Ohmův zákon – Ohmův zákon pro část obvodu, vzorec

Brilantní experimentátor, který dal vědě mnoho úžasných objevů, díky svým experimentům s elektrickým proudem lidstvo získalo spoustu užitečných vynálezů, které se používají všude po stovky let.

Vědec se narodil 16. března 1789 v německém městě Erlangen, které bylo v té době součástí Svaté říše římské. Celé jméno fyzika je Georg Simon Ohm.

Chlapec vyrůstal v protestantské rodině zámečníka Johanna Wolfganga a jeho manželky Elizabeth Marie, dcery krejčího. Georg měl sedm bratrů a sester, kteří brzy zůstali bez matky a byli vychováváni svým otcem.

Ohm starší se ze všech sil snažil svým dětem kompenzovat nedostatek mateřské náklonnosti; kupoval jim knihy, které si v té době nemohla dovolit každá rodina; Johann sám vzdělával své dědice a učil je doma základní vědy.

Rodič v budoucím vědci vštípil touhu po vědě, ačkoli chlapec chodil do nejskromnější školy, kde jediný učitel učil pouze řečtinu a latinu, Georgova touha po poznání s každým rokem jen sílila.

V roce 1798 vstoupil mladý muž do městské tělocvičny, kde se Ohm nudil – všechno, co se učil čtyři roky, už znal díky svému otci, Johann Wolfgang pokračoval ve výuce dětí doma, sám vedl hodiny nebo zval přátele, kteří měli znalosti v jiných oblastech vědy.

Zázračné dítě nastoupilo na univerzitu v roce 1805. Po vynikajícím domácím vzdělání studoval budoucí vědec na univerzitě snadno a bez větší námahy. V té době Ohm ještě nebyl tak nadšený fyzikou, takže věnoval hodně času sportu. Georg vykazoval určité úspěchy ve hře kulečníku a dobře se osvědčil i v rychlobruslení.

Chlapce sport tak uchvátil, že úplně opustil exaktní vědy, což způsobilo otcovu nelibost. Johann Wolfgang se za každou cenu rozhodl vrátit svého syna na cestu fyziky a matematiky v domnění, že mu přinesou úspěch.

Na tomto základě se dokonce rozvinul konflikt mezi příbuznými, který trval několik let; mladý muž dokonce opustil studium a získal práci učitele.

Ohm byl jedním z prvních vědců, kteří experimentovali s elektrickým proudem; během let svého učitelského působení získal elektrochemickou baterii, kterou vytvořil Alessandro Volta.

S pomocí tohoto zařízení, vylepšeného vlastníma rukama, mladý fyzik studoval možnosti elektřiny.

Ohmův první vědecký článek byl publikován v roce 1825, v němž autor tvrdil, že elektromagnetická síla přímo závisí na délce vodiče; Georg k těmto závěrům dospěl po četných experimentech ve své provizorní laboratoři.

O dva roky později vědec publikoval práci, ve které vysvětlil fungování galvanického obvodu pomocí matematických argumentů.

Ohmův zákon je elektrotechnický zákon, který objevil v roce 1826 vynikající německý vědec Georg Simon Ohm.

Hlavním rysem Ohmova zákona je, že zobrazuje elektřinu jako vodu proudící potrubím, fyzikovi se podařilo identifikovat jednoduchý, ale pro každodenní život velmi důležitý zákon, tento zákon odhaluje vztah mezi třemi důležitými veličinami: proudem, napětím a odporem.

Zákon má empirickou povahu, protože vyjadřuje zobecněnou analýzu velkého množství experimentálních dat.

Vzorec Ohmova zákona pro úplný elektrický obvod je nyní následující:

• ℰ — elektromotorická síla zdroje napětí, V;
• I je síla proudu v obvodu, A.
• R — celkový odpor všech vnějších prvků obvodu, Ohm;
• r — vnitřní odpor zdroje napětí, Ohm.

Jak lze na jednoduchém příkladu vysvětlit Ohmův zákon?

Nejlepší analogií pro to jsou vodovodní potrubí.

Jak již víte, elektrický proud je analogický s hydraulikou. Napětí je hladina vody ve věži. Odpor je potrubí nebo hadice. Proud je objem vody za určitý čas.

Nyní uvažujme tento případ. Řekněme, že místo věže máme nádobu s vodou, ve které jsou v různých výškách vyraženy tři stejné otvory. Protože je naše nádoba naplněna vodou, bude tlak na dně nádoby větší než na jejím povrchu.

Jak vidíte, spodní proud, který je blíže ke dnu, tryská dále než střední proud. A střední proud tryská dále než horní. Všimněte si, že všechny otvory mají stejný průměr. To znamená, že můžeme říci, že odpor každého otvoru vůči vodě je stejný. Zároveň je objem vody vytékající z nejspodnějšího otvoru mnohem větší než objem vody vytékající ze středního a nejvyššího otvoru. A jaký je tento objem vody za nějaký čas? Je to proud!

Takže, jaký vzorec zde vidíme? Vzhledem k tomu, že odpor je všude stejný, ukazuje se, že s rostoucím napětím se zvyšuje i proud!

Zkušenost č. 1

Myslím, že každý z vás má zahradu. Vždycky je někde poblíž vodárenská věž.

K čemu je vodárenská věž? K regulaci průtoku vody a k vytváření tlaku v potrubí, jak jinak budete zalévat okurky? Všimli jste si někdy, že je někde na kopci postavena věž? K čemu to slouží? Přesně k vytváření tlaku.

Předpokládejme, že váš pozemek je výše než vrchol vodárenské věže. Co se v tomto případě stane? Voda se k vám prostě nedostane! Fyzika… zákon spojených nádob.

Každý má v kuchyni a koupelně kohoutek. Po dalším pracovním dni se rozhodnete umýt si ruce. Abyste to udělali, pustíte vodu na plný výkon a ta z kohoutku začne téct bouřlivým proudem:

Ale s tímto průtokem vody nejste spokojeni, takže otočením kohoutku kohoutku snížíte průtok vody na minimum:

Co se právě stalo?

Změnou odporu proudění pomocí rukojeti kohoutku jste dosáhli toho, že tento proud vody začal téct velmi slabě.

Nakresleme analogii mezi touto situací a elektrickým proudem. Co tedy máme? Nezměnili jsme průtokové napětí. Někde v dálce je vodárenská věž a ta vytváří tlak v potrubí. Nemáme právo se vodárenské věže dotknout, natož ji bourat. Hladina vody ve věži je tedy vždy plná, protože čerpadlo neustále čerpá vodu na maximální úroveň. V důsledku toho je naše napětí konstantní a nemění se.

Zašroubováním rukojeti baterie zpět jsme právě změnili odpor potrubí, ze kterého je baterie vyrobena. V tomto případě jsme zvýšili odpor proudění vody. A co se stalo s prouděním vody? Začala téct pomaleji! To znamená, že můžeme říci, že počet molekul vody za určitou dobu s plně otevřeným a napůl zavřeným kohoutkem byl jiný. Pojďme si vzpomenout, co je to síla proudu Pro ty, kteří zapomněli, připomínám – je počet elektronů protékajících průřezem vodiče za určitý časA co se stalo s touto silou proudu? Snížila se!

S rostoucím odporem se proud procházející tímto odporem snižuje.

Zažijte N2

Takže máme následující schéma zásobování vodou:

A teď si představte, že zaléváte zahradu a vy Naplnit sud vodou z hadice musíte za 10 minut. Ani o vteřinu dříve a ani o vteřinu později! Ve vaší zahradě teče voda nějak takto:

Řekněme, že z vodárenské věže vede jednoduchá gumová hadice. Soused omylem zaparkoval auto přímo na hadici a trochu ji přitlačil.

Průtok vody vám začal klesat. Měli byste se jít hádat se sousedem? Už je pryč a vy nestihnete naplnit sud za 10 minut. Bude to trvat déle. Co byste měli dělat? Proč neotevřeme kohoutek před vodárenskou věží trochu víc? To je dobrý nápad! Otevřeme kohoutek naplno a dosáhneme toho, aby hladina vody ve věži byla ještě vyšší než předtím (věže sice mají ochranu proti přetečení jakékoli maximální hladiny, ale pro ilustraci tento bod ignorujeme).

Tak co tu máme? Soused skřípl hadici, což znamená. zvýšená odolnostProto se síla našeho proudu snížila. Abychom sílu proudu obnovili, zvýšili jsme napětí, tedy hladinu vody ve věži.

Závěr: S rostoucím napětím se zvyšuje i proud.

Zkušenost č. 3

Ale problémy nikdy nepřicházejí samy. Řídicí relé vodního čerpadla na věži se porouchalo! Čerpadlo čerpá vodu a nevypíná se! Věž přetéká a průtok vody z hadice je každou vteřinou větší a větší! Co dělat? V daném čase přetečeme sud! Uklidněte se, jen se uklidněte. Existuje cesta ven! Abychom to udělali, poběžíme a mírně zavřeme kohoutek, abychom zajistili, že voda z hadice teče jako předtím

V tomto případě se hladina vody (napětí) na vodárenské věži začala zvyšovat, protože čerpadlo se nevypínalo a neustále čerpalo vodu. Proto se začal zvyšovat i průtok vody (proud). Abychom vyrovnali proud, zvýšená odolnost kohoutek ;-), čímž se normalizuje hladina vody ve vodárenské věži (napětí) na přijatelnou úroveň.

Napětí, odpor, proud – jak spolu tyto pojmy souvisí?

Abychom tomuto procesu lépe porozuměli, podívejme se znovu na naši vodárenskou věž:

Na obrázku vidíme věž s automatickou regulací hladiny vody. To znamená, že ať už z věže spotřebujeme kolik vody, vodní čerpadlo v budce vždy dodá vodu na požadovanou hladinu a poté se vypne. Pokud to přeložíme do jazyka elektroniky, dostaneme, že „napětí“ na dně vodárenské věže je konstantní.

Případ č. 1

Pak ale přišla krize a váš soused nemohl snést platit vysoké sazby za vodu, a tak si jednu noc udělal kohoutek o velkém průměru přímo u paty vodárenské věže.

Jakmile jsem vyvrtal díru, voda z věže vytryskla bouřlivým proudem. Co se k tomu dá říct? Síla proudění dírou se ukázala jako slušná, protože naše věž je naplněna vodou až po okraj a hladina vody neklesne, protože jsme okamžitě připojili silné čerpadlo pro automatické zásobování vodou z artézské studny. Pokud by ve věži bylo pár kbelíků vody, byl by tok vody velmi slabý. S tím se zdá být vše jasné.

Případ č. 2

Řekněme, že máte bohatého souseda. Řídí Ladu Vesta a jezdí na dovolenou na Krym). Pro něj je platit 100 rublů měsíčně za čistou vodu totéž, jako jít s přáteli do hospody. Ale zatímco se opaloval na Krymu, jeho děti, které nechal u tchyně, se vplížily do garáže, našly šroubovák a sadu vrtaček. No, jak se často stává, najednou chtěly něco vrtat. Pak ale najednou přišla tchyně a s křikem: „Vypadněte z tátovy garáže!“ rozehnala děti, které se ještě stihly chopit šroubováku a vrtá s nimi. A pak narazily na osamělou věž. a všechno se stalo jako v prvním scénáři. Vrtaly tenká díra přímo u paty vodárenské věže.

Co lze v tomto případě říci? Tlak je stejný jako v prvním případě, protože hladina vody ve věži je stejná. A teď ta záludná otázka.

V jakém případě, analogicky s elektronikou, bude naše aktuální síla větší?

Takže si vzpomínáme, síla proudu je počet elektronů, které projdou průřezem vodiče za určitý čas. Většinou za sekundu. Takže v jakém případě bude počet molekul vody vytékajících z věže za sekundu větší? V prvním nebo druhém případě? Samozřejmě v prvním, protože soused nešetřil a udělal díru velkého průměru a nováčci vrtali díru malého průměru půl dne, protože nenašli velký vrták. V tomto případě závisí síla proudění vody na průměru otvoru.Analogicky s hydraulikou závisí síla proudu na průměru drátu. Čím tenčí drát, tím menší proud jím může protékat, jinak drát shoří. Tím jsme se již zabývali v minulém článku. Nyní se plynule přibližujeme k takovému konceptu v elektronice, jako je odpor.

Odpor a proud

Průměr otvoru tedy hodně znamená pro tok kapaliny. Průměr otvoru je v tomto případě průřez potrubí, že? A co se stane, když do otvoru, který jsme vyvrtali ve věži, vložíme stometrové potrubí? Myslím, že pro nikoho nebude tajemstvím, že tok vody vytékající z potrubí bude menší než bezprostředně z otvoru ve věži. Proč se to děje? Věc se má tak, že voda se tře o stěny potrubí. To znamená, že stěny potrubí vytvářejí odpor průtok vody. Čím delší je tedy potrubí, tím větší je odpor proudění na jeho výstupu. A čím větší je odpor, tím nižší je tlak, který se odečítá jako napětí.

Totéž platí v elektronice. Dráty stejného průměru a vyrobené ze stejného materiálu, ale různé délky, mají také různý odpor. Dlouhý drát bude mít větší odpor než krátký drát.

A ještě jedna nuance.

Kterým potrubím bude voda lépe protékat? Tou s přilepenými exkrementy, nebo tou čistou?

Voda samozřejmě bude lépe proudit čistým potrubím než špinavým. Totéž lze říci o drátech. Různé kovy mají různou vodivost.

Nyní si shrňme vše výše uvedené. Ukazuje se, že odpor vodiče závisí na ploše průřezu, na jeho délce a také na materiálu, ze kterého je vyroben. To vše ve vzorci bude vypadat takto:

Rezistorový rádiový prvek se používá jako odpor v elektronice:

Když elektrický proud prochází rezistorem, začne se měnit síla proudu v obvodu. Pro snazší pochopení lze z hydraulického hlediska rezistor znázornit jako klapku ventilu:

který mění svůj odpor v závislosti na tom, jak moc je ventil otevřený.

Řekněme, že v potrubí je tlak, ale ventil je zcela uzavřen. V tomto případě je tok vody stacionární a voda nikam neteče. Proto je síla proudění v potrubí nulová. Jakmile ale ventil trochu otevřeme, dojde k pohybu vody, což následně způsobí tok vody. Je snadné uhodnout, že čím více ventil otevřeme, tím silnější bude tok vody. S úplně otevřeným ventilem bude síla proudění vody maximální.

Nyní se podívejme na další nuanci. Když je ventil zcela uzavřen, máme na klapce plný tlak vody. Zároveň voda neprotéká. Je pochopitelné, že klapka vodu nepropustí, i když je pod tlakem.

Ale co se stane, když ventil trochu pootevřeme? Sníží se tlak na samotném ventilu? Samozřejmě. Protože se zmenšila plocha odporu ventilu. Ale to nejzajímavější také začalo. Voda se začala pohybovat.

Co když kohoutek úplně otevřeme a ventil nastavíme do této polohy? Jaký tlak bude proud vody vyvíjet na jeho plochu?

Myslím, že v ideálním případě můžeme říci, že žádný neexistuje. V reálném případě bude na oblast ventilu vyvíjen velmi, velmi malý tlak, protože je umístěn rovnoběžně s proudem vody.

A teď další zajímavá otázka: na čem dalším bude záviset tlak na ventilu? Na síle průtoku! A síla průtoku závisí na čem? Na tlaku! Čím silnější je průtok vody, tím silnější je tlak na ventil. Ale opět, aby voda tekla, musí být ventil alespoň napůl otevřený, jako na tomto obrázku:

Klasická hydraulika, teoreticky nic složitého. A teď tohle všechno aplikujme na elektroniku

Začněme se základy. Potrubí – vodič. Napětí – tlak v systému. Molekuly vody – elektrony. Proud – počet molekul vody, které prošly průřezem potrubí za 1 sekundu. A. VENTIL! Co dělá? Klade ODPOR proudění vody. Ventil je tedy odporový. Úplně uzavřený ventil představuje velmi vysoký odpor (dalo by se říct prasklý), ventil rovnoběžný s prouděním vody pak velmi nízký odpor (dalo by se říct 0 Ohmů).

Ale teď POZOR! Plocha klapky, která je vystavena tlaku – co to je? Napětí! A kdy je tlak na klapku největší? Když je úplně zavřená ;-). Úplně zavřená klapka je odpor s nekonečně velkým jmenovitým odporem. A kdy je tlak na klapku minimální? Když je rovnoběžná s prouděním vody ;-). To znamená, že v tomto případě je její odpor téměř 0 Ohmů.

Ukazuje se, že v elektronice, stejně jako v hydraulice, máme ÚBYTEK NAPĚTÍ na odporu. Čím vyšší je hodnota odporu, tím větší je úbytek napětí na tomto odporu a naopak.

A teď další důležitý bod. Na čem závisí tlak na ventilu? Na tlaku v systému a také na síle proudění. Ale opět, aby se vyvolala síla proudění, musí být ventil umístěn co nejvíce rovnoběžně s proudem vody. To znamená, že snižujeme odpor a zároveň zvyšujeme proud. Ukazuje se, že všechny tři tyto parametry, napětí, proud a odpor, jsou vzájemně propojeny.

Ohmův zákon

No, viděli jste v tom všem výše uvedeném nějaký vzorec? Německý fyzik Georg Ohm však pomocí jednoduchých experimentů nalezl souvislost mezi těmito třemi veličinami a od té doby je tento zákon pojmenován po něm:

I je síla proudu vyjádřená v ampérech (A)

U — napětí, vyjádřené ve voltech (V)

R — odpor, vyjádřený v ohmech (Ohm)

Ohmův zákon je nejdůležitějším zákonem v elektronice. Na Ohmově zákoně je postavena absolutně celá teorie obvodů. Proto, abyste se naučili číst elektrické obvody, je velmi důležité vědět, jak spolu souvisí napětí, proud a odpor v určité části obvodu. V tomto článku jsme analyzovali Ohmův zákon pro danou část obvodu, ale existuje také Ohmův zákon pro celý obvod, o kterém si můžete přečíst v tomto článku.