Ohmov zakon je podal nemški fizik Georg Simon Ohm . Navaja razmerje med tokom, uporom in napetostjo v električnem tokokrogu. To razmerje med tokom I, napetostjo V in uporom R je podal slavni nemški znanstvenik Georg Simon Ohm leta 1827. Med izvajanjem svojega poskusa je ugotovil, da produkt toka, ki teče skozi prevodnik, in upora prevodnika določa padec napetosti čez ta prevodnik v tokokrogu.

V tem članku bomo podrobno raziskali koncept Ohmovega zakona, vključno z vsemi temami, omenjenimi v naslednjem kazalu.

Definicija Ohmovega zakona

Ohmov zakon pravi, da je napetost na prevodniku neposredno sorazmerna s tokom, ki teče skozenj, pod pogojem, da vsi fizični pogoji in temperature ostanejo konstantni.

Zato je po Ohmovem zakonu tok, ki teče skozi prevodnik, neposredno sorazmeren z napetostjo v tokokrogu, tj. V ∝ I. Ker torej Ohmov zakon zagotavlja osnovno razmerje med uporabljeno napetostjo in tokom skozi prevodnik, velja za osnovni zakon, ki nam pomaga pri obravnavanju električnega tokokroga. Ohmov zakon pravi, da je tok linearno povezan z napetostjo.

Razlaga Ohmovega zakona

Ohmov zakon je eden temeljnih zakonov elektrostatike, ki pravi, da je napetost v katerem koli prevodniku neposredno sorazmerna s tokom, ki teče v tem prevodniku. Ta pogoj lahko definiramo kot,

V ∝ I

Odstranitev znaka sorazmernosti,

V = RI

kje R je proporcionalna konstanta in se imenuje upornost materiala. Odpornost materiala se izračuna kot,

R = V/I

Upornost se meri v Ohmih. Označujemo ga s simbolom Ω.

Formula Ohmovega zakona

Pod pogojem, da vsi fizikalni parametri in temperature ostanejo konstantni, Ohmov zakon navaja, da je napetost na prevodniku neposredno sorazmerna toku, ki teče skozenj.

Ohmov zakon je naveden kot:

V ∝ I

ALI

V = I × R

Kje,

• R je konstanta sorazmernosti, znana kot odpornost,
• IN je uporabljena napetost in
• jaz je tok, ki teče skozi električni krog.

Zgornjo formulo je mogoče preurediti za izračun toka in upora, kot sledi:

Po Ohmovem zakonu je tok, ki teče skozi prevodnik,

I = V / R

Podobno lahko odpornost opredelimo kot

R = V / I

Graf Ohmovega zakona

Ohmov zakon velja, če so fizični pogoji, kot je temperatura in drugi, konstantni. To je zaradi dejstva, da se tok, ki teče skozi tokokrog, spreminja s spreminjanjem temperature. Zato v takih primerih, ko pridejo v poštev fizični dejavniki, kot je temperatura, pride do kršitve Ohmovega zakona. Na primer v primeru žarnice, kjer se temperatura poveča, ko se poveča tok, ki teče skozi žarnico. Tukaj Ohmov zakon ne sledi.

Graf za ohmsko vezje je obravnavan na spodnji sliki,

Ohmov zakonski graf

Enota Ohmov zakon

Z Ohmovim zakonom so povezane tri fizikalne količine, ki vključujejo,

• Trenutno
• Napetost
• Odpornost

Spodnja tabela prikazuje različne simbole in njihove uporabljene enote.

Enačbe Ohmovega zakona

Ohmov zakon ponuja tri enačbe, ki so:

• V = I × R
• I = V / R
• R = V / I

Kje,

• IN je napetost,
• jaz je trenutni in
• R je upor.

Razmerje med napetostjo, tokom in uporom: Ohmov zakon

Razmerje med napetostjo, tokom in uporom je mogoče enostavno preučiti z uporabo formule,

V = IR

Kje,

• IN je napetost,
• jaz je upor, in
• R je upor.

To formulo lahko preučimo s pomočjo spodnje tabele,

Ohmov zakon trikotnika

Ohmov zakon Trikotnik je vizualna predstavitev za razumevanje in učenje razmerja Ohmov zakon med napetostjo, tokom in uporom. To orodje pomaga inženirjem, da si zapomnijo vrstni red razmerja med tremi glavnimi vidiki: tok (I), napetost (V) in upornost (R).

Ohmov zakon trikotnika

Vektorska oblika Ohmovega zakona

Razmerje med tokom in napetostjo je vzpostavljeno z Ohmovim zakonom, njegova vektorska oblika pa je,

Kje,

• je vektor gostote toka,
• je vektor električnega polja in
• str je prevodnost materiala.

Upornost

Ovira, s katero se srečujejo elektroni med premikanjem v katerem koli materialu, se imenuje upornost materiala.

Naj bo upor dolžine 'l' in površina prečnega prereza 'A' ima upor R. Potem vemo,

niz v cela števila

Upornost je neposredno sorazmerna z dolžino upora, to je R ∝ l, . . .(1)

Upornost je obratno sorazmerna s površino preseka upora, to je R ∝ 1/A. . .(2)

združevanje ekv. (1) in enač. (2)

R = ρl / A

Kje r je konstanta sorazmernosti, imenovana koeficient upora ali upornosti.

Zdaj, če je L = 1 m in A = 1 m², v zgornji formuli dobimo,

R = ρ

To pomeni za upor dolžine 1 m in preseka 1 m²upor se imenuje upornost materiala.

Eksperimentalno preverjanje Ohmovega zakona

Preverjanje Ohmovega zakona se doseže z izvedbo naslednjega poskusa.

Zahtevana naprava

Naprava, ki je potrebna za izvedbo poskusa za preverjanje Ohmovega zakona, je:

• upor
• Ampermeter
• Voltmeter
• Baterija
• Ključ za vtič
• Reostat

Shema vezja

Diagram vezja za eksperimentalno preverjanje Ohmovega zakona je podan v spodnjem diagramu,

Shema vezja Ohmovega zakona

Postopek

Spodaj je omenjen postopek za eksperimentalno preverjanje Ohmovega zakona:

• Ključ K se najprej zapre in reostat nastavi tako, da je odčitek v ampermetru A in voltmetru V minimalen.
• Tok se nato poveča v tokokrogu s prilagoditvijo reostata in zabeleži se tok pri različnih vrednostih reostata in njihovi ustrezni napetosti.
• Zdaj za različne vrednosti napetosti (V) in toka (I) in nato izračunajte razmerje V/I.
• Po izračunu vseh razmerij V/I za različne vrednosti napetosti in toka opazimo, da je vrednost skoraj konstantna.
• Če zdaj narišemo graf toka proti potencialni razliki, dobimo ravno črto. To kaže, da je tok neposredno sorazmeren potencialni razliki, njegov naklon pa je upor žice.

Tortni diagram Ohmovega zakona

Za boljše razumevanje razmerja med različnimi parametri lahko vzamemo vse enačbe, ki se uporabljajo za iskanje napetosti, toka, upora in moči, in jih strnemo v preprost tortni diagram Ohmovega zakona, kot je prikazano spodaj:

Tortni grafikon Ohmovega zakona

Ohmova zakonska matrična tabela

Tako kot tortni diagram Ohmovega zakona, prikazan zgoraj, lahko strnemo posamezne enačbe Ohmovega zakona v preprosto matrično tabelo, kot je prikazano spodaj, za lažjo uporabo pri izračunu neznane vrednosti.

Ohmova zakonska matrična tabela

Uporaba Ohmovega zakona

Ko sta znani drugi dve številki, se lahko uporabi Ohmov zakon za določitev napetosti, toka, impedance ali upora linearnega električnega tokokroga.

Glavne uporabe Ohmovega zakona:

• Prav tako poenostavlja izračune moči.
• Za ohranjanje želenega padca napetosti med električnimi komponentami se uporablja Ohmov zakon.
• Določiti je treba napetost, upor ali tok električnega tokokroga.
• Ohmov zakon se uporablja tudi za preusmerjanje toka v enosmernih ampermetrih in drugih enosmernih šantih.

Kako vzpostaviti razmerje tok-napetost?

Razmerje V ⁄ I ostane konstantno za dani upor med vzpostavljanjem tokovno-napetostne povezave, zato mora biti graf potencialne razlike (V) in toka (I) ravna črta.

Kako lahko odkrijemo neznane vrednosti upora?

Konstantno razmerje je tisto, kar določa neznane vrednosti upora. Odpornost žice z enakomernim prečnim prerezom je odvisna od dolžine (L) in površine prečnega prereza (A). Odvisen je tudi od temperature prevodnika.

Odpornost pri dani temperaturi,

R = ρ L ⁄ A

kje,
r je specifična odpornost ali upornost in je značilnost materiala žice.

Specifična odpornost ali upornost materiala žice je,

ρ = R A ⁄ L

Izračun električne moči z uporabo Ohmovega zakona

Električno moč definiramo kot moč, ki jo električni naboji potrebujejo za opravljanje različnih del. Stopnjo porabe električne energije imenujemo električna moč. Enota za merjenje električne moči je vat. S pomočjo Ohmovega zakona zlahka ugotovimo moč električnega kroga. Formula za izračun električne energije je,

P = VI

Kje,

P je moč tokokroga, V je napetost v tokokrogu in I je tok, ki teče skozi tokokrog.

Vemo, da z uporabo Ohmovega zakona

V = IR

Z uporabo formule moči, ki jo dobimo,

P = V²/R

P = jaz²R

Omejitve Ohmovega zakona

Različne omejitve Ohmovega zakona so,

• Ohmov zakon ne velja za enostranska omrežja. V enostranskih omrežjih lahko tok teče samo enosmerno. V tovrstnih omrežjih se uporabljajo diode, tranzistorji in druge elektronske komponente.
• Nelinearne komponente so prav tako izvzete iz Ohmovega zakona. Nelinearne komponente imajo tok, ki ni sorazmeren z uporabljeno napetostjo, kar pomeni, da se vrednost upora teh elementov spreminja glede na napetost in tok. Tiristor je primer nelinearnega elementa.

Analogije Ohmovega zakona

V preteklosti so bile podane različne analogije za razlago Ohmovega zakona, nekatere najpogostejše analogije so:

• Analogija vodovodne cevi
• Temperaturna analogija

O teh analogijah se podrobneje pogovorimo.

Analogija vodovodne cevi za Ohmov zakon

Vemo, da je tok, ki teče skozi katero koli vezje, odvisen od uporabljene napetosti in upora vezja. Lahko pa vidimo, kako tok teče skozi vezje, da bi ga bolje razumeli, uporabimo analogijo vodne cevi, v kateri tekoča voda predstavlja tok, in s tem konceptom lahko razumemo Ohmov zakon.

Voda, ki teče po ceveh, je podobna toku, ki teče po električnem krogu. Vemo, da je v električnem tokokrogu potrebna napetost za premikanje toka v tokokrogu na enak način, kot tlak v vodovodnem sistemu omogoča, da voda zlahka teče v sistemu.

Če se tlak poveča, skozi cev teče več vode, kar je podobno Ohmovemu zakonu, ki pravi, da če se napetost poveča, skozi električni tokokrog teče več toka.

vnos niza v javo

Temperaturna analogija

Podobno lahko temperaturno vezje primerjamo tudi z ohmskim vodnikom. Tukaj temperaturni gradient deluje podobno kot napetost, toplotni tok pa deluje podobno kot tok.

Preberi več,

• Odpornost
• Dejavniki, ki vplivajo na odpornost
• Samoinduktivnost

Rešeni primeri Ohmovega zakona

Primer 1: Poiščite upornost električnega kroga z napajalno napetostjo 15 V in tokom 3 mA.

rešitev:

podano:

V = 15 V,

I = 3 mA = 0,003 A

Upornost električnega tokokroga je podana kot:

⇒ R = V / I

⇒ R = 15 V / 0,003 A
⇒ R = 5000 Ω
⇒ R = 5 kΩ

Zato je upornost električnega tokokroga 5 kΩ .

Primer 2: Če je upor električnega likalnika 10 Ω in skozi upor teče tok 6 A. Poiščite napetost med dvema točkama.

rešitev:

podano:

I = 6 A, R = 10 Ω

Formula za izračun napetosti je podana kot:

V = I × R

⇒ V = 6 A × 10 Ω
⇒ V = 60 V

Torej je napetost med dvema točkama 60 V .

Primer 3: Poiščite tok, ki teče skozi prevodnik z napetostjo 20 voltov, ko je moč, ki jo črpa, 60 vatov.

rešitev:

Po Ohmovem P = VI

Podano P = 60 vatov, V = 20 voltov

⇒ I = P/V
⇒ I = 60/20
⇒ I = 3 A

Zato je tok, ki teče skozi prevodnik 3 A

Primer 4: Baterija 6 V je priključena na žarnico z uporom 4 Ω. Poiščite tok, ki teče skozi žarnico, in moč vezja.

rešitev:

podano,
V=6V
R = 4 Ω

Vemo, da

V = IR (Ohmov zakon)

⇒ 6 = 4R

⇒ I = 6 ÷ 4 = 1,5 A

⇒ I = 1,5 A

Tako je tok, ki teče skozi žarnico, 1,5 A

Za moč vezja

P = VI

⇒ P = (6)(1,5)

⇒ P = 9 vatov

Tako je moč vezja 9 vatov.

Pogosta vprašanja o Ohmovem zakonu

V1: Kaj je Ohmov zakon?

odgovor:

Po Ohmovem zakonu je tok, ki teče skozi prevodnik, neposredno sorazmeren potencialni razliki na koncu prevodnika, če se temperatura in drugi fizični pogoji ne spremenijo.

V2: Kdo je odkril Ohmov zakon?

odgovor:

Nemški fizik Georg Simon Ohm je prvi razložil Ohmov zakon. Izjavil je, da je tok, ki teče skozi prevodnik, neposredno sorazmeren z uporabljeno napetostjo.

V3: Ali je Ohmov zakon univerzalno uporaben?

odgovor:

Ohmov zakon ni univerzalen zakon, saj se ne uporablja za vsa električna vezja.

• Tokokrogi, ki upoštevajo Ohmov zakon, se imenujejo ohmsko vezje
• Tokokrogi, ki ne upoštevajo Ohmovega zakona, se imenujejo neomska vezja

V4: Kdaj je bil odkrit Ohmov zakon?

odgovor:

Ohmov zakon je prvi navedel Georg Simon Ohm v svoji knjigi The Galvanic Chain, Mathematically Edited leta 1827.

V5: Kaj je enota upora?

odgovor:

Enota SI za upor je Ohm. Označena je z Ω.

niz v znak

V6: Kakšna je dimenzijska formula za odpornost?

odgovor:

Dimenzijska formula za odpornost je [M¹L²T^-3jaz^-2]

V7: Zakaj Ohmov zakon ne velja za polprevodnike?

odgovor:

Polprevodniške naprave so po naravi nelinearne, zato Ohmov zakon zanje ne velja. To pomeni, da razmerje med napetostjo in tokom ne ostane konstantno, ko se napetost spreminja.

V8: Kdaj Ohmov zakon ne uspe?

odgovor:

Obnašanje polprevodnikov in enostranskih naprav, kot so diode, določa Ohmov zakon. Če fizični dejavniki, kot sta temperatura in tlak, niso konstantni, Ohmov zakon morda ne bo zagotovil želenih učinkov.