OHMS LAG: ENHETER OCH FORMEL, BERÄKNING, EXEMPEL, ÖVNINGAR - FYSISK - 2025

Den Ohm 's lag i dess makroskopiska formen, indikerar att spänningen och intensiteten av strömmen i en krets är direkt proportionell motstånd är proportionalitetskonstanten. Ohms lag, som betecknar dessa tre kvantiteter som V, I respektive R, säger att: V = IR

Likaså generaliseras Ohms lag för att inkludera kretselement som inte är rent motståndskraftiga i växelströmskretsar, på detta sätt har de följande form: V = IZ

Bild 1. Ohms lag är tillämplig på många kretsar. Källa: Wikimedia Commons. Tlapicka

Där Z är impedansen, som också representerar motståndet till att växelströmmen passerar genom ett kretselement, till exempel en kondensator eller en induktans.

Det bör noteras att inte alla kretsmaterial och element överensstämmer med Ohms lag. De där det är giltigt kallas ohmiska element, och i vilka det inte uppfylls kallas de icke-ohmiska eller icke-linjära.

Vanliga elektriska motstånd är av ohmisk typ, men dioder och transistorer är det inte, eftersom förhållandet mellan spänning och ström inte är linjärt i dem.

Ohms lag är skyldig sitt namn till den bayerskfödda tyska fysikern och matematikern George Simon Ohm (1789-1854), som under sin karriär ägnade sig åt att studera beteendet hos elektriska kretsar. Enheten för elektriskt motstånd i SI International System har utnämnts till hans ära: ohm, som också uttrycks med den grekiska bokstaven Ω.

Hur beräknas det?

Även om den makroskopiska formen av Ohms lag är den mest kända, eftersom den kopplar samman mängder som är lätt mätbara i laboratoriet, relaterar den mikroskopiska formen två viktiga vektorkvantiteter: det elektriska fältet E och strömtätheten J :

När σ är den elektriska ledningsförmågan hos materialet, en egenskap som indikerar hur lätt det är att leda ström. För sin del, J är en vektor vars storlek är kvoten mellan intensiteten hos strömmen I och tvärsektionsarean A, genom vilken det cirkulerar.

Det är logiskt att anta att det finns en naturlig koppling mellan det elektriska fältet inuti ett material och den elektriska strömmen som cirkulerar genom det, så att desto större ström, desto mer ström.

Men strömmen är inte en vektor, eftersom den inte har en riktning i rymden. Å andra sidan är vektorn J vinkelrätt - eller normal - mot ledarens tvärsnittsarea och dess riktning är den för strömmen.

Från denna form av Ohms lag kommer vi fram till den första ekvationen, antar en ledare med längd ℓ och tvärsnitt A, och ersätter storleken på J och E med:

Det inverse av konduktivitet kallas resistivitet och betecknas med den grekiska bokstaven ρ:

Således:

Ledarens motstånd

I ekvationen V = (ρℓ / A) .I är konstanten (ρℓ / A) motståndet, därför:

Ledarens motstånd beror på tre faktorer:

-Det är resistivitet ρ, typiskt för det material som det tillverkas med.

-Längd ℓ.

-Området A i dess tvärsnitt.

Ju högre ℓ, desto större motstånd, eftersom nuvarande bärare har fler möjligheter att kollidera med andra partiklar inuti ledaren och förlora energi. Och omvänt, ju högre A, desto lättare är det för nuvarande transportörer att röra sig på ett ordnat sätt genom materialet.

Slutligen, i molekylstrukturen i varje material ligger den lätthet med vilken ett ämne tillåter elektrisk ström att passera. Således är till exempel metaller som koppar, guld, silver och platina, med låg resistivitet, goda ledare, medan trä, gummi och olja inte är det, varför de har högre resistivitet.

exempel

Här är två illustrativa exempel på Ohms lag.

Experiment för att kontrollera Ohms lag

En enkel upplevelse illustrerar Ohms lag, för detta behöver du en bit ledande material, en variabel spänningskälla och en multimeter.

En spänning V upprättas mellan ändarna på det ledande materialet, som måste varieras lite för små. Med den variabla kraftkällan kan värdena på nämnda spänning ställas in, som mäts med multimetern, liksom strömmen I som strömmar genom ledaren.

Paren med V- och I-värdena registreras i en tabell och med dem är en graf konstruerad på grafpapper. Om den resulterande kurvan är en rak linje är materialet ohmiskt, men om det är någon annan kurva är materialet icke-ohmiskt.

I det första fallet kan linjans lutning bestämmas, vilket är ekvivalent med ledarens motstånd R eller dess omvända konduktans.

På bilden nedan representerar den blå linjen ett av dessa diagram för ett ohmiskt material. Under tiden är de gula och röda kurvorna gjorda av icke-ohmiska material, till exempel en halvledare.

Figur 2. Diagram I vs. V för ohmiska material (blå linje) och icke-ohmiska material. Källa: Wikimedia Commons.

Hydraulisk analogi av Ohms lag

Det är intressant att veta att den elektriska strömmen i Ohms lag har ett beteende liknande det för vatten som cirkulerar genom ett rör. Den engelska fysikern Oliver Lodge var den första som föreslog simulering av strömens beteende med hjälp av element i hydraulik.

Till exempel representerar rören ledarna, eftersom vattnet cirkulerar genom dem och strömbärarna genom det senare. När det finns en sammandragning i röret är vattenpassagen svår, så detta skulle motsvara ett elektriskt motstånd.

Skillnaden i tryck i två ändar av röret gör att vattnet kan rinna, vilket ger en höjdskillnad eller en vattenpump, och på samma sätt är skillnaden i potential (batteriet) det som håller laddningen i rörelse. , motsvarande flödet eller volymen av vatten per tidsenhet.

En kolvpump skulle spela rollen som en växelspänningskälla, men fördelen med att sätta i en vattenpump är att den hydrauliska kretsen således skulle vara stängd, precis som en elektrisk krets måste vara för att strömmen ska flöda.

Bild 3. Hydraulisk analogi för Ohms lag: i a) ett vattenflödessystem och i b) en enkel resistiv krets. Källa: Tippens, P. 2011. Fysik: begrepp och tillämpningar. 7: e upplagan. McGraw Hill.

Motstånd och brytare

Ekvivalentet med en switch i en krets, det skulle vara en stoppkran. Det tolkas på detta sätt: om kretsen är öppen (stoppcocken stängd) kan strömmen, som vattnet, inte flöda.

Å andra sidan, med omkopplaren stängd (stoppcock helt öppen) kan både ström och vatten strömma utan problem genom ledaren eller röret.

Stoppkranen eller ventilen kan också representera ett motstånd: när kranen är helt öppen motsvarar den nollmotstånd eller kortslutning. Om den stängs helt är det som att ha kretsen öppen, medan den är stängd delvis är det som att ha ett motstånd av ett visst värde (se figur 3).

övningar

- Övning 1

Det är känt att ett elektriskt järn kräver 2A vid 120V för att fungera korrekt. Vad är dess motstånd?

Lösning

Lös för motstånd från Ohms lag:

- Övning 2

En tråd 3 mm i diameter och 150 m lång har ett elektriskt motstånd på 3,00 Ω vid 20 ° C. Hitta materialets resistivitet.

Lösning

Ekvationen R = ρℓ / A är lämplig, därför måste tvärsnittsområdet först hittas:

Slutligen, när du ersätter, får du:

referenser

1. Resnick, R. 1992. Physics. Tredje utökade upplagan på spanska. Volym 2. Compañía Editorial Continental SA de CV
2. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med modern fysik. 14 ^{: e} . Utg. Volym 2. 817-820.
3. Serway, R., Jewett, J. 2009. Fysik för vetenskap och teknik med modern fysik. 7: e upplagan. Volym 2. Cengage Learning. 752-775.
4. Tippens, P. 2011. Fysik: begrepp och tillämpningar. 7: e upplagan. McGraw Hill.
5. Sevilla universitet. Institutionen för tillämpad fysik III. Strömtäthet och intensitet. Återställd från: us.es.
6. Walker, J. 2008. Fysik. Fjärde ed. Pearson, 725-728