Voltage, Sasa, Upinzani, na Sheria ya Ohm: Hatua 5

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:55

Imefunikwa katika Mafunzo haya

Jinsi malipo ya umeme yanahusiana na voltage, sasa, na upinzani.

Je! Ni voltage gani, sasa, na upinzani ni nini.

Sheria ya Ohm ni nini na jinsi ya kuitumia kuelewa umeme.

Jaribio rahisi la kuonyesha dhana hizi.

Hatua ya 1: Malipo ya Umeme

Malipo ya umeme ni mali ya vitu ambayo inasababisha kupata nguvu wakati wa kuwekwa kwenye uwanja wa umeme. Kuna aina mbili za malipo ya umeme: chanya na hasi (kawaida hubeba na protoni na elektroni mtawaliwa). Kama mashtaka kurudisha na tofauti na kuvutia. Kukosekana kwa malipo halisi kunatajwa kuwa kwa upande wowote. Kitu kinashtakiwa vibaya ikiwa ina ziada ya elektroni, na vinginevyo inachajiwa vyema au haijatozwa. Kitengo cha SI cha malipo ya umeme ni coulomb (C). Katika uhandisi wa umeme, ni kawaida pia kutumia saa ya ampere (Ah); wakati wa kemia, ni kawaida kutumia malipo ya msingi (e) kama kitengo. Alama Q mara nyingi huashiria malipo. Ujuzi wa mapema juu ya jinsi vitu vya kushtakiwa vinaingiliana sasa inaitwa elektroni ya elektroni, na bado ni sahihi kwa shida ambazo hazihitaji kuzingatia athari za idadi.

Malipo ya umeme ni mali ya msingi iliyohifadhiwa ya chembe kadhaa za subatomic, ambayo huamua mwingiliano wao wa umeme. Jambo linalochajiwa na umeme linaathiriwa au huzalisha uwanja wa umeme. Uingiliano kati ya malipo ya kusonga na uwanja wa umeme ni chanzo cha nguvu ya umeme, ambayo ni moja wapo ya nguvu nne za msingi (Tazama pia: uwanja wa sumaku).

Majaribio ya karne ya ishirini yalionyesha kuwa malipo ya umeme yamehesabiwa; Hiyo ni, inakuja kwa kuzidisha kwa idadi ndogo ya vitengo vidogo vinavyoitwa malipo ya msingi, e, takriban sawa na coulombs 1.602 × 10-19 (isipokuwa chembe zinazoitwa quarks, ambazo zina mashtaka ambayo ni idadi kubwa ya 1 / 3e). Protoni ina malipo ya + e, na elektroni ina malipo ya −e. Utafiti wa chembe zilizochajiwa, na jinsi mwingiliano wao unavyopatanishwa na fotoni, inaitwa electrodynamics ya quantum.

Hatua ya 2: Voltage:

Voltage, tofauti ya uwezo wa umeme, shinikizo la umeme au mvutano wa umeme (inaashiria ∆V au ∆U, lakini mara nyingi hurahisishwa kama V au U, kwa mfano katika muktadha wa sheria za mzunguko wa Ohm au Kirchhoff) ni tofauti katika nguvu ya umeme kati ya mbili pointi kwa kila kitengo cha malipo ya umeme. Voltage kati ya alama mbili ni sawa na kazi iliyofanywa kwa kila kitengo cha malipo dhidi ya uwanja wa umeme tuli ili kusogeza malipo ya jaribio kati ya alama mbili. Hii hupimwa kwa vitengo vya volts (joule kwa coulomb).

Voltage inaweza kusababishwa na sehemu za umeme tuli, na umeme wa sasa kupitia uwanja wa sumaku, kwa sehemu tofauti za sumaku, au mchanganyiko wa hizi tatu. [1] [2] Voltmeter inaweza kutumika kupima voltage (au tofauti inayowezekana) kati ya alama mbili kwenye mfumo; mara nyingi uwezo wa kawaida wa kumbukumbu kama ardhi ya mfumo hutumiwa kama moja ya alama. Voltage inaweza kuwakilisha chanzo cha nishati (nguvu ya umeme) au nishati iliyopotea, iliyotumiwa, au iliyohifadhiwa (uwezekano wa kushuka)

Wakati wa kuelezea voltage, sasa na upinzani, mlinganisho wa kawaida ni tanki la maji. Katika ulinganifu huu, malipo yanaonyeshwa na kiwango cha maji, voltage inawakilishwa na shinikizo la maji, na sasa inawakilishwa na mtiririko wa maji. Kwa hivyo kwa mfano huu, kumbuka:

Maji = Malipo

Shinikizo = Voltage

Mtiririko = Sasa

Fikiria tangi la maji kwa urefu fulani juu ya ardhi. Chini ya tanki hii, kuna bomba.

Kwa hivyo, sasa iko chini kwenye tangi na upinzani mkubwa.

Hatua ya 3: Umeme:

Umeme ni uwepo na mtiririko wa malipo ya umeme. Njia yake inayojulikana zaidi ni mtiririko wa elektroni kupitia kondakta kama waya za shaba.

Umeme ni aina ya nishati ambayo huja kwa njia chanya na hasi, ambayo hufanyika kawaida (kama vile umeme), au hutengenezwa (kama kwenye jenereta). Ni aina ya nishati ambayo tunatumia kuwezesha mashine na vifaa vya umeme. Wakati mashtaka hayatembei, umeme huitwa umeme wa tuli. Wakati mashtaka yanahamia ni mkondo wa umeme, wakati mwingine huitwa 'umeme wenye nguvu'. Umeme ni aina ya umeme inayojulikana zaidi na hatari katika maumbile, lakini wakati mwingine umeme wa tuli husababisha vitu kushikamana.

Umeme unaweza kuwa hatari, haswa karibu na maji kwa sababu maji ni aina ya kondakta. Tangu karne ya kumi na tisa, umeme umetumika katika kila sehemu ya maisha yetu. Hadi wakati huo, ilikuwa ni udadisi tu ulioonekana katika mvua ya ngurumo.

Umeme unaweza kuundwa ikiwa sumaku hupita karibu na waya wa chuma. Hii ndio njia inayotumiwa na jenereta. Jenereta kubwa ziko kwenye vituo vya umeme. Umeme pia unaweza kuzalishwa kwa kuchanganya kemikali kwenye mtungi na aina mbili tofauti za fimbo za chuma. Hii ndio njia inayotumiwa kwenye betri. Umeme tuli hutengenezwa kupitia msuguano kati ya vifaa viwili. Kwa mfano, kofia ya sufu na mtawala wa plastiki. Zisugue pamoja zinaweza kutengeneza cheche. Umeme pia unaweza kuundwa kwa kutumia nishati kutoka jua kama kwenye seli za picha.

Umeme hufika kwenye nyumba kupitia waya kutoka mahali ambapo hutengenezwa. Inatumiwa na taa za umeme, hita za umeme, nk. Vifaa vingi vya nyumbani kama mashine ya kufulia na jiko la umeme hutumia umeme. Katika viwanda, kuna mashine za nguvu za umeme. Watu wanaoshughulikia umeme na vifaa vya umeme katika nyumba zetu na viwanda huitwa "umeme".

Wacha tuseme sasa kwamba tuna matangi mawili, kila tanki na bomba inayotoka chini. Kila tank ina kiwango sawa cha maji, lakini bomba kwenye tank moja ni nyembamba kuliko bomba kwa nyingine.

Tunapima kiwango sawa cha shinikizo mwishoni mwa bomba moja, lakini maji yanapoanza kutiririka, kiwango cha mtiririko wa maji kwenye tank na bomba nyembamba itakuwa chini ya kiwango cha mtiririko wa maji kwenye tank na bomba pana. Kwa maneno ya umeme, sasa kupitia bomba nyembamba ni chini ya sasa kupitia bomba pana. Ikiwa tunataka mtiririko huo uwe sawa kupitia bomba zote mbili, lazima tuongeze kiwango cha maji (chaji) kwenye tangi na bomba nyembamba.

Hatua ya 4: Upinzani wa Umeme na Uendeshaji

Katika ulinganifu wa majimaji, sasa inayotiririka kupitia waya (au kontena) ni kama maji yanayotiririka kupitia bomba, na kushuka kwa voltage kwenye waya ni kama kushuka kwa shinikizo ambayo inasukuma maji kupitia bomba. Uendeshaji ni sawa na mtiririko gani unatokea kwa shinikizo fulani, na upinzani ni sawa na shinikizo ngapi inahitajika kufikia mtiririko uliopewa. (Mwenendo na upinzani ni sawa.)

Kushuka kwa voltage (kwa mfano, tofauti kati ya voltages kwa upande mmoja wa kontena na nyingine), sio voltage yenyewe, hutoa nguvu ya kuendesha gari kusukuma sasa kupitia kontena. Katika majimaji, ni sawa: Tofauti ya shinikizo kati ya pande mbili za bomba, sio shinikizo yenyewe, huamua mtiririko kupitia hiyo. Kwa mfano, kunaweza kuwa na shinikizo kubwa la maji juu ya bomba, ambayo inajaribu kusukuma maji chini kupitia bomba. Lakini kunaweza kuwa na shinikizo kubwa sawa la maji chini ya bomba, ambayo inajaribu kusukuma maji kurudi juu kupitia bomba. Ikiwa shinikizo hizi ni sawa, hakuna mtiririko wa maji. (Kwenye picha kulia, shinikizo la maji chini ya bomba ni sifuri.)

Upinzani na mwenendo wa waya, kontena, au kitu kingine huamua zaidi na mali mbili:

• jiometri (umbo), na
• nyenzo

Jiometri ni muhimu kwa sababu ni ngumu zaidi kusukuma maji kupitia bomba refu, nyembamba kuliko bomba pana, fupi. Vivyo hivyo, waya mrefu, mwembamba wa shaba una upinzani mkubwa (chini ya mwenendo) kuliko waya mfupi, mnene wa shaba.

Vifaa ni muhimu pia. Bomba lililojazwa na nywele linazuia mtiririko wa maji zaidi kuliko bomba safi ya sura na saizi sawa. Vivyo hivyo, elektroni zinaweza kutiririka kwa urahisi na kwa urahisi kupitia waya wa shaba, lakini haziwezi kutiririka kwa urahisi kupitia waya wa chuma wa sura na saizi ile ile, na kimsingi haziwezi kutiririka kupitia kizio kama mpira, bila kujali umbo lake. Tofauti kati ya shaba, chuma, na mpira inahusiana na muundo wao wa microscopic na usanidi wa elektroni, na inahesabiwa na mali inayoitwa resistivity.

Mbali na jiometri na nyenzo, kuna sababu zingine kadhaa zinazoathiri upinzani na mwenendo.

Inasimama kwa sababu kwamba hatuwezi kutoshea sauti nyingi kupitia bomba nyembamba kuliko pana kwa shinikizo moja. Huu ni upinzani. Bomba nyembamba "linapinga" mtiririko wa maji kupitia hiyo ingawa maji yana shinikizo sawa na tank iliyo na bomba pana.

Kwa maneno ya umeme, hii inawakilishwa na nyaya mbili zilizo na voltages sawa na upinzani tofauti. Mzunguko ulio na upinzani wa juu utaruhusu malipo kidogo kutiririka, ikimaanisha kuwa mzunguko wenye upinzani wa juu una chini ya sasa inayopita.

Hatua ya 5: Sheria ya Ohm:

Sheria ya Ohm inasema kuwa sasa kupitia kondakta kati ya nukta mbili ni sawa sawa na voltage kwenye alama hizo mbili. Kuanzisha uingiliano wa mara kwa mara, upinzani, mtu hufikia usawa wa kawaida wa hesabu ambao unaelezea uhusiano huu:

ambapo mimi ni wa sasa kupitia kondakta katika vitengo vya amperes, V ni voltage inayopimwa kwa kondakta katika vitengo vya volts, na R ni upinzani wa kondakta katika vitengo vya ohms. Hasa haswa, sheria ya Ohm inasema kuwa R katika uhusiano huu ni wa kila wakati, huru kwa sasa.

Sheria hiyo ilipewa jina la mwanafizikia wa Ujerumani Georg Ohm, ambaye, katika risala iliyochapishwa mnamo 1827, alielezea vipimo vya voltage iliyotumika na ya sasa kupitia mizunguko rahisi ya umeme iliyo na urefu tofauti wa waya. Ohm alielezea matokeo yake ya majaribio na equation ngumu kidogo kuliko fomu ya kisasa hapo juu (tazama Historia).

Katika fizikia, neno sheria ya Ohm pia hutumiwa kurejelea generalizations anuwai ya sheria iliyotungwa awali na Ohm.