Spænding, strøm, modstand og Ohms lov: 5 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:30

Dækket i denne vejledning

Hvordan elektrisk ladning relaterer sig til spænding, strøm og modstand.

Hvilken spænding, strøm og modstand er.

Hvad Ohms lov er, og hvordan man bruger den til at forstå elektricitet.

Et enkelt eksperiment for at demonstrere disse begreber.

Trin 1: Elektrisk opladning

Elektrisk ladning er materiens fysiske egenskab, der får den til at opleve en kraft, når den placeres i et elektromagnetisk felt. Der er to typer elektriske ladninger: positiv og negativ (almindeligvis båret af henholdsvis protoner og elektroner). Ligesom afgifter frastøder og i modsætning til tiltrækning. Fravær af nettogebyr betegnes som neutral. Et objekt er negativt ladet, hvis det har et overskud af elektroner, og er ellers positivt ladet eller uladet. Den SI -afledte enhed for elektrisk ladning er coulomb (C). I elektroteknik er det også almindeligt at bruge ampere-timen (Ah); i kemi er det almindeligt at bruge elementær ladning (e) som en enhed. Symbolet Q betegner ofte ladning. Tidlig viden om, hvordan ladede stoffer interagerer, kaldes nu klassisk elektrodynamik og er stadig præcis for problemer, der ikke kræver overvejelse af kvanteeffekter.

Den elektriske ladning er en grundlæggende bevaret egenskab for nogle subatomære partikler, som bestemmer deres elektromagnetiske interaktion. Elektrisk ladet stof påvirkes af eller producerer elektromagnetiske felter. Interaktionen mellem en ladning i bevægelse og et elektromagnetisk felt er kilden til den elektromagnetiske kraft, som er en af de fire grundlæggende kræfter (se også: magnetfelt).

Eksperimenter fra det tyvende århundrede viste, at elektrisk ladning er kvantiseret; det vil sige, det kommer i heltalsmultipler af individuelle små enheder kaldet elementær ladning, e, omtrent lig med 1.602 × 10−19 coulombs (undtagen partikler kaldet kvarker, der har ladninger, der er heltalsmultipler af 1/3e). Protonen har en ladning på +e, og elektronen har en ladning på -e. Undersøgelsen af ladede partikler, og hvordan deres interaktioner medieres af fotoner, kaldes kvanteelektrodynamik.

Trin 2: Spænding:

Spænding, elektrisk potentialeforskel, elektrisk tryk eller elektrisk spænding (formelt betegnet ∆V eller ∆U, men oftere forenklet som V eller U, f.eks. I forbindelse med Ohms eller Kirchhoffs kredslov) er forskellen i elektrisk potentiel energi mellem to point pr. enhed elektrisk ladning. Spændingen mellem to punkter er lig med arbejdet pr. Ladningsenhed mod et statisk elektrisk felt for at flytte testladningen mellem to punkter. Dette måles i enheder i volt (en joule pr. Coulomb).

Spænding kan skyldes statiske elektriske felter, elektrisk strøm gennem et magnetfelt, tidsvarierende magnetfelter eller en kombination af disse tre. [1] [2] Et voltmeter kan bruges til at måle spændingen (eller potentialeforskellen) mellem to punkter i et system; ofte bruges et fælles referencepotentiale som f.eks. systemets grund som et af punkterne. En spænding kan repræsentere enten en energikilde (elektromotorisk kraft) eller tabt, brugt eller lagret energi (potentielt fald)

Når man beskriver spænding, strøm og modstand, er en almindelig analogi en vandtank. I denne analogi repræsenteres ladning af vandmængden, spænding repræsenteres af vandtrykket, og strøm repræsenteres af vandstrømmen. Så husk for denne analogi:

Vand = Opladning

Tryk = spænding

Flow = Strøm

Overvej en vandtank i en vis højde over jorden. I bunden af denne tank er der en slange.

Så strømmen er lavere i tanken med højere modstand.

Trin 3: Elektricitet:

Elektricitet er tilstedeværelsen og strømmen af elektrisk ladning. Dens mest kendte form er strømmen af elektroner gennem ledere såsom kobbertråde.

Elektricitet er en energiform, der kommer i positive og negative former, som forekommer naturligt (som i lyn) eller produceres (som i generator). Det er en form for energi, som vi bruger til at drive maskiner og elektriske apparater. Når afgifterne ikke bevæger sig, kaldes elektricitet statisk elektricitet. Når ladningerne bevæger sig, er de en elektrisk strøm, undertiden kaldet 'dynamisk elektricitet'. Lyn er den mest kendte og farlige form for elektricitet i naturen, men nogle gange får statisk elektricitet tingene til at hænge sammen.

Elektricitet kan være farlig, især omkring vand, fordi vand er en form for leder. Siden det nittende århundrede har elektricitet været brugt i alle dele af vores liv. Indtil da var det bare en nysgerrighed set i et tordenvejr.

Elektricitet kan skabes, hvis en magnet passerer tæt på en metaltråd. Dette er den metode, der bruges af en generator. De største generatorer er i kraftværker. Elektricitet kan også genereres ved at kombinere kemikalier i en krukke med to forskellige slags metalstænger. Dette er den metode, der bruges i et batteri. Statisk elektricitet skabes gennem friktionen mellem to materialer. For eksempel en uldhætte og en lineal i plastik. Gnid dem sammen kan skabe en gnist. Elektricitet kan også skabes ved hjælp af energi fra solen som i fotovoltaiske celler.

Elektricitet ankommer til hjem gennem ledninger fra det sted, hvor den genereres. Det bruges af elektriske lamper, elektriske varmeapparater osv. Mange husholdningsapparater som vaskemaskiner og elektriske komfurer bruger strøm. På fabrikker er der elektriske maskiner. Folk, der beskæftiger sig med elektricitet og elektriske apparater i vores hjem og fabrikker, kaldes "elektrikere".

Lad os sige nu, at vi har to tanke, hver tank med en slange, der kommer fra bunden. Hver tank har nøjagtig den samme mængde vand, men slangen på den ene tank er smallere end slangen på den anden.

Vi måler det samme tryk i enden af hver slange, men når vandet begynder at strømme, vil vandets strømningshastighed i tanken med den smallere slange være mindre end vandhastigheden af vandet i tanken med bredere slange. Elektrisk set er strømmen gennem den smallere slange mindre end strømmen gennem den bredere slange. Hvis vi vil have flowet til at være det samme gennem begge slanger, skal vi øge mængden af vand (opladning) i tanken med den smallere slange.

Trin 4: Elektrisk modstand og konduktans

I den hydrauliske analogi er strøm, der strømmer gennem en ledning (eller modstand), ligesom vand, der strømmer gennem et rør, og spændingsfaldet over tråden er som trykfaldet, der skubber vand gennem røret. Konduktans er proportional med, hvor meget strøm der opstår for et givet tryk, og modstand er proportional med, hvor meget tryk der kræves for at opnå et givet flow. (Konduktans og modstand er gensidige.)

Spændingsfaldet (dvs. forskellen mellem spændinger på den ene side af modstanden og den anden), ikke selve spændingen, giver drivkraften, der skubber strøm gennem en modstand. I hydraulik ligner det: Trykforskellen mellem to sider af et rør, ikke selve trykket, bestemmer strømmen gennem det. For eksempel kan der være et stort vandtryk over røret, som forsøger at skubbe vand ned gennem røret. Men der kan være et lige så stort vandtryk under røret, som forsøger at skubbe vand tilbage op gennem røret. Hvis disse tryk er ens, strømmer der ikke vand. (På billedet til højre er vandtrykket under røret nul.)

Modstand og konduktans af en ledning, modstand eller et andet element bestemmes for det meste af to egenskaber:

• geometri (form) og
• materiale

Geometri er vigtig, fordi det er sværere at skubbe vand gennem et langt, smalt rør end et bredt, kort rør. På samme måde har en lang, tynd kobbertråd højere modstand (lavere konduktans) end en kort, tyk kobbertråd.

Materialer er også vigtige. Et rør fyldt med hår begrænser vandstrømmen mere end et rent rør af samme form og størrelse. På samme måde kan elektroner flyde frit og let gennem en kobbertråd, men kan ikke flyde så let gennem en ståltråd med samme form og størrelse, og de kan i det væsentlige slet ikke strømme gennem en isolator som gummi, uanset dens form. Forskellen mellem kobber, stål og gummi er relateret til deres mikroskopiske struktur og elektronkonfiguration og kvantificeres ved en egenskab kaldet resistivitet.

Udover geometri og materiale er der forskellige andre faktorer, der påvirker modstand og konduktans.

Det er givet, at vi ikke kan passe så meget volumen gennem et smalt rør end et bredere ved samme tryk. Dette er modstand. Det smalle rør "modstår" vandstrømmen gennem det, selvom vandet er under samme tryk som tanken med det bredere rør.

Elektrisk er dette repræsenteret af to kredsløb med lige spændinger og forskellige modstande. Kredsløbet med den højere modstand vil tillade mindre ladning at strømme, hvilket betyder, at kredsløbet med højere modstand har mindre strøm, der strømmer gennem det.

Trin 5: Ohms lov:

Ohms lov siger, at strømmen gennem en leder mellem to punkter er direkte proportional med spændingen over de to punkter. Ved at introducere proportionalitetskonstanten, modstanden, når man frem til den sædvanlige matematiske ligning, der beskriver dette forhold:

hvor I er strømmen gennem lederen i ampereenheder, V er spændingen målt over lederen i volt enheder, og R er lederens modstand i ohm. Mere specifikt siger Ohms lov, at R i dette forhold er konstant, uafhængig af strømmen.

Loven blev opkaldt efter den tyske fysiker Georg Ohm, der i en afhandling, der blev offentliggjort i 1827, beskrev målinger af påført spænding og strøm gennem simple elektriske kredsløb, der indeholdt forskellige trådlængder. Ohm forklarede sine eksperimentelle resultater med en lidt mere kompleks ligning end den moderne form ovenfor (se Historie).

I fysikken bruges udtrykket Ohms lov også til at henvise til forskellige generaliseringer af loven, der oprindeligt var formuleret af Ohm.