ЗАКОН НА ОМ: ЕДИНИЦИ И ФОРМУЛА, ИЗЧИСЛЕНИЕ, ПРИМЕРИ, УПРАЖНЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

Законът на Ом в своята макроскопична форма показва, че напрежението и интензитетът на тока в дадена верига са пряко пропорционални на съпротивлението и са постоянни на пропорционалност. Като обозначава тези три величини съответно V, I и R, законът на Ом гласи, че: V = IR

По същия начин законът на Ом е обобщен, за да включва елементи на вериги, които не са чисто съпротивляващи се в вериги с променлив ток, по този начин той придобива следната форма: V = IZ

Фигура 1. Законът на Ом е приложим за много вериги. Източник: Wikimedia Commons. Tlapicka

Където Z е импедансът, който също представлява противопоставяне на преминаването на променлив ток от елемент на верига, например кондензатор или индуктивност.

Трябва да се отбележи, че не всички верижни материали и елементи отговарят на закона на Ом. Тези, в които тя е валидна, се наричат ​​омични елементи, и в които тя не е изпълнена, те се наричат ​​не-омични или нелинейни.

Общите електрически резистори са от омичен тип, но диодите и транзисторите не са, тъй като връзката между напрежението и тока в тях не е линейна.

Законът на Ом дължи името си на германския физик и математик Джордж Саймън Ом (1789-1854), роден в Бавария, който по време на кариерата си се посвещава на изучаването на поведението на електрическите вериги. Единицата за електрическо съпротивление в международната система SI е наречена в негова чест: ома, който се изразява и с гръцката буква Ω.

Как се изчислява?

Въпреки че макроскопичната форма на закона на Ом е най-известна, тъй като свързва количествата, които са лесно измерими в лабораторията, микроскопичната форма свързва две важни векторни величини: електрическото поле E и плътността на тока J:

Където σ е електрическата проводимост на материала, свойство, което показва колко лесно е да се провежда ток. От своя страна J е вектор, чиято величина е коефициентът между интензитета на тока I и площта на напречното сечение A, през който циркулира.

Логично е да се предположи, че съществува естествена връзка между електрическото поле вътре в даден материал и електрическия ток, който циркулира през него, така че колкото по-голям е токът, толкова повече е токът.

Но токът не е вектор, тъй като няма посока в пространството. От друга страна, векторът J е перпендикулярен - или нормален - спрямо площта на напречното сечение на проводника и неговата посока е тази на тока.

От тази форма на закона на Ом стигаме до първото уравнение, приемайки проводник с дължина ℓ и напречно сечение A и замествайки величините на J и E с:

Обратната проводимост се нарича съпротивление и се обозначава с гръцката буква ρ:

По този начин:

Съпротивлението на проводник

В уравнението V = (ρℓ / A).I, константата (ρℓ / A) е съпротивлението, следователно:

Съпротивлението на проводника зависи от три фактора:

-Из съпротивление ρ, типично за материала, с който е произведен.

-Дължина ℓ.

-Област А на напречното му сечение.

Колкото е по-високо ℓ, толкова по-голямо е съпротивлението, тъй като токовите носители имат повече възможности да се сблъскат с други частици вътре в проводника и да загубят енергия. И обратно, колкото по-висок е A, толкова по-лесно е текущите превозвачи да се движат по подреден начин през материала.

И накрая, в молекулната структура на всеки материал се крие лекотата, с която дадено вещество позволява преминаване на електрически ток. Така например металите като мед, злато, сребро и платина с ниско съпротивление са добри проводници, докато дървото, каучукът и маслото не са, поради което имат по-голямо съпротивление.

Примери

Ето два илюстративни примера на закона на Ом.

Експериментирайте, за да проверите закона на Ом

Прост опит илюстрира закона на Ом, за това ви е необходим парче проводящ материал, променлив източник на напрежение и мултицет.

Между краищата на проводящия материал се установява напрежение V, което трябва да се променя малко по малко. С променливия източник на мощност могат да се зададат стойностите на споменатото напрежение, които се измерват с мултицет, както и тока I, който циркулира през проводника.

Двойките стойности V и I се записват в таблица и с тях на графична хартия е изградена графика. Ако получената крива е права, материалът е омичен, но ако е някаква друга крива, материалът е неомичен.

В първия случай може да се определи наклонът на линията, който е еквивалентен на съпротивлението R на проводника или неговата обратна, проводимостта.

На изображението по-долу синята линия представлява една от тези графики за омичен материал. Междувременно жълтите и червените криви са направени от неохимични материали, като полупроводник, например.

Фигура 2. Графика I vs. V за омични материали (синя линия) и неохемски материали. Източник: Wikimedia Commons.

Хидравлична аналогия на закона на Ом

Интересно е да се знае, че електрическият ток в закона на Ом има поведение, подобно на това на водата, циркулираща през тръба. Английският физик Оливър Лодж беше първият, който предложи симулацията на поведението на тока, използвайки елементи от хидравликата.

Например тръбите представляват проводниците, тъй като водата циркулира през тях, а токовите носители през последните. Когато има стесняване в тръбата, преминаването на вода е затруднено, така че това би било еквивалентно на електрическо съпротивление.

Разликата в налягането в двата края на тръбата позволява на водата да тече, което осигурява разлика във височината или водна помпа и по подобен начин разликата в потенциала (акумулатора) е това, което поддържа заряда да се движи., еквивалентен на потока или обема на водата за единица време.

Буталната помпа ще играе ролята на променлив източник на напрежение, но предимството на пускането на водна помпа е, че хидравличната верига по този начин ще бъде затворена, точно както електрическа верига трябва да е за да тече ток.

Фигура 3. Хидравлична аналогия за закона на Ом: в а) система за воден поток и в б) проста резистивна верига. Източник: Tippens, P. 2011. Физика: концепции и приложения. 7-мо издание. McGraw Hill.

Резистори и превключватели

Еквивалентът на превключвател във верига, това би бил спирателен кран. Интерпретира се по този начин: ако веригата е отворена (спирателен кран затворен), токът, подобно на водата, не може да тече.

От друга страна, при затворен превключвател (спирателен кран напълно отворен) токът и водата могат да протичат без проблеми през проводника или тръбата.

Спирачът или вентилът може също да представлява съпротивление: когато кранът е напълно отворен, това е еквивалентно на нулево съпротивление или късо съединение. Ако се затвори напълно, това е като отварянето на веригата, докато частично затворено е като да има съпротивление с определена стойност (виж фигура 3).

Упражнения

- Упражнение 1

Известно е, че електрическото желязо изисква 2А на 120V, за да функционира правилно. Каква е неговата устойчивост?

Решение

Решете за съпротива от закона на Ом:

- Упражнение 2

Проводник с диаметър 3 мм и дължина 150 м има електрическо съпротивление от 3,00 Ω при 20 ° C. Намерете съпротивлението на материала.

Решение

Уравнението R = ρℓ / A е подходящо, затова първо трябва да се намери площта на напречното сечение:

И накрая, при заместване получавате:

Препратки

1. Ресник, Р. 1992. Физика. Трето разширено издание на испански език. Том 2. Compañía Редакционен Continental SA de CV
2. Сиърс, Земански. 2016. Университетска физика със съвременна физика. 14 ^-та. Изд. Том 2. 817-820.
3. Serway, R., Jewett, J. 2009. Physics for Science and Engineering with Modern Physics. 7-мо издание. Том 2. Учене по ченгета. 752-775.
4. Tippens, P. 2011. Физика: концепции и приложения. 7-мо издание. McGraw Hill.
5. Университет в Севиля. Катедра по приложна физика III. Плътност и интензивност на тока. Възстановени от: us.es.
6. Уокър, Дж. 2008. Физика. 4-ти изд. Pearson. 725-728