מתח, זרם, התנגדות וחוק אוהם: 5 שלבים

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:17

מכוסה במדריך זה

כיצד מטען חשמלי קשור למתח, זרם והתנגדות.

מהו המתח, הזרם וההתנגדות.

מהו חוק אוהם וכיצד ניתן להשתמש בו להבנת חשמל.

ניסוי פשוט להדגמת מושגים אלה.

שלב 1: מטען חשמלי

מטען חשמלי הוא המאפיין הפיזי של החומר שגורם לו לחוות כוח כאשר הוא ממוקם בשדה אלקטרומגנטי. ישנם שני סוגים של מטענים חשמליים: חיוביים ושליליים (בדרך כלל נושאים על ידי פרוטונים ואלקטרונים בהתאמה). כמו חיובים דוחים ובניגוד למשוך. היעדר תשלום נטו מכונה ניטרלי. אובייקט טעון שלילי אם יש בו עודף אלקטרונים, ובאופן אחר כך הוא טעון חיובי או נטען. יחידת המטען החשמלי הנגזרת מ- SI היא הקולומב (C). בהנדסת חשמל מקובל גם להשתמש באמפר-שעה (אה); בעוד שבכימיה, מקובל להשתמש במטען היסודי (ה) כיחידה. הסמל Q מציין לעתים קרובות מטען. ידע מוקדם על האופן שבו חומרים טעונים מתקשרים נקרא כיום אלקטרודינמיקה קלאסית, ועדיין מדויק לבעיות שאינן דורשות התייחסות להשפעות קוונטיות.

המטען החשמלי הוא מאפיין שימור בסיסי של חלקיקים תת -אטומיים, הקובע את האינטראקציה האלקטרומגנטית שלהם. חומר טעון חשמלי מושפע או מייצר שדות אלקטרומגנטיים. האינטראקציה בין מטען נע לשדה אלקטרומגנטי היא מקור הכוח האלקטרומגנטי, שהוא אחד מארבעת הכוחות הבסיסיים (ראו גם: שדה מגנטי).

ניסויים מהמאה העשרים הוכיחו כי מטען חשמלי הוא לכמת; כלומר, הוא מגיע בכפלים שלמים של יחידות קטנות בודדות הנקראות המטען היסודי, e, השווה בערך ל- 1.602 × 10−19 קולומב (למעט חלקיקים הנקראים קווארקים, שיש להם מטענים שהם כפולים שלמים של 1/3e). לפרוטון מטען של +e, ולאלקטרון מטען של e. המחקר של חלקיקים טעונים, וכיצד האינטראקציות שלהם מתווכות על ידי פוטונים, נקרא אלקטרודינמיקה קוונטית.

שלב 2: מתח:

מתח, הפרש פוטנציאל חשמלי, לחץ חשמלי או מתח חשמלי (המסומן באופן רשמי ∆V או ∆U, אך לעתים קרובות יותר פשוט כ- V או U, למשל בהקשר של חוקי המעגלים של אוהם או קירכהוף) הוא ההבדל באנרגית הפוטנציאל החשמלי בין שניים נקודות ליחידה מטען חשמלי. המתח בין שתי נקודות שווה לעבודה שנעשית ליחידת מטען כנגד שדה חשמלי סטטי כדי להעביר את מטען הבדיקה בין שתי נקודות. זה נמדד ביחידות וולט (ג'אול לקולומב).

מתח יכול להיגרם על ידי שדות חשמליים סטטיים, זרם חשמלי דרך שדה מגנטי, שדות מגנטיים המשתנים בזמן, או שילוב כלשהו של השלושה הללו. [1] [2] ניתן להשתמש במד וולט למדידת המתח (או הפרש הפוטנציאל) בין שתי נקודות במערכת; לעתים קרובות פוטנציאל התייחסות משותף כגון קרקע המערכת משמש כאחת הנקודות. מתח עשוי לייצג מקור אנרגיה (כוח אלקטרומוטי) או אנרגיה אבודה, משומשת או מאוחסנת (ירידה פוטנציאלית)

כאשר מתארים מתח, זרם והתנגדות, אנלוגיה נפוצה היא מיכל מים. באנלוגיה זו המטען מיוצג על ידי כמות המים, המתח מיוצג בלחץ המים והזרם מיוצג על ידי זרימת המים. אז לאנלוגיה זו, זכור:

מים = תשלום

לחץ = מתח

זרימה = זרם

שקול מיכל מים בגובה מסוים מעל הקרקע. בתחתית הטנק הזה יש צינור.

אז, הזרם נמוך יותר במיכל עם התנגדות גבוהה יותר.

שלב 3: חשמל:

חשמל הוא נוכחות וזרימה של מטען חשמלי. צורתו הידועה ביותר היא זרימת אלקטרונים דרך מוליכים כגון חוטי נחושת.

חשמל הוא סוג של אנרגיה המגיעה בצורות חיוביות ושליליות, המתרחשת באופן טבעי (כמו בברקים), או מיוצרת (כמו בגנרטור). זוהי צורת אנרגיה בה אנו משתמשים להפעלת מכונות והתקנים חשמליים. כאשר הטעינות אינן נעות, חשמל נקרא חשמל סטטי. כאשר המטען נע הם זרם חשמלי, המכונה לפעמים 'חשמל דינאמי'. ברק הוא סוג החשמל המוכר והמסוכן ביותר בטבע, אך לפעמים חשמל סטטי גורם לדבקים.

חשמל יכול להיות מסוכן, במיוחד סביב מים מכיוון שמים הם סוג של מוליך. מאז המאה התשע עשרה נעשה שימוש בחשמל בכל חלק בחיינו. עד אז, זו הייתה רק סקרנות שנראתה בסופת רעמים.

ניתן ליצור חשמל אם מגנט עובר קרוב לחוט מתכת. זוהי השיטה בה משתמש גנרטור. הגנרטורים הגדולים ביותר נמצאים בתחנות כוח. ניתן לייצר חשמל גם על ידי שילוב של כימיקלים בצנצנת עם שני סוגים שונים של מוטות מתכת. זוהי השיטה בה משתמשים בסוללה. חשמל סטטי נוצר באמצעות החיכוך בין שני חומרים. למשל, כובע צמר וסרגל פלסטיק. לשפשף אותם יחד עלול לגרום לניצוץ. ניתן ליצור חשמל גם באמצעות אנרגיה מהשמש כמו בתאים פוטו -וולטאיים.

חשמל מגיע לבתים באמצעות חוטים מהמקום בו הוא נוצר. הוא משמש מנורות חשמליות, תנורי חימום חשמליים וכו '.. מכשירים ביתיים רבים כגון מכונות כביסה וכיריים חשמליות משתמשים בחשמל. במפעלים קיימות מכונות המפעילות חשמל. אנשים שמתמודדים עם חשמל ומכשירי חשמל בבתים ובמפעלים שלנו נקראים "חשמלאים".

נניח עכשיו שיש לנו שני טנקים, בכל טנק עם צינור שמגיע מלמטה. לכל מיכל יש אותה כמות מים בדיוק, אבל הצינור על מיכל אחד צר יותר מהצינור בצד השני.

אנו מודדים את אותה כמות לחץ בסוף כל אחד מהצינורות, אך כאשר המים מתחילים לזרום, קצב הזרימה של המים במיכל עם הצינור הצר יותר יהיה נמוך מקצב הזרימה של המים במיכל עם צינור רחב יותר. במונחים חשמליים, הזרם דרך הצינור הצר יותר קטן מהזרם דרך הצינור הרחב יותר. אם אנחנו רוצים שהזרימה תהיה זהה דרך שני הצינורות, עלינו להגדיל את כמות המים (הטעינה) במיכל בעזרת הצינור הצר יותר.

שלב 4: התנגדות חשמלית ומוליכות

באנלוגיה ההידראולית, זרם הזורם בחוט (או נגד) הוא כמו מים הזורמים דרך צינור, וירידת המתח על פני החוט היא כמו ירידת הלחץ הדוחפת מים דרך הצינור. המוליכות פרופורציונאלית לכמה זרימה מתרחשת ללחץ נתון, וההתנגדות פרופורציונאלית לכמה לחץ נדרש כדי להשיג זרימה נתונה. (מוליכות והתנגדות הן הדדיות).

ירידת המתח (כלומר, ההבדל בין המתחים בצד אחד של הנגד והשני), ולא המתח עצמו, מספקת את הכוח המניע הדוחף את הזרם דרך הנגד. בהידראוליקה זה דומה: הפרש הלחץ בין שני צידי צינור, לא הלחץ עצמו, קובע את הזרימה דרכו. לדוגמה, ייתכן שיש לחץ מים גדול מעל הצינור, המנסה לדחוף מים למטה דרך הצינור. אך ייתכן שיש לחץ מים לא פחות מתחת לצינור, שמנסה לדחוף מים חזרה דרך הצינור. אם לחצים אלה שווים, אין זורם מים. (בתמונה מימין, לחץ המים מתחת לצינור הוא אפס.)

ההתנגדות והמוליכות של חוט, נגד או אלמנט אחר נקבעים בעיקר על ידי שני מאפיינים:

• גיאומטריה (צורה) ו
• חוֹמֶר

הגיאומטריה חשובה מכיוון שקשה יותר לדחוף מים דרך צינור צר וארוך מאשר צינור רחב וקצר. באותו אופן, לחוט נחושת ארוך ודק יש עמידות גבוהה יותר (מוליכות נמוכה יותר) מאשר חוט נחושת קצר ועבה.

החומרים חשובים גם כן. צינור מלא בשיער מגביל את זרימת המים יותר מצינור נקי מאותה צורה וגודל. באופן דומה, אלקטרונים יכולים לזרום בחופשיות ובקלות דרך חוט נחושת, אך אינם יכולים לזרום באותה קלות דרך חוט פלדה באותה צורה וגודל, והם בעצם אינם יכולים לזרום כלל דרך מבודד כמו גומי, ללא קשר לצורתו. ההבדל בין נחושת, פלדה וגומי קשור למבנה המיקרוסקופי שלהם ותצורת האלקטרונים, והוא נמדד על ידי תכונה הנקראת התנגדות.

בנוסף לגיאומטריה וחומר, ישנם גורמים נוספים המשפיעים על ההתנגדות והמוליכות.

אין זה סביר כי איננו יכולים להתאים נפח גדול יותר בצינור צר מאשר רחב יותר באותו לחץ. זו התנגדות. הצינור הצר "מתנגד" לזרימת המים דרכו למרות שהמים נמצאים באותו לחץ כמו המיכל עם הצינור הרחב יותר.

במונחים חשמליים, זה מיוצג על ידי שני מעגלים בעלי מתח שווה והתנגדויות שונות. המעגל בעל ההתנגדות הגבוהה יותר יאפשר לזרום פחות מטען, כלומר למעגל בעל התנגדות גבוהה יש פחות זרם הזורם דרכו.

שלב 5: חוק אוהם:

חוק אוהם קובע כי הזרם דרך מוליך בין שתי נקודות הוא ביחס ישר למתח על פני שתי הנקודות. הכנסת קבוע המידתיות, ההתנגדות, מגיעים למשוואה המתמטית הרגילה המתארת את הקשר הזה:

כאשר I הוא הזרם דרך המוליך ביחידות אמפר, V הוא המתח הנמדד על פני המוליך ביחידות וולט, ו- R הוא ההתנגדות של המוליך ביחידות אוהם. באופן ספציפי יותר, חוק אוהם קובע כי ה- R ביחס זה הוא קבוע, בלתי תלוי בזרם.

החוק נקרא על שמו של הפיזיקאי הגרמני גיאורג אוהם, אשר, במסר שפורסם בשנת 1827, תיאר מדידות של מתח וזרם מופעל באמצעות מעגלים חשמליים פשוטים המכילים אורכי חוט שונים. אום הסביר את תוצאות הניסוי שלו במשוואה מעט יותר מורכבת מהצורה המודרנית למעלה (ראה היסטוריה).

בפיזיקה, המונח חוק אוהם משמש גם להתייחסות להכללות שונות של החוק שנוסחו במקור על ידי אוהם.