Voltan, Arus, Rintangan, dan Hukum Ohm: 5 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Diubah suai terakhir: 2024-01-30 11:12

Diliputi dalam Tutorial ini

Bagaimana cas elektrik berkaitan dengan voltan, arus, dan rintangan.

Apakah voltan, arus dan rintangan.

Apa itu Hukum Ohm dan bagaimana menggunakannya untuk memahami elektrik.

Percubaan mudah untuk menunjukkan konsep-konsep ini.

Langkah 1: Cas Elektrik

Muatan elektrik adalah sifat fizikal jirim yang menyebabkannya mengalami daya ketika diletakkan di medan elektromagnetik. Terdapat dua jenis cas elektrik: positif dan negatif (masing-masing biasanya dibawa oleh proton dan elektron). Seperti caj menolak dan tidak menarik. Ketiadaan caj bersih disebut sebagai neutral. Objek dikenakan secara negatif jika mempunyai lebihan elektron, dan sebaliknya dicas positif atau tidak dicas. Unit cas elektrik yang berasal dari SI adalah coulomb (C). Dalam kejuruteraan elektrik, biasa menggunakan ampere-hour (Ah); semasa dalam kimia, adalah biasa untuk menggunakan unsur dasar (e) sebagai unit. Simbol Q sering menunjukkan cas. Pengetahuan awal tentang bagaimana zat bermuatan berinteraksi kini disebut elektrodinamik klasik, dan masih tepat untuk masalah yang tidak memerlukan pertimbangan kesan kuantum.

Cas elektrik adalah sifat terpelihara asas beberapa zarah subatom, yang menentukan interaksi elektromagnetiknya. Bahan bercas elektrik dipengaruhi oleh atau menghasilkan medan elektromagnetik. Interaksi antara muatan bergerak dan medan elektromagnetik adalah sumber daya elektromagnetik, yang merupakan salah satu daripada empat daya asas (Lihat juga: medan magnet).

Eksperimen abad kedua puluh menunjukkan bahawa cas elektrik dikuantisasi; iaitu, ia terdapat dalam gandaan bilangan bulat dari unit kecil individu yang disebut unsur muatan, e, kira-kira sama dengan 1,602 × 10−19 coulomb (kecuali untuk partikel yang disebut quark, yang mempunyai muatan yang merupakan gandaan bilangan bulat 1 / 3e). Proton mempunyai cas + e, dan elektron mempunyai cas −e. Kajian mengenai zarah bermuatan, dan bagaimana interaksi mereka dimediasi oleh foton, disebut elektrodinamik kuantum.

Langkah 2: Voltan:

Voltan, perbezaan potensi elektrik, tekanan elektrik atau ketegangan elektrik (dilambangkan secara formal ΔV atau ∆U, tetapi lebih kerap disederhanakan sebagai V atau U, misalnya dalam konteks undang-undang litar Ohm atau Kirchhoff) adalah perbezaan tenaga keupayaan elektrik antara dua mata per unit cas elektrik. Voltan antara dua titik sama dengan kerja yang dilakukan setiap unit cas terhadap medan elektrik statik untuk menggerakkan cas ujian antara dua titik. Ini diukur dalam unit volt (joule per coulomb).

Voltan boleh disebabkan oleh medan elektrik statik, oleh arus elektrik melalui medan magnet, oleh medan magnet yang berbeza-beza waktu, atau beberapa kombinasi ketiga-tiga ini. [1] [2] Voltmeter boleh digunakan untuk mengukur voltan (atau perbezaan potensi) antara dua titik dalam sistem; selalunya potensi rujukan umum seperti asas sistem digunakan sebagai salah satu perkara. Voltan boleh mewakili sumber tenaga (daya elektromotif) atau tenaga yang hilang, digunakan, atau disimpan (penurunan potensi)

Semasa menerangkan voltan, arus, dan rintangan, analogi umum adalah tangki air. Dalam analogi ini, muatan diwakili oleh jumlah air, voltan diwakili oleh tekanan air, dan arus ditunjukkan oleh aliran air. Jadi untuk analogi ini, ingatlah:

Air = Cas

Tekanan = Voltan

Aliran = Semasa

Pertimbangkan tangki air pada ketinggian tertentu di atas tanah. Di bahagian bawah tangki ini, terdapat selang.

Jadi, arus lebih rendah di tangki dengan rintangan yang lebih tinggi.

Langkah 3: Elektrik:

Elektrik adalah kehadiran dan aliran cas elektrik. Bentuknya yang paling terkenal ialah aliran elektron melalui konduktor seperti wayar tembaga.

Tenaga elektrik adalah bentuk tenaga yang datang dalam bentuk positif dan negatif, yang berlaku secara semula jadi (seperti kilat), atau dihasilkan (seperti pada penjana). Ini adalah bentuk tenaga yang kita gunakan untuk menghidupkan mesin dan alat elektrik. Apabila cas tidak bergerak, elektrik dipanggil elektrik statik. Semasa cas bergerak, ia adalah arus elektrik, kadang-kadang disebut 'elektrik dinamik'. Kilat adalah jenis elektrik yang paling terkenal dan berbahaya di alam, tetapi kadang-kadang elektrik statik menyebabkan benda-benda melekat bersama.

Elektrik boleh membahayakan, terutamanya di sekitar air kerana air adalah bentuk konduktor. Sejak abad kesembilan belas, elektrik telah digunakan di setiap bahagian kehidupan kita. Sehingga itu, hanya rasa ingin tahu yang dilihat dalam ribut petir.

Tenaga elektrik dapat dihasilkan jika magnet melintas dekat dengan wayar logam. Ini adalah kaedah yang digunakan oleh penjana. Penjana terbesar ada di stesen janakuasa. Tenaga elektrik juga boleh dihasilkan dengan menggabungkan bahan kimia dalam balang dengan dua jenis batang logam. Ini adalah kaedah yang digunakan dalam bateri. Tenaga elektrik statik dihasilkan melalui geseran antara dua bahan. Contohnya, penutup bulu dan pembaris plastik. Gosokkannya bersama-sama boleh menyebabkan percikan api. Tenaga elektrik juga dapat dihasilkan menggunakan tenaga dari matahari seperti dalam sel fotovoltaik.

Elektrik sampai ke rumah melalui wayar dari tempat ia dihasilkan. Ia digunakan oleh lampu elektrik, pemanas elektrik, dan lain-lain. Banyak peralatan rumah seperti mesin basuh dan periuk elektrik menggunakan elektrik. Di kilang, terdapat mesin kuasa elektrik. Orang yang berurusan dengan elektrik dan alat elektrik di kediaman dan kilang kita dipanggil "juruelektrik".

Katakan sekarang bahawa kita mempunyai dua tangki, masing-masing tangki dengan selang datang dari bawah. Setiap tangki mempunyai jumlah air yang sama, tetapi selang pada satu tangki lebih sempit daripada selang yang lain.

Kami mengukur jumlah tekanan yang sama di hujung salah satu selang, tetapi ketika air mulai mengalir, laju aliran air di dalam tangki dengan selang yang lebih sempit akan kurang dari laju aliran air di dalam tangki dengan selang lebih lebar. Dari segi elektrik, arus melalui hos yang lebih sempit kurang daripada arus melalui hos yang lebih lebar. Sekiranya kita mahu alirannya sama melalui kedua selang, kita harus meningkatkan jumlah air (muatan) di tangki dengan selang yang lebih sempit.

Langkah 4: Rintangan dan Kekonduksian Elektrik

Dalam analogi hidraulik, arus yang mengalir melalui wayar (atau perintang) adalah seperti air yang mengalir melalui paip, dan penurunan voltan melintasi wayar adalah seperti penurunan tekanan yang mendorong air melalui paip. Konduktansi berkadar dengan berapa banyak aliran berlaku untuk tekanan tertentu, dan rintangan sebanding dengan berapa banyak tekanan yang diperlukan untuk mencapai aliran tertentu. (Kelakuan dan rintangan adalah timbal balik.)

Penurunan voltan (iaitu, perbezaan antara voltan di satu sisi perintang dengan yang lain), bukan voltan itu sendiri, memberikan daya pendorong yang mendorong arus melalui perintang. Dalam hidraulik, ia serupa: Perbezaan tekanan antara dua sisi paip, bukan tekanan itu sendiri, menentukan aliran melaluinya. Sebagai contoh, mungkin terdapat tekanan air yang besar di atas paip, yang cuba mendorong air turun melalui paip. Tetapi mungkin ada tekanan air yang sama besar di bawah paip, yang cuba mendorong air ke belakang melalui paip. Sekiranya tekanan ini sama, tidak ada air yang mengalir. (Pada gambar di sebelah kanan, tekanan air di bawah paip adalah sifar.)

Rintangan dan kekonduksian wayar, perintang, atau elemen lain kebanyakannya ditentukan oleh dua sifat:

• geometri (bentuk), dan
• bahan

Geometri penting kerana lebih sukar untuk mendorong air melalui paip yang panjang dan sempit daripada paip pendek yang lebar. Dengan cara yang sama, wayar tembaga yang panjang dan nipis mempunyai daya tahan yang lebih tinggi (konduktansi yang lebih rendah) daripada wayar tembaga yang pendek dan tebal.

Bahan juga penting. Paip yang diisi dengan rambut menyekat aliran air lebih daripada paip bersih dengan bentuk dan ukuran yang sama. Begitu juga, elektron dapat mengalir dengan bebas dan mudah melalui wayar tembaga, tetapi tidak dapat mengalir dengan mudah melalui wayar keluli dengan bentuk dan ukuran yang sama, dan pada dasarnya mereka tidak dapat mengalir sama sekali melalui penebat seperti getah, tanpa mengira bentuknya. Perbezaan antara tembaga, keluli, dan getah berkaitan dengan struktur mikroskopik dan konfigurasi elektronnya, dan dihitung oleh sifat yang disebut resistiviti.

Selain geometri dan bahan, terdapat pelbagai faktor lain yang mempengaruhi daya tahan dan kekonduksian.

Oleh itu, kita tidak boleh memuatkan jumlah yang banyak melalui paip yang sempit daripada yang lebih lebar pada tekanan yang sama. Ini adalah perlawanan. Paip sempit "menahan" aliran air melaluinya walaupun air berada pada tekanan yang sama dengan tangki dengan paip yang lebih lebar.

Dari segi elektrik, ini ditunjukkan oleh dua litar dengan voltan yang sama dan rintangan yang berbeza. Litar dengan rintangan yang lebih tinggi akan membolehkan cas mengalir lebih sedikit, yang bermaksud litar dengan rintangan yang lebih tinggi mempunyai arus yang kurang mengalir melaluinya.

Langkah 5: Hukum Ohm:

Undang-undang Ohm menyatakan bahawa arus melalui konduktor antara dua titik berkadar terus dengan voltan di kedua-dua titik tersebut. Memperkenalkan pemalar berkadar, rintangan, seseorang sampai pada persamaan matematik biasa yang menggambarkan hubungan ini:

di mana saya adalah arus melalui konduktor dalam unit ampere, V adalah voltan yang diukur di seluruh konduktor dalam unit volt, dan R adalah rintangan konduktor dalam unit ohm. Lebih khusus lagi, undang-undang Ohm menyatakan bahawa R dalam hubungan ini tetap, tidak bergantung pada arus.

Undang-undang ini dinamai sempena ahli fizik Jerman Georg Ohm, yang, dalam sebuah risalah yang diterbitkan pada tahun 1827, menggambarkan pengukuran voltan dan arus yang diaplikasikan melalui litar elektrik sederhana yang mengandungi pelbagai panjang wayar. Ohm menjelaskan hasil eksperimennya dengan persamaan yang sedikit lebih kompleks daripada bentuk moden di atas (lihat Sejarah).

Dalam fizik, istilah undang-undang Ohm juga digunakan untuk merujuk kepada pelbagai generalisasi undang-undang yang pada awalnya dirumuskan oleh Ohm.