Spänning, ström, motstånd och Ohms lag: 5 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:47

Täcks av denna handledning

Hur elektrisk laddning relaterar till spänning, ström och motstånd.

Vilken spänning, ström och motstånd är.

Vad Ohms lag är och hur man använder den för att förstå elektricitet.

Ett enkelt experiment för att demonstrera dessa begrepp.

Steg 1: Elektrisk laddning

Elektrisk laddning är materiens fysiska egenskap som får den att uppleva en kraft när den placeras i ett elektromagnetiskt fält. Det finns två typer av elektriska laddningar: positiva och negativa (vanligtvis bärs av protoner respektive elektroner). Liksom avgifter frånstötar och till skillnad från lockar. En frånvaro av nettokostnad kallas neutral. Ett objekt är negativt laddat om det har ett överskott av elektroner, och är annars positivt laddat eller oladdat. Den SI -härledda enheten för elektrisk laddning är coulomb (C). Inom elektroteknik är det också vanligt att använda ampere-timmen (Ah); medan det i kemi är vanligt att använda den elementära laddningen (e) som en enhet. Symbolen Q betecknar ofta laddning. Tidig kunskap om hur laddade ämnen interagerar kallas nu klassisk elektrodynamik och är fortfarande korrekt för problem som inte kräver övervägande av kvanteffekter.

Den elektriska laddningen är en grundläggande bevarad egenskap hos vissa subatomära partiklar, som bestämmer deras elektromagnetiska interaktion. Elektriskt laddad materia påverkas av eller producerar elektromagnetiska fält. Interaktionen mellan en rörlig laddning och ett elektromagnetiskt fält är källan till den elektromagnetiska kraften, som är en av de fyra grundkrafterna (se även: magnetfält).

Experiment från 1900-talet visade att elektrisk laddning kvantiseras; det vill säga det kommer i heltalmultiplar av enskilda små enheter som kallas elementär laddning, e, ungefär lika med 1.602 × 10−19 coulombs (förutom partiklar som kallas kvarker, som har laddningar som är heltalsmultiplar av 1/3e). Protonen har en laddning på +e, och elektronen har en laddning av −e. Studien av laddade partiklar, och hur deras interaktioner medieras av fotoner, kallas kvantelektrodynamik.

Steg 2: Spänning:

Spänning, elektrisk potentialskillnad, elektrisk tryck eller elektrisk spänning (formellt betecknad ∆V eller ∆U, men oftare förenklad som V eller U, till exempel i samband med Ohms eller Kirchhoffs kretslagar) är skillnaden i elektrisk potentialenergi mellan två poäng per enhet elektrisk laddning. Spänningen mellan två punkter är lika med arbetet per laddningsenhet mot ett statiskt elektriskt fält för att flytta testladdningen mellan två punkter. Detta mäts i enheter i volt (en joule per coulomb).

Spänning kan orsakas av statiska elektriska fält, av elektrisk ström genom ett magnetfält, av tidsvarierande magnetfält eller någon kombination av dessa tre. [1] [2] En voltmeter kan användas för att mäta spänningen (eller potentialskillnaden) mellan två punkter i ett system; ofta används en gemensam referenspotential som systemets mark som en av punkterna. En spänning kan antingen representera en energikälla (elektromotorisk kraft) eller förlorad, använd eller lagrad energi (potentiellt fall)

När man beskriver spänning, ström och motstånd är en vanlig analogi en vattentank. I denna analogi representeras laddning av vattenmängden, spänning representeras av vattentrycket och strömmen representeras av vattenflödet. Så för denna analogi, kom ihåg:

Vatten = Laddning

Tryck = Spänning

Flöde = Ström

Tänk på en vattentank på en viss höjd över marken. I botten av denna tank finns en slang.

Så strömmen är lägre i tanken med högre motstånd.

Steg 3: El:

Elektricitet är närvaron och flödet av elektrisk laddning. Dess mest kända form är flödet av elektroner genom ledare som koppartrådar.

Elektricitet är en energiform som kommer i positiva och negativa former, som förekommer naturligt (som i blixtnedslag), eller produceras (som i generator). Det är en energiform som vi använder för att driva maskiner och elektriska apparater. När avgifterna inte rör sig kallas elektricitet för statisk elektricitet. När laddningarna rör sig är de en elektrisk ström, ibland kallad 'dynamisk elektricitet'. Blixtnedslag är den mest välkända och farliga typen av elektricitet i naturen, men ibland får statisk elektricitet saker att hänga ihop.

Elektricitet kan vara farligt, särskilt runt vatten eftersom vatten är en form av ledare. Sedan artonhundratalet har el använts i alla delar av våra liv. Fram till dess var det bara en nyfikenhet som setts i åskväder.

Elektricitet kan skapas om en magnet passerar nära en metalltråd. Detta är metoden som används av en generator. De största generatorerna finns i kraftverk. Elektricitet kan också genereras genom att kombinera kemikalier i en burk med två olika sorters metallstavar. Detta är metoden som används i ett batteri. Statisk elektricitet skapas genom friktionen mellan två material. Till exempel en ullkeps och en linjal i plast. Gnugga ihop dem kan göra en gnista. Elektricitet kan också skapas med energi från solen som i solceller.

Elektricitet kommer till bostäder via ledningar från den plats där den genereras. Den används av elektriska lampor, elvärmare, etc… Många hushållsapparater som tvättmaskiner och elspisar använder el. I fabriker finns det elmaskiner. Människor som hanterar el och elektriska apparater i våra hem och fabriker kallas "elektriker".

Låt oss säga nu att vi har två tankar, varje tank med en slang kommer från botten. Varje tank har exakt samma mängd vatten, men slangen på en tank är smalare än slangen på den andra.

Vi mäter samma tryck i slutet av endera slangen, men när vattnet börjar rinna kommer flödeshastigheten för vattnet i tanken med den smalare slangen att vara mindre än flödet för vattnet i tanken med bredare slang. Elektriskt sett är strömmen genom den smalare slangen mindre än strömmen genom den bredare slangen. Om vi vill att flödet ska vara detsamma genom båda slangarna måste vi öka mängden vatten (laddning) i tanken med den smalare slangen.

Steg 4: Elektrisk motstånd och konduktans

I den hydrauliska analogin är ström som flödar genom en tråd (eller motstånd) som vatten som rinner genom ett rör, och spänningsfallet över tråden är som tryckfallet som driver vatten genom röret. Konduktans är proportionell mot hur mycket flöde som uppstår för ett visst tryck, och motståndet är proportionellt mot hur mycket tryck som krävs för att uppnå ett givet flöde. (Konduktans och motstånd är ömsesidiga.)

Spänningsfallet (dvs. skillnaden mellan spänningar på ena sidan av motståndet och den andra), inte själva spänningen, ger drivkraften som driver ström genom ett motstånd. I hydraulik är det liknande: Tryckskillnaden mellan två sidor av ett rör, inte själva trycket, bestämmer flödet genom det. Till exempel kan det finnas ett stort vattentryck ovanför röret, som försöker trycka ner vatten genom röret. Men det kan finnas ett lika stort vattentryck under röret, som försöker trycka tillbaka vatten genom röret. Om dessa tryck är lika rinner inget vatten. (På bilden till höger är vattentrycket under röret noll.)

Motståndet och konduktansen hos en tråd, motstånd eller annat element bestäms mestadels av två egenskaper:

• geometri (form) och
• material

Geometri är viktig eftersom det är svårare att driva vatten genom ett långt, smalt rör än ett brett, kort rör. På samma sätt har en lång, tunn koppartråd högre motstånd (lägre konduktans) än en kort, tjock koppartråd.

Material är också viktiga. Ett rör fyllt med hår begränsar flödet av vatten mer än ett rent rör av samma form och storlek. På samma sätt kan elektroner flöda fritt och enkelt genom en koppartråd, men kan inte flöda lika lätt genom en ståltråd med samma form och storlek, och de kan i huvudsak inte flöda alls genom en isolator som gummi, oavsett dess form. Skillnaden mellan koppar, stål och gummi är relaterad till deras mikroskopiska struktur och elektronkonfiguration, och kvantifieras med en egenskap som kallas resistivitet.

Förutom geometri och material finns det andra faktorer som påverkar motstånd och konduktans.

Det är givet att vi inte kan passa lika mycket volym genom ett smalt rör än ett bredare vid samma tryck. Detta är motstånd. Det smala röret "motstår" vattenflödet genom det trots att vattnet har samma tryck som tanken med det bredare röret.

I elektriska termer representeras detta av två kretsar med lika spänningar och olika motstånd. Kretsen med det högre motståndet tillåter mindre laddning att flöda, vilket betyder att kretsen med högre motstånd har mindre ström som flödar genom den.

Steg 5: Ohms lag:

Ohms lag säger att strömmen genom en ledare mellan två punkter är direkt proportionell mot spänningen över de två punkterna. Genom att introducera proportionalitetskonstanten, motståndet, kommer man fram till den vanliga matematiska ekvationen som beskriver detta förhållande:

där I är strömmen genom ledaren i ampereenheter, V är den spänning som mäts över ledaren i volt, och R är ledarens motstånd i ohm. Närmare bestämt säger Ohms lag att R i detta förhållande är konstant, oberoende av strömmen.

Lagen namngavs efter den tyska fysikern Georg Ohm, som i en avhandling publicerad 1827 beskrev mätningar av applicerad spänning och ström genom enkla elektriska kretsar som innehöll olika trådlängder. Ohm förklarade sina experimentella resultat med en något mer komplex ekvation än den moderna formen ovan (se Historia).

Inom fysiken används termen Ohms lag också för att hänvisa till olika generaliseringar av lagen som ursprungligen formulerades av Ohm.