Tensioni, Rryma, Rezistenca dhe Ligji i Ohmit: 5 hapa

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:30

Mbuluar në këtë Tutorial

Si lidhet ngarkesa elektrike me tensionin, rrymën dhe rezistencën.

Çfarë është tensioni, rryma dhe rezistenca.

Çfarë është Ligji i Ohmit dhe si ta përdorni atë për të kuptuar energjinë elektrike.

Një eksperiment i thjeshtë për të demonstruar këto koncepte.

Hapi 1: Ngarkesa elektrike

Ngarkesa elektrike është vetia fizike e materies që e bën atë të përjetojë një forcë kur vendoset në një fushë elektromagnetike. Ekzistojnë dy lloje të ngarkesave elektrike: pozitive dhe negative (zakonisht barten përkatësisht nga protonet dhe elektronet). Ashtu si akuzat zmbrapsin dhe ndryshe tërheqin. Mungesa e tarifës neto quhet neutrale. Një objekt ngarkohet negativisht nëse ka një tepricë të elektroneve, dhe përndryshe është i ngarkuar pozitivisht ose i pa ngarkuar. Njësia e ngarkesës elektrike e nxjerrë nga SI është kuloni (C). Në inxhinierinë elektrike, është gjithashtu e zakonshme të përdoret amper-orë (Ah); ndërsa në kimi, është e zakonshme të përdoret ngarkesa elementare (e) si njësi. Simboli Q shpesh tregon ngarkesë. Njohja e hershme se si bashkëveprojnë substancat e ngarkuara tani quhet elektrodinamikë klasike dhe është ende e saktë për problemet që nuk kërkojnë shqyrtim të efekteve kuantike.

Ngarkesa elektrike është një pronë themelore e ruajtur e disa grimcave nënatomike, e cila përcakton ndërveprimin e tyre elektromagnetik. Lënda e ngarkuar elektrike ndikohet ose prodhon fusha elektromagnetike. Ndërveprimi midis një ngarkese lëvizëse dhe një fushe elektromagnetike është burimi i forcës elektromagnetike, e cila është një nga katër forcat themelore (Shih gjithashtu: fushën magnetike).

Eksperimentet e shekullit të njëzetë demonstruan se ngarkesa elektrike është e kuantizuar; domethënë, vjen në shumëfisha të plota të njësive të vogla individuale të quajtura ngarkesë elementare, e, afërsisht të barabarta me 1.602 × 10−19 kulombe (me përjashtim të grimcave të quajtura kuarkë, të cilët kanë ngarkesa që janë shumëfish të plotë të 1/3e). Protoni ka një ngarkesë +e, dhe elektroni ka një ngarkesë prej −e. Studimi i grimcave të ngarkuara dhe mënyra se si ndërveprimet e tyre ndërmjetësohen nga fotonet, quhet elektrodinamikë kuantike.

Hapi 2: Tensioni

Tensioni, ndryshimi i potencialit elektrik, presioni elektrik ose tensioni elektrik (i shënuar zyrtarisht ∆V ose ∆U, por më shpesh i thjeshtuar si V ose U, për shembull në kontekstin e ligjeve të qarkut të Ohmit ose Kirchhoff) është ndryshimi në energjinë potenciale elektrike midis dy pikë për njësi të ngarkesës elektrike. Tensioni midis dy pikave është i barabartë me punën e bërë për njësi ngarkese kundër një fushe elektrike statike për të lëvizur ngarkesën e provës midis dy pikave. Kjo matet në njësi volt (një xhaul për kulomb).

Tensioni mund të shkaktohet nga fushat elektrike statike, nga rryma elektrike përmes një fushe magnetike, nga fushat magnetike që ndryshojnë në kohë, ose ndonjë kombinim i këtyre të treve. [1] [2] Një voltmetër mund të përdoret për të matur tensionin (ose ndryshimin e mundshëm) midis dy pikave në një sistem; shpesh një potencial i përbashkët referimi siç është toka e sistemit përdoret si një nga pikat. Një tension mund të përfaqësojë ose një burim energjie (forcë elektromotore) ose energji të humbur, të përdorur ose të ruajtur (rënie e mundshme)

Kur përshkruani tensionin, rrymën dhe rezistencën, një analogji e zakonshme është një rezervuar uji. Në këtë analogji, ngarkesa përfaqësohet nga sasia e ujit, tensioni përfaqësohet nga presioni i ujit, dhe rryma përfaqësohet nga rrjedha e ujit. Pra, për këtë analogji, mbani mend:

Uji = Ngarkesa

Presioni = Tensioni

Rrjedha = Rryma

Konsideroni një rezervuar uji në një lartësi të caktuar mbi tokë. Në fund të këtij rezervuari, ka një zorrë.

Pra, rryma është më e ulët në rezervuarin me rezistencë më të lartë.

Hapi 3: Energjia elektrike

Energjia elektrike është prania dhe rrjedhja e ngarkesës elektrike. Forma e tij më e njohur është rrjedha e elektroneve përmes përcjellësve siç janë telat e bakrit.

Energjia elektrike është një formë e energjisë që vjen në forma pozitive dhe negative, e cila ndodh natyrshëm (si në rrufe), ose prodhohet (si në gjenerator). Shtë një formë e energjisë të cilën ne e përdorim për të fuqizuar makinat dhe pajisjet elektrike. Kur ngarkesat nuk lëvizin, energjia elektrike quhet elektricitet statik. Kur ngarkesat lëvizin ato janë një rrymë elektrike, e quajtur nganjëherë "energji dinamike". Rrufeja është lloji më i njohur dhe më i rrezikshëm i energjisë elektrike në natyrë, por ndonjëherë elektriciteti statik bën që gjërat të rrinë së bashku.

Energjia elektrike mund të jetë e rrezikshme, veçanërisht rreth ujit sepse uji është një formë përcjellësi. Që nga shekulli i nëntëmbëdhjetë, energjia elektrike është përdorur në çdo pjesë të jetës sonë. Deri atëherë, ishte vetëm një kuriozitet i parë në një stuhi.

Energjia elektrike mund të krijohet nëse një magnet kalon pranë një teli metalik. Kjo është metoda e përdorur nga një gjenerator. Gjeneratorët më të mëdhenj janë në termocentralet. Energjia elektrike gjithashtu mund të gjenerohet duke kombinuar kimikate në një kavanoz me dy lloje të ndryshme shufrash metalike. Kjo është metoda e përdorur në një bateri. Elektriciteti statik krijohet përmes fërkimit midis dy materialeve. Për shembull, një kapak leshi dhe një vizore plastike. Fërkimi i tyre së bashku mund të bëjë një shkëndijë. Energjia elektrike gjithashtu mund të krijohet duke përdorur energji nga dielli si në qelizat fotovoltaike.

Energjia elektrike vjen në shtëpi përmes telave nga vendi ku prodhohet. Përdoret nga llambat elektrike, ngrohësit elektrikë, etj. Shumë pajisje shtëpiake si lavatriçe dhe soba elektrike përdorin energji elektrike. Në fabrika, ka makina të fuqisë elektrike. Njerëzit që merren me energji elektrike dhe pajisje elektrike në shtëpitë dhe fabrikat tona quhen "elektricistë".

Le të themi tani që kemi dy tanke, secili rezervuar me një zorrë që vjen nga fundi. Çdo rezervuar ka sasinë e njëjtë të ujit, por zorra në njërin rezervuar është më e ngushtë se ajo në anën tjetër.

Ne matim të njëjtën sasi presioni në fund të secilit tub, por kur uji fillon të rrjedhë, shkalla e rrjedhjes së ujit në rezervuar me zorrën më të ngushtë do të jetë më e vogël se shkalla e rrjedhës së ujit në rezervuar me zorrë më e gjerë. Në aspektin elektrik, rryma përmes zorrës më të ngushtë është më pak se rryma përmes zorrës më të gjerë. Nëse duam që rrjedha të jetë e njëjtë përmes të dy zorrave, duhet të rrisim sasinë e ujit (ngarkesës) në rezervuar me zorrën më të ngushtë.

Hapi 4: Rezistenca dhe përçueshmëria elektrike

Në analogjinë hidraulike, rryma që rrjedh përmes një teli (ose rezistori) është si uji që rrjedh përmes një tubi, dhe rënia e tensionit në tela është si rënia e presionit që shtyn ujin përmes tubit. Përçueshmëria është proporcionale me sa rrjedhje ndodh për një presion të caktuar, dhe rezistenca është proporcionale me sa presion kërkohet për të arritur një rrjedhë të caktuar. (Përçueshmëria dhe rezistenca janë reciproke.)

Rënia e tensionit (d.m.th., diferenca midis tensioneve në njërën anë të rezistencës dhe tjetrës), jo vetë tensioni, siguron forcën lëvizëse që shtyn rrymën përmes një rezistori. Në hidraulikë, është e ngjashme: Diferenca e presionit midis dy anëve të një tubi, jo vetë presioni, përcakton rrjedhën përmes tij. Për shembull, mund të ketë një presion të madh të ujit mbi tub, i cili përpiqet të shtyjë ujin poshtë përmes tubit. Por mund të ketë një presion po aq të madh të ujit nën tub, i cili përpiqet të shtyjë ujin përsëri përmes tubit. Nëse këto presione janë të barabarta, nuk rrjedh ujë. (Në imazhin në të djathtë, presioni i ujit nën tub është zero.)

Rezistenca dhe përçueshmëria e një teli, rezistence ose elementi tjetër përcaktohet kryesisht nga dy veti:

• gjeometria (forma), dhe
• material

Gjeometria është e rëndësishme sepse është më e vështirë të kalosh ujin përmes një tubi të gjatë dhe të ngushtë sesa një tub të gjerë dhe të shkurtër. Në të njëjtën mënyrë, një tel bakri i gjatë dhe i hollë ka rezistencë më të lartë (përçueshmëri më të ulët) sesa një tel bakri i shkurtër dhe i trashë.

Materialet janë gjithashtu të rëndësishme. Një tub i mbushur me flokë kufizon rrjedhën e ujit më shumë sesa një tub i pastër me të njëjtën formë dhe madhësi. Në mënyrë të ngjashme, elektronet mund të rrjedhin lirshëm dhe lehtë përmes një teli bakri, por nuk mund të rrjedhin aq lehtë përmes një teli çeliku të së njëjtës formë dhe madhësi, dhe ato në thelb nuk mund të rrjedhin fare përmes një izolatori si goma, pavarësisht nga forma e tij. Dallimi midis bakrit, çelikut dhe gomës lidhet me strukturën e tyre mikroskopike dhe konfigurimin e elektroneve, dhe përcaktohet nga një veti e quajtur rezistencë.

Përveç gjeometrisë dhe materialit, ka faktorë të ndryshëm të tjerë që ndikojnë në rezistencën dhe përçueshmërinë.

Standsshtë e arsyeshme që ne nuk mund të vendosim aq shumë vëllim përmes një tubi të ngushtë sesa një më të gjerë me të njëjtin presion. Kjo është rezistencë. Tubi i ngushtë "i reziston" rrjedhës së ujit përmes tij edhe pse uji është në të njëjtin presion si rezervuari me tubin më të gjerë.

Në aspektin elektrik, kjo përfaqësohet nga dy qarqe me tensione të barabarta dhe rezistenca të ndryshme. Qarku me rezistencë më të lartë do të lejojë që të rrjedhë më pak ngarkesë, që do të thotë se qarku me rezistencë më të lartë ka më pak rrymë që rrjedh përmes tij.

Hapi 5: Ligji i Ohmit

Ligji i Ohmit thotë se rryma përmes një përcjellësi midis dy pikave është drejtpërdrejt proporcionale me tensionin në të dy pikat. Duke prezantuar konstantën e proporcionalitetit, rezistencën, arrijmë në ekuacionin e zakonshëm matematikor që përshkruan këtë marrëdhënie:

ku unë është rryma përmes përcjellësit në njësi amperi, V është tensioni i matur nëpër përcjellës në njësi volt, dhe R është rezistenca e përcjellësit në njësi të ohms. Më konkretisht, ligji i Ohmit thotë se R në këtë lidhje është konstante, e pavarur nga rryma.

Ligji u emërua pas fizikantit gjerman Georg Ohm, i cili, në një traktat të botuar në 1827, përshkroi matjet e tensionit dhe rrymës së aplikuar përmes qarqeve të thjeshta elektrike që përmbajnë gjatësi të ndryshme telash. Ohm shpjegoi rezultatet e tij eksperimentale me një ekuacion pak më kompleks sesa forma moderne e mësipërme (shiko Historinë).

Në fizikë, termi ligji i Ohmit përdoret gjithashtu për t'iu referuar përgjithësimeve të ndryshme të ligjit të formuluar fillimisht nga Ohm.