Voltatge, corrent, resistència i llei d'Ohm: 5 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:16

Trobat en aquest tutorial

Com es relaciona la càrrega elèctrica amb el voltatge, el corrent i la resistència.

Què són el voltatge, el corrent i la resistència.

Què és la llei d’Ohm i com utilitzar-la per entendre l’electricitat.

Un experiment senzill per demostrar aquests conceptes.

Pas 1: càrrega elèctrica

La càrrega elèctrica és la propietat física de la matèria que fa que experimenti una força quan es col·loca en un camp electromagnètic. Hi ha dos tipus de càrregues elèctriques: positiva i negativa (normalment transportades per protons i electrons respectivament). Igual que les càrregues es repel·leixen i a diferència d’atreure. L’absència de càrrega neta es coneix com a neutral. Un objecte es carrega negativament si té un excés d’electrons i, d’altra banda, està carregat o descarregat positivament. La unitat de càrrega elèctrica derivada del SI és el coulomb (C). En enginyeria elèctrica, també és freqüent utilitzar l'amper-hora (Ah); mentre que en química, és comú utilitzar la càrrega elemental (e) com a unitat. El símbol Q sovint denota càrrega. Els primers coneixements sobre com interactuen les substàncies carregades s’anomenen electrodinàmica clàssica i encara són precisos per a problemes que no requereixen tenir en compte els efectes quàntics.

La càrrega elèctrica és una propietat conservada fonamental d'algunes partícules subatòmiques, que determina la seva interacció electromagnètica. La matèria carregada elèctricament està influenciada o produeix camps electromagnètics. La interacció entre una càrrega en moviment i un camp electromagnètic és la font de la força electromagnètica, que és una de les quatre forces fonamentals (vegeu també: camp magnètic).

Els experiments del segle XX van demostrar que la càrrega elèctrica es quantifica; és a dir, es presenta en múltiples enters de petites unitats individuals anomenades càrrega elemental, e, aproximadament igual a 1.602 × 10−19 coulombs (excepte les partícules anomenades quarks, que tenen càrregues que són múltiples enters d’1 / 3e). El protó té una càrrega de + e i l’electró té una càrrega de −e. L’estudi de les partícules carregades i com les seves interaccions són mediades pels fotons s’anomena electrodinàmica quàntica.

Pas 2: Voltatge ：

La tensió, la diferència de potencial elèctric, la pressió elèctrica o la tensió elèctrica (formalment denotades ∆V o ∆U, però més sovint simplificades com a V o U, per exemple en el context de les lleis del circuit d’Ohm o de Kirchhoff) és la diferència d’energia potencial elèctrica entre dos punts per unitat de càrrega elèctrica. La tensió entre dos punts és igual al treball realitzat per unitat de càrrega contra un camp elèctric estàtic per moure la càrrega de prova entre dos punts. Es mesura en unitats de volts (un joule per coulomb).

El voltatge pot ser causat per camps elèctrics estàtics, per corrent elèctric a través d’un camp magnètic, per camps magnètics variables en el temps o per alguna combinació d’aquests tres. [1] [2] Es pot utilitzar un voltímetre per mesurar la tensió (o diferència de potencial) entre dos punts d’un sistema; sovint s’utilitza un potencial de referència comú com el sòl del sistema com a un dels punts. Un voltatge pot representar una font d'energia (força electromotriu) o energia perduda, usada o emmagatzemada (caiguda de potencial)

Quan es descriuen la tensió, el corrent i la resistència, una analogia comuna és un dipòsit d’aigua. En aquesta analogia, la càrrega es representa per la quantitat d’aigua, el voltatge per la pressió de l’aigua i el corrent pel flux d’aigua. Per tant, per a aquesta analogia, recordeu:

Aigua = Càrrega

Pressió = Voltatge

Flux = Corrent

Penseu en un dipòsit d’aigua a una certa alçada sobre el terra. A la part inferior d'aquest tanc, hi ha una mànega.

Per tant, el corrent és més baix al tanc amb una major resistència.

Pas 3: electricitat ：

L’electricitat és la presència i el flux de càrrega elèctrica. La seva forma més coneguda és el flux d’electrons a través de conductors com els cables de coure.

L’electricitat és una forma d’energia que es presenta en formes positives i negatives, que es produeix de forma natural (com en un llamp), o es produeix (com en un generador). És una forma d’energia que utilitzem per alimentar màquines i dispositius elèctrics. Quan les càrregues no es mouen, l’electricitat s’anomena electricitat estàtica. Quan les càrregues es mouen són un corrent elèctric, de vegades anomenat "electricitat dinàmica". El llamp és el tipus d’electricitat més conegut i perillós de la natura, però de vegades l’electricitat estàtica fa que les coses s’enganxin.

L’electricitat pot ser perillosa, sobretot al voltant de l’aigua perquè l’aigua és una forma de conductor. Des del segle XIX, l’electricitat s’ha utilitzat en totes les parts de la nostra vida. Fins aleshores, només era una curiositat vista en una tempesta.

Es pot crear electricitat si un imant passa prop d’un fil metàl·lic. Aquest és el mètode utilitzat per un generador. Els generadors més grans es troben a les centrals elèctriques. L’electricitat també es pot generar combinant productes químics en un pot amb dos tipus diferents de barres metàl·liques. Aquest és el mètode utilitzat en una bateria. L’electricitat estàtica es crea a través de la fricció entre dos materials. Per exemple, una gorra de llana i un regle de plàstic. Fregar-los junts pot provocar una espurna. L’electricitat també es pot crear utilitzant l’energia del sol com a les cèl·lules fotovoltaiques.

L’electricitat arriba a les llars a través de cables des del lloc on es genera. És utilitzat per llums elèctriques, escalfadors elèctrics, etc. Molts electrodomèstics, com ara rentadores i cuines elèctriques, utilitzen electricitat. A les fàbriques, hi ha màquines d’energia elèctrica. Les persones que treballen amb electricitat i aparells elèctrics a les nostres llars i fàbriques s’anomenen “electricistes”.

Diguem ara que tenim dos tancs, cada tanc amb una mànega que surt del fons. Cada tanc té exactament la mateixa quantitat d’aigua, però la mànega d’un tanc és més estreta que la de l’altra.

Mesurem la mateixa quantitat de pressió al final de qualsevol mànega, però quan l'aigua comença a fluir, el cabal de l'aigua del dipòsit amb la mànega més estreta serà inferior al cabal de l'aigua del dipòsit amb el mànega més ampla. En termes elèctrics, el corrent per la mànega més estreta és inferior al corrent per la mànega més ampla. Si volem que el cabal sigui el mateix a través de les dues mànegues, hem d’augmentar la quantitat d’aigua (càrrega) del dipòsit amb la mànega més estreta.

Pas 4: Resistència elèctrica i conductància

En analogia hidràulica, el corrent que flueix a través d’un cable (o resistència) és com l’aigua que circula per una canonada i la caiguda de tensió a través del cable és com la caiguda de pressió que empeny l’aigua per la canonada. La conductància és proporcional a la quantitat de flux que es produeix per a una pressió determinada i la resistència és proporcional a la quantitat de pressió necessària per aconseguir un flux determinat. (La conductivitat i la resistència són recíproques.)

La caiguda de tensió (és a dir, la diferència entre els voltatges d’un costat i de l’altre de la resistència), no la tensió en si, proporciona la força motriu que empeny el corrent a través d’una resistència. En hidràulica, és similar: la diferència de pressió entre els dos costats d’una canonada, no la pressió en si, determina el flux a través d’ella. Per exemple, pot haver-hi una pressió d'aigua elevada per sobre de la canonada, que intenta empènyer l'aigua cap avall a través de la canonada. Però pot haver-hi una pressió d’aigua igualment gran per sota de la canonada, que intenta empènyer l’aigua cap amunt per la canonada. Si aquestes pressions són iguals, no circula aigua. (A la imatge de la dreta, la pressió de l'aigua per sota de la canonada és nul·la.)

La resistència i conductància d'un filferro, resistència o altre element està determinada principalment per dues propietats:

• geometria (forma) i
• material

La geometria és important perquè és més difícil empènyer l’aigua per una canonada llarga i estreta que una canonada ampla i curta. De la mateixa manera, un fil de coure llarg i prim té una resistència més alta (conductància inferior) que un fil de coure curt i gruixut.

Els materials també són importants. Una canonada plena de cabell restringeix més el flux d’aigua que una canonada neta de la mateixa forma i mida. De la mateixa manera, els electrons poden fluir lliurement i fàcilment a través d’un fil de coure, però no poden fluir tan fàcilment a través d’un fil d’acer de la mateixa forma i mida, i essencialment no poden fluir gens a través d’un aïllant com el cautxú, independentment de la seva forma. La diferència entre coure, acer i cautxú està relacionada amb la seva estructura microscòpica i la seva configuració electrònica, i es quantifica mitjançant una propietat anomenada resistivitat.

A més de la geometria i el material, hi ha altres factors que influeixen en la resistència i la conductància.

És lògic que no podem cabre tant volum a través d’una canonada estreta que una més ampla a la mateixa pressió. Això és resistència. La canonada estreta "resisteix" el flux d'aigua a través d'ella tot i que l'aigua té la mateixa pressió que el tanc amb la canonada més ampla.

En termes elèctrics, es representa per dos circuits amb voltatges iguals i resistències diferents. El circuit amb major resistència permetrà que flueixi menys càrrega, és a dir, que el circuit amb major resistència tingui menys corrent que flueixi a través d’ell.

Pas 5: Llei d'Ohm ：

La llei d'Ohm estableix que el corrent a través d'un conductor entre dos punts és directament proporcional a la tensió dels dos punts. Introduint la constant de proporcionalitat, la resistència, s’arriba a l’equació matemàtica habitual que descriu aquesta relació:

on I és el corrent a través del conductor en unitats d'amperes, V és la tensió mesurada a través del conductor en unitats de volts i R és la resistència del conductor en unitats d'ohms. Més concretament, la llei d'Ohm estableix que la R en aquesta relació és constant, independent del corrent.

La llei va rebre el nom del físic alemany Georg Ohm, que, en un tractat publicat el 1827, va descriure mesures de tensió i corrent aplicades a través de circuits elèctrics simples que contenien diverses longituds de filferro. Ohm va explicar els seus resultats experimentals mitjançant una equació una mica més complexa que la forma moderna anterior (vegeu Història).

En física, el terme llei d'Ohm també s'utilitza per referir-se a diverses generalitzacions de la llei formulades originalment per Ohm.