قانون الجهد والتيار والمقاومة وأوم: 5 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:42

مغطاة في هذا البرنامج التعليمي

كيف ترتبط الشحنة الكهربائية بالجهد والتيار والمقاومة.

ما الجهد والتيار والمقاومة.

ما هو قانون أوم وكيفية استخدامه لفهم الكهرباء.

تجربة بسيطة لشرح هذه المفاهيم.

الخطوة 1: الشحن الكهربائي

الشحنة الكهربائية هي الخاصية الفيزيائية للمادة التي تجعلها تتعرض لقوة عند وضعها في مجال كهرومغناطيسي. هناك نوعان من الشحنات الكهربائية: موجبة وسالبة (تحملها البروتونات والإلكترونات على التوالي). مثل الشحنات تصد وتختلف عن الجذب. يشار إلى عدم وجود صافي رسوم على أنها محايدة. يكون الجسم مشحونًا سالبًا إذا كان به فائض من الإلكترونات ، وبخلاف ذلك يكون مشحونًا إيجابياً أو غير مشحون. وحدة الشحنة الكهربائية المشتقة من النظام الدولي للوحدات هي الكولوم (C). في الهندسة الكهربائية ، من الشائع أيضًا استخدام أمبير ساعة (آه) ؛ بينما في الكيمياء ، من الشائع استخدام الشحنة الأولية (هـ) كوحدة. غالبًا ما يشير الرمز Q إلى الشحنة. تسمى المعرفة المبكرة لكيفية تفاعل المواد المشحونة الآن بالديناميكا الكهربائية الكلاسيكية ، ولا تزال دقيقة للمشكلات التي لا تتطلب النظر في التأثيرات الكمومية.

الشحنة الكهربائية هي خاصية أساسية محفوظة لبعض الجسيمات دون الذرية ، والتي تحدد تفاعلها الكهرومغناطيسي. تتأثر المواد المشحونة كهربائيًا بالمجالات الكهرومغناطيسية أو تنتجها. التفاعل بين الشحنة المتحركة والمجال الكهرومغناطيسي هو مصدر القوة الكهرومغناطيسية ، وهي إحدى القوى الأساسية الأربعة (انظر أيضًا: المجال المغناطيسي).

أظهرت تجارب القرن العشرين أن الشحنة الكهربائية مُكمَّمة ؛ أي أنها تأتي في شكل مضاعفات صحيحة لوحدات صغيرة فردية تسمى الشحنة الأولية ، e ، تساوي تقريبًا 1.602 × 10−19 كولوم (باستثناء الجسيمات التي تسمى الكواركات ، والتي تحتوي على شحنة مضاعفات عددية 1 / 3e). شحنة البروتون هي + e ، وشحنة الإلكترون هي e. تسمى دراسة الجسيمات المشحونة وكيفية تفاعلها بواسطة الفوتونات بالديناميكا الكهربية الكمية.

الخطوة 2: الجهد ：

الجهد ، فرق الجهد الكهربائي ، الضغط الكهربائي أو التوتر الكهربائي (يشار إليه رسميًا ∆V أو ∆U ، ولكن غالبًا ما يتم تبسيطه كـ V أو U ، على سبيل المثال في سياق قوانين دوائر أوم أو كيرشوف) هو الفرق في طاقة الجهد الكهربي بين اثنين نقطة لكل وحدة شحنة كهربائية. يساوي الجهد بين نقطتين العمل المنجز لكل وحدة شحن مقابل مجال كهربائي ثابت لتحريك شحنة الاختبار بين نقطتين. يقاس ذلك بوحدات فولت (جول لكل كولوم).

يمكن أن يكون سبب الجهد هو المجالات الكهربائية الساكنة ، أو التيار الكهربائي عبر مجال مغناطيسي ، أو الحقول المغناطيسية المتغيرة بمرور الوقت ، أو مزيج من هذه الثلاثة. يمكن استخدام مقياس الفولتميتر لقياس الجهد (أو فرق الجهد) بين نقطتين في النظام ؛ غالبًا ما يتم استخدام إمكانات مرجعية مشتركة مثل أرضية النظام كأحد النقاط. قد يمثل الجهد إما مصدرًا للطاقة (القوة الدافعة الكهربائية) أو الطاقة المفقودة أو المستخدمة أو المخزنة (انخفاض محتمل)

عند وصف الجهد والتيار والمقاومة ، فإن التشبيه الشائع هو خزان المياه. في هذا القياس ، يتم تمثيل الشحنة بكمية الماء ، ويمثل الجهد بضغط الماء ، ويمثل التيار بتدفق الماء. لذلك من أجل هذا القياس ، تذكر:

الماء = الشحن

الضغط = الجهد

التدفق = الحالي

ضع في اعتبارك وجود خزان مياه على ارتفاع معين فوق سطح الأرض. يوجد في الجزء السفلي من هذا الخزان خرطوم.

لذلك ، يكون التيار أقل في الخزان بمقاومة أعلى.

الخطوة الثالثة: الكهرباء ：

الكهرباء هي وجود وتدفق الشحنة الكهربائية. وأشهر أشكاله هو تدفق الإلكترونات عبر الموصلات مثل الأسلاك النحاسية.

الكهرباء هي شكل من أشكال الطاقة التي تأتي في صورة موجبة وسلبية ، والتي تحدث بشكل طبيعي (كما في البرق) ، أو يتم إنتاجها (كما في المولد). إنها شكل من أشكال الطاقة التي نستخدمها لتشغيل الآلات والأجهزة الكهربائية. عندما لا تتحرك الشحنات ، تسمى الكهرباء الكهرباء الساكنة. عندما تتحرك الشحنات ، تكون عبارة عن تيار كهربائي ، يسمى أحيانًا "كهرباء ديناميكية". البرق هو أكثر أنواع الكهرباء شهرة وخطورة في الطبيعة ، ولكن في بعض الأحيان تتسبب الكهرباء الساكنة في التصاق الأشياء ببعضها البعض.

يمكن أن تكون الكهرباء خطيرة ، خاصة حول الماء لأن الماء هو شكل من أشكال الموصلات. منذ القرن التاسع عشر ، تم استخدام الكهرباء في كل جزء من حياتنا. حتى ذلك الحين ، كان مجرد فضول شوهد في عاصفة رعدية.

يمكن توليد الكهرباء إذا مر مغناطيس بالقرب من سلك معدني. هذه هي الطريقة التي يستخدمها المولد. أكبر المولدات في محطات الطاقة. يمكن أيضًا توليد الكهرباء من خلال الجمع بين المواد الكيميائية في وعاء مع نوعين مختلفين من القضبان المعدنية. هذه هي الطريقة المستخدمة في البطارية. يتم إنشاء الكهرباء الساكنة من خلال الاحتكاك بين مادتين. على سبيل المثال ، قبعة من الصوف ومسطرة بلاستيكية. فركهم معًا قد يحدث شرارة. يمكن أيضًا إنشاء الكهرباء باستخدام الطاقة من الشمس كما هو الحال في الخلايا الكهروضوئية.

تصل الكهرباء إلى المنازل عبر الأسلاك من مكان توليدها. يتم استخدامه بواسطة المصابيح الكهربائية والسخانات الكهربائية وما إلى ذلك. تستخدم العديد من الأجهزة المنزلية مثل الغسالات والأفران الكهربائية الكهرباء. في المصانع توجد آلات لتوليد الكهرباء. يُطلق على الأشخاص الذين يتعاملون مع الكهرباء والأجهزة الكهربائية في منازلنا ومصانعنا اسم "كهربائيين".

لنفترض الآن أن لدينا خزانين ، كل خزان به خرطوم قادم من الأسفل. يحتوي كل خزان على نفس كمية الماء بالضبط ، لكن الخرطوم الموجود في أحد الخزانات يكون أضيق من الخرطوم الموجود في الآخر.

نقيس نفس مقدار الضغط في نهاية أي من الخرطومين ، ولكن عندما يبدأ الماء في التدفق ، فإن معدل تدفق الماء في الخزان بالخرطوم الضيق سيكون أقل من معدل تدفق الماء في الخزان باستخدام خرطوم أوسع. من الناحية الكهربائية ، يكون التيار عبر الخرطوم الضيق أقل من التيار عبر الخرطوم الأعرض. إذا أردنا أن يكون التدفق متماثلًا من خلال كلا الخرطومين ، فعلينا زيادة كمية الماء (الشحنة) في الخزان باستخدام الخرطوم الضيق.

الخطوة 4: المقاومة الكهربائية والتوصيل

في القياس الهيدروليكي ، فإن التيار المتدفق عبر سلك (أو مقاوم) يشبه تدفق الماء عبر أنبوب ، ويكون انخفاض الجهد عبر السلك مثل انخفاض الضغط الذي يدفع الماء عبر الأنبوب. الموصلية تتناسب مع مقدار التدفق الذي يحدث لضغط معين ، وتتناسب المقاومة مع مقدار الضغط المطلوب لتحقيق تدفق معين. (المواصلة والمقاومة أمران متبادلان).

يوفر انخفاض الجهد (أي الفرق بين الفولتية على جانب واحد من المقاوم والآخر) ، وليس الجهد نفسه ، القوة الدافعة التي تدفع التيار عبر المقاوم. في النظام الهيدروليكي ، يكون الأمر مشابهًا: إن فرق الضغط بين جانبين من الأنبوب ، وليس الضغط نفسه ، هو الذي يحدد التدفق من خلاله. على سبيل المثال ، قد يكون هناك ضغط ماء كبير فوق الأنبوب ، والذي يحاول دفع الماء لأسفل عبر الأنبوب. ولكن قد يكون هناك ضغط ماء كبير بنفس القدر أسفل الأنبوب ، والذي يحاول دفع الماء مرة أخرى عبر الأنبوب. إذا كانت هذه الضغوط متساوية ، فلن يتدفق الماء. (في الصورة على اليمين ، ضغط الماء تحت الأنبوب هو صفر.)

يتم تحديد المقاومة والتوصيل لسلك أو مقاوم أو عنصر آخر في الغالب من خلال خاصيتين:

• الهندسة (الشكل) و
• مواد

تعتبر الهندسة مهمة لأنه من الصعب دفع الماء عبر أنبوب طويل وضيق من الأنبوب العريض والقصير. وبنفس الطريقة ، فإن السلك النحاسي الطويل الرفيع يتمتع بمقاومة أعلى (ناقلة أقل) من السلك النحاسي القصير السميك.

المواد مهمة كذلك. الأنبوب المملوء بالشعر يقيد تدفق الماء أكثر من أنبوب نظيف من نفس الشكل والحجم. وبالمثل ، يمكن للإلكترونات أن تتدفق بحرية وبسهولة عبر سلك نحاسي ، ولكنها لا تستطيع التدفق بسهولة عبر سلك فولاذي من نفس الشكل والحجم ، ولا يمكنها أن تتدفق على الإطلاق عبر عازل مثل المطاط ، بغض النظر عن شكله. يرتبط الفرق بين النحاس والصلب والمطاط بهيكلها المجهري وتكوين الإلكترون ، ويتم قياسه بواسطة خاصية تسمى المقاومة.

بالإضافة إلى الهندسة والمواد ، هناك العديد من العوامل الأخرى التي تؤثر على المقاومة والتوصيل.

من المنطقي أننا لا نستطيع أن نلائم حجمًا كبيرًا من خلال أنبوب ضيق أكثر من أنبوب أعرض عند نفس الضغط. هذه مقاومة. الأنبوب الضيق "يقاوم" تدفق الماء من خلاله بالرغم من أن الماء يكون بنفس ضغط الخزان ذي الأنبوب الأعرض.

من الناحية الكهربائية ، يتم تمثيل ذلك بدائرتين بجهد متساوٍ ومقاومات مختلفة. ستسمح الدائرة ذات المقاومة الأعلى بتدفق شحنة أقل ، مما يعني أن الدائرة ذات المقاومة الأعلى لديها تيار أقل يتدفق خلالها.

الخطوة 5: قانون أوم ：

ينص قانون أوم على أن التيار عبر موصل بين نقطتين يتناسب طرديًا مع الجهد عبر النقطتين. بإدخال ثابت التناسب ، المقاومة ، يصل المرء إلى المعادلة الرياضية المعتادة التي تصف هذه العلاقة:

حيث I هو التيار عبر الموصل بوحدات الأمبير ، V هو الجهد المقاس عبر الموصل بوحدات فولت ، و R هي مقاومة الموصل بوحدات أوم. وبشكل أكثر تحديدًا ، ينص قانون أوم على أن R في هذه العلاقة ثابت ومستقل عن التيار.

سُمي القانون على اسم الفيزيائي الألماني جورج أوم ، الذي وصف ، في أطروحة نُشرت عام 1827 ، قياسات الجهد والتيار المطبقين من خلال دوائر كهربائية بسيطة تحتوي على أطوال مختلفة من الأسلاك. شرح أوم نتائجه التجريبية بمعادلة أكثر تعقيدًا من الشكل الحديث أعلاه (انظر التاريخ).

في الفيزياء ، يستخدم مصطلح قانون أوم أيضًا للإشارة إلى التعميمات المختلفة للقانون التي صاغها أوم في الأصل.