvacátého století prokázaly, že elektrický náboj je kvantován; to znamená, že přichází v celočíselných násobcích jednotlivých malých jednotek nazývaných elementární náboj, e, přibližně stejný jako 1,602 × 10−19 coulombů (kromě částic nazývaných kvarky, které mají náboje, které jsou celočíselnými násobky 1/3e). Proton má náboj +e a elektron má náboj −e. Studium nabitých částic a způsob, jakým jsou jejich interakce zprostředkovány fotony, se nazývá kvantová elektrodynamika.

Krok 2: Napětí ：

Napětí, rozdíl elektrického potenciálu, elektrický tlak nebo elektrické napětí (formálně označované ∆V nebo ∆U, ale častěji zjednodušené jako V nebo U, například v kontextu Ohmových nebo Kirchhoffových obvodových zákonů) je rozdíl v energii elektrického potenciálu mezi dvěma bodů za jednotku elektrického náboje. Napětí mezi dvěma body se rovná práci provedené na jednotku náboje proti statickému elektrickému poli pro přesun zkušebního náboje mezi dva body. To se měří v jednotkách voltů (joule na coulomb).

Napětí může být způsobeno statickými elektrickými poli, elektrickým proudem magnetickým polem, časově proměnnými magnetickými poli nebo nějakou kombinací těchto tří. [1] [2] Voltmetr lze použít k měření napětí (nebo rozdílu potenciálu) mezi dvěma body v systému; jako jeden z bodů je často používán společný referenční potenciál, jako je základ systému. Napětí může představovat buď zdroj energie (elektromotorická síla), nebo ztracenou, použitou nebo uloženou energii (potenciální pokles)

Při popisu napětí, proudu a odporu je běžnou analogií vodní nádrž. V této analogii je náboj reprezentován množstvím vody, napětí je reprezentováno tlakem vody a proud je reprezentován průtokem vody. Pro tuto analogii si tedy pamatujte:

Voda = Nabíjení

Tlak = napětí

Tok = proud

Zvažte nádrž na vodu v určité výšce nad zemí. Na dně této nádrže je hadice.

Proud je tedy v nádrži nižší s vyšším odporem.

Krok 3: Elektřina ：

Elektřina je přítomnost a tok elektrického náboje. Jeho nejznámější formou je tok elektronů vodiči, jako jsou měděné dráty.

Elektřina je forma energie, která přichází v pozitivních a negativních formách, která se vyskytuje přirozeně (jako u blesku) nebo se vyrábí (jako u generátoru). Je to forma energie, kterou používáme k pohonu strojů a elektrických zařízení. Když se náboje nepohybují, nazývá se elektřina statická elektřina. Když se náboje pohybují, jedná se o elektrický proud, někdy nazývaný „dynamická elektřina“. Blesk je nejznámější a nejnebezpečnější druh elektřiny v přírodě, ale někdy statická elektřina způsobí, že se věci spojí.

Elektřina může být nebezpečná, zejména v okolí vody, protože voda je forma vodiče. Od devatenáctého století se elektřina používá v každé části našeho života. Do té doby to byla jen kuriozita pozorovaná v bouřce.

Elektřinu lze vytvořit, pokud magnet prochází blízko kovového drátu. Tuto metodu používá generátor. Největší generátory jsou v elektrárnách. Elektřinu lze také vyrábět kombinací chemikálií ve sklenici se dvěma různými druhy kovových tyčí. Toto je metoda používaná v baterii. Statická elektřina vzniká třením mezi dvěma materiály. Například vlněná čepice a plastové pravítko. Otřete je dohromady, což může způsobit jiskru. Elektřinu lze také vytvářet pomocí energie ze slunce jako ve fotovoltaických článcích.

Elektřina se do domů dostává dráty z místa, kde se vyrábí. Používají ho elektrické lampy, elektrické ohřívače atd. Mnoho domácích spotřebičů, jako jsou pračky a elektrické sporáky, využívá elektřinu. V továrnách existují stroje na elektrickou energii. Lidé, kteří se zabývají elektřinou a elektrickými zařízeními v našich domovech a továrnách, se nazývají „elektrikáři“.

Řekněme teď, že máme dvě nádrže, každá nádrž s hadicí vycházející ze dna. Každá nádrž má přesně stejné množství vody, ale hadice na jedné nádrži je užší než hadice na druhé.

Měříme stejné množství tlaku na konci obou hadic, ale když voda začne téct, bude průtok vody v nádrži s užší hadicí menší než průtok vody v nádrži s širší hadice. Z elektrického hlediska je proud skrz užší hadici menší než proud širší hadicí. Pokud chceme, aby průtok byl oběma hadicemi stejný, musíme užší hadicí zvýšit množství vody (náplně) v nádrži.

Krok 4: Elektrický odpor a vodivost

V hydraulické analogii je proud protékající drátem (nebo odporem) jako voda protékající trubkou a pokles napětí na drátu je jako pokles tlaku, který tlačí vodu potrubím. Vodivost je úměrná množství průtoku pro daný tlak a odpor je úměrný tomu, kolik tlaku je zapotřebí k dosažení daného průtoku. (Vodivost a odpor jsou vzájemné.)

Pokles napětí (tj. Rozdíl mezi napětími na jedné straně rezistoru a na druhé straně), nikoli samotné napětí, poskytuje hnací sílu tlačící proud přes odpor. V hydraulice je to podobné: Průtok přes něj určuje tlakový rozdíl mezi dvěma stranami potrubí, nikoli samotný tlak. Například může být nad potrubím velký tlak vody, který se snaží vytlačit vodu potrubím dolů. Ale pod trubkou může být stejně velký tlak vody, který se snaží vytlačit vodu zpět potrubím. Pokud jsou tyto tlaky stejné, neteče voda. (Na obrázku vpravo je tlak vody pod trubkou nulový.)

Odpor a vodivost drátu, odporu nebo jiného prvku jsou většinou určeny dvěma vlastnostmi:

• geometrie (tvar), a
• materiál

Geometrie je důležitá, protože je obtížnější protlačit vodu dlouhým, úzkým potrubím než širokým, krátkým potrubím. Stejně tak má dlouhý tenký měděný drát vyšší odpor (nižší vodivost) než krátký, silný měděný drát.

Důležitý je také materiál. Dýmka naplněná vlasy omezuje tok vody více než čistá dýmka stejného tvaru a velikosti. Podobně mohou elektrony volně a snadno proudit měděným drátem, ale nemohou tak snadno proudit ocelovým drátem stejného tvaru a velikosti a v podstatě nemohou vůbec protékat izolátorem jako guma, bez ohledu na jeho tvar. Rozdíl mezi mědí, ocelí a kaučukem souvisí s jejich mikroskopickou strukturou a elektronovou konfigurací a je kvantifikován vlastností zvanou rezistivita.

Kromě geometrie a materiálu existují různé další faktory, které ovlivňují odpor a vodivost.

Je logické, že se nám při stejném tlaku nevejde tolik objemu úzkou trubkou, než širší. To je odpor. Úzká trubka „odolává“průtoku vody skrz ni, přestože voda má stejný tlak jako nádrž se širším potrubím.

Z elektrického hlediska to představují dva obvody se stejným napětím a různými odpory. Obvod s vyšším odporem umožní průtok menšího náboje, což znamená, že obvod s vyšším odporem protéká menším proudem.

Krok 5: Ohmův zákon ：

Ohmův zákon uvádí, že proud vodičem mezi dvěma body je přímo úměrný napětí napříč dvěma body. Zavedením konstanty proporcionality, odporu, dospějeme k obvyklé matematické rovnici, která popisuje tento vztah:

kde I je proud procházející vodičem v jednotkách ampér, V je napětí měřené na vodiči v jednotkách voltů a R je odpor vodiče v jednotkách ohmů. Přesněji řečeno, Ohmův zákon uvádí, že R v tomto vztahu je konstantní, nezávislá na proudu.

Zákon byl pojmenován podle německého fyzika Georga Ohma, který ve pojednání publikovaném v roce 1827 popsal měření aplikovaného napětí a proudu jednoduchými elektrickými obvody obsahujícími různé délky drátu. Ohm vysvětlil své experimentální výsledky o něco složitější rovnicí než moderní forma výše (viz Historie).

Ve fyzice se termín Ohmův zákon také používá k označení různých zobecnění zákona původně formulovaného Ohmem.