قانون أوم: كيف يعمل (الصيغة وثلث قانون أوم)

Electrical4u

حقل: الكهرباء الأساسية

China

ما هو قانون أوم؟

يوضح قانون أوم أن التيار الكهربائي الذي يتدفق عبر أي موصل يكون متناسبًا بشكل مباشر مع الفرق الكهربائي (الجهد) بين طرفيه، بشرط أن لا تتغير الظروف الفيزيائية للموصل.

بمعنى آخر، فإن نسبة الفرق الكهربائي بين أي نقطتين في الموصل إلى التيار المتدفق بينهما تكون ثابتة، شريطة عدم تغيير الظروف الفيزيائية (مثل درجة الحرارة وما إلى ذلك).

يمكن التعبير عن قانون أوم رياضيًا كما يلي،

$\begin{align*} I \propto V \end{align*}$

بإدخال ثابت التناسب، وهو المقاومة R في المعادلة السابقة، نحصل على،

$\begin{align*} I = \frac{V}{R} \,\, or \,\, V = I * R \end{align*}$

حيث،

R هي مقاومة الموصل بوحدة الأوم ( $\Omega$ )،
I هو التيار الكهربائي المار عبر الموصل بوحدة الأمبير (A)،
V هو الجهد الكهربائي أو الفرق الكهربائي المحاذي للموصل بوحدة الفولت (V).

قانون أوم ينطبق على كل من التيار المستمر و التيار المتغير.

العلاقة بين الفرق الكهربائي أو الجهد (V)، التيار (I) والمقاومة (R) في الدائرة الكهربائية تم اكتشافها لأول مرة بواسطة الفيزيائي الألماني جورج سيمون أوم.

وحدة المقاومة هي الأوم ( $\Omega$ ) والتي سميت تكريماً لجورج سيمون أوم.

كيف يعمل قانون أوم؟

وفقاً لتعريف قانون أوم، فإن التيار الكهربائي المار عبر الموصل أو المقاومة بين نقطتين يكون متناسباً بشكل مباشر مع الفرق في الجهد (أو الفرق الكهربائي) عبر الموصل أو المقاومة.

لكن… هذا قد يكون صعب الفهم قليلاً.

لذا دعنا نحصل على فهم أفضل وأكثر بديهة لقانون أوم باستخدام بعض التشبيهات.

مثالة 1

تخيل خزان ماء موضوع على ارتفاع معين فوق الأرض. يوجد أنبوب في أسفل الخزان كما هو موضح في الصورة أدناه.

Analogy 1.png

ضغط الماء بالباسكال في نهاية الأنبوب يعادل الجهد الكهربائي أو الفرق الكهربائي في الدائرة الكهربائية.
معدل تدفق الماء بالأمتار المكعبة في الثانية يعادل التيار الكهربائي بالكولوم في الثانية في الدائرة الكهربائية.
القيود على تدفق الماء مثل الثقوب الموضوعة في الأنابيب بين نقطتين هي مكافئة للمقاومات في الدائرة الكهربائية.

وبالتالي، فإن معدل تدفق الماء عبر قيد الثقب يتناسب طرديًا مع فرق الضغط المائي عبر القيد.

وبالمثل، في الدائرة الكهربائية، التيار الكهربائي الذي يتدفق عبر الموصل أو المقاومة بين نقطتين يتناسب طرديًا مع فرق الجهد أو الفرق الكهربائي عبر الموصل أو المقاومة.

يمكننا أيضًا القول إن المقاومة المعروضة لتدفق الماء تعتمد على طول الأنابيب، ومواد الأنابيب، وارتفاع الخزان الموضوع فوق الأرض.

تعمل قانون أوم بنفس الطريقة في الدائرة الكهربائية حيث تعتمد المقاومة الكهربائية المعروضة لتدفق التيار على طول الموصل ومواد الموصل المستخدمة.

مثالة 2

مثالة بسيطة بين دائرة المياه الهيدروليكية والدائرة الكهربائية لوصف كيفية عمل قانون أوم موضحة في الصورة أدناه.

Analogy 2.png Analogy 2.2.png

كما هو موضح، إذا كان ضغط الماء ثابتًا وتزداد القيود (وتصبح صعبة لتدفق الماء)، فإن معدل تدفق الماء ينخفض.

وبالمثل، في الدائرة الكهربائية، إذا كان الجهد الكهربائي أو الفرق الكهربائي ثابتًا وتزداد المقاومة (وتصبح صعبة لتدفق التيار)، فإن معدل تدفق الشحنة الكهربائية أي التيار ينخفض.

الآن، إذا كانت القيود على تدفق الماء ثابتة وتزداد ضغط الضخ، فإن معدل تدفق الماء يزداد.

وبالمثل، في الدائرة الكهربائية، إذا كان المقاومة ثابتة وتزداد الفرق الكهربائي أو الجهد، فإن معدل تدفق الشحنة الكهربائية أي التيار يزداد.

صيغة قانون أوم

يمكن كتابة العلاقة بين الجهد الكهربائي أو الفرق الكهربائي والتيار والمقاومة بثلاث طرق مختلفة.

إذا علمنا أي قيمةين، يمكننا حساب القيمة الثالثة غير المعروفة باستخدام علاقة قانون أوم. وبالتالي، يعتبر قانون أوم مفيدًا جدًا في الصيغ والحسابات الإلكترونية والكهربائية.

عندما يتدفق تيار كهربائي معروف عبر مقاومة معروفة، يمكن حساب الفرق الجهد عبر المقاومة باستخدام العلاقة

$\begin{align*} V = IR \,\, i.e., \,\, Potential \,\, Difference = Current * Resistance \end{align*}$

عند تطبيق جهد معروف عبر مقاومة معروفة، يمكن حساب التيار المتدفق عبر المقاومة باستخدام العلاقة

$\begin{align*} I = \frac{V}{R} \,\, i.e., \,\, Current = \frac{Potential \,\, Diffrence}{Resistance} \end{align*}$

عند تطبيق فولتية معروفة عبر مقاومة غير معروفة وتكون الكمية الكهربائية التي تتدفق عبر المقاومة معروفة، يمكن حساب قيمة المقاومة غير المعروفة باستخدام العلاقة

$\begin{align*} R = \frac{V}{I} \,\, i.e., \,\, Resistance = \frac{Potential \,\, Diffrence}{Current} \end{align*}$

صيغة قانون أوم للقوة

القوة المنقولة هي ناتج ضرب الفولتية المقدمة في التيار الكهربائي.

الآن، ضع $V = I * R$ في المعادلة (1) نحصل على،

$\begin{equation*} P = IR * I = I^2*R \end{equation*}$

يُعرف هذا المعادلة بمعادلة فقد الطاقة أو معادلة التسخين المقاوم.

الآن، ضع $I = \frac{V}{R}$ في المعادلة (1) نحصل على،

(3) $\begin{equation*} P = V * \frac{V}{R}= \frac{V^2}{R} \end{equation*}$

من خلال هذه العلاقة، يمكننا تحديد استهلاك الطاقة في المقاومة إذا كان الجهد والمقاومة أو التيار والمقاومة معروفين.

يمكننا أيضًا تحديد قيمة المقاومة غير المعروفة باستخدام هذه العلاقة إذا كان الجهد أو التيار معروفًا.

$\begin{align*} R = \frac{V^2}{P} \,\, \& \,\, R = \frac{P}{I^2} \end{align*}$

إذا كانت أي متغيرين من قوة الجهد والتيار والمقاومة معروفين، فيمكننا تحديد المتغيرين الآخرين باستخدام قانون أوم.

$\begin{align*} P = \frac{V^2}{R} \,\,or\,\,R = \frac{V^2}{P} \,\,or\,\, V = \sqrt{PR} \end{align*}$

$\begin{align*} P = {I^2}{R} \,\,or\,\, R = \frac{P}{I^2} \,\,or\,\, I = \sqrt{\frac{P}{R}} \end{align*}$

قيود قانون أوم

يتم مناقشة بعض القيود على قانون أوم أدناه.

لا ينطبق قانون أوم على جميع الموصلات غير المعدنية. على سبيل المثال، بالنسبة للكربون السيليكوني، فإن العلاقة تعطى بواسطة $V = KI^m$ حيث K و m هما ثوابت و m<1.
لا ينطبق قانون أوم على العناصر اللاخطية التالية.

المقاومة
السعة الكهربائية
الموصلات شبه الناقلة
أنابيب الفراغ
الكهارل
المقاومات الكربونية
مصباح القوس الكهربائي
ديود زينر

(ملاحظة: العناصر غير الخطية هي تلك التي تكون العلاقة بين التيار والجهد فيها غير خطية، أي أن التيار ليس متناسباً تماماً مع الجهد المطبق.)

قانون أوم ينطبق فقط على الموصلات المعدنية عند درجة حرارة ثابتة. إذا تغيرت درجة الحرارة، فإن القانون لا ينطبق.
قانون أوم أيضاً لا ينطبق على الشبكات الأحادية الاتجاه. لاحظ أن الشبكة الأحادية الاتجاه تحتوي على عناصر أحادية الاتجاه مثل الترانزستورات والديودات وغيرها. العناصر الأحادية الاتجاه هي تلك التي تسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط.

مثلث قانون أوم

الصيغ الأساسية لقانون أوم ملخصة أدناه في مثلث قانون أوم.

Ohm’s Law Triangle.png

تمارين تطبيقية لقانون أوم

مثال 1

كما هو موضح في الدائرة أدناه، يوجد تيار قدره 4 أمبير يتدفق عبر مقاومة قدرها 15 أوم. حدد الانخفاض الجهد عبر الدائرة باستخدام قانون أوم.

الحل:

البيانات المعطاة: $I = 4\,\,A$ و $R = 15\,\,\Omega$

وفقاً لقانون أوم،

$\begin{align*} \begin{split} V = I * R \\ = 4*15 \\ V = 60 \,\, Volts \end{split} \end{align*}$

وبالتالي، باستخدام معادلة قانون أوم، نحصل على الانخفاض في الجهد عبر الدائرة وهو 60 فولت.

مثال 2

كما هو موضح في الدائرة أدناه، تم تطبيق جهد إمداد قدره 24 فولت عبر مقاومة تبلغ 12 أوم. حدد التيار المتدفق عبر المقاومة باستخدام قانون أوم.

$\begin{equation*} P = V * I \end{equation*}$

الحل:

البيانات المعطاة: $V = 24\,\,V$ و $R = 12\,\,\Omega$

وفقاً لقانون أوم،

$\begin{align*} \begin{split} I = \frac{V}{R} \\ = \frac{24}{12} \\ I = 2 \,\, A (Ampere) \end{split} \end{align*}$

وبذلك، باستخدام معادلة قانون أوم، نحصل على أن التيار المار عبر المقاومة هو 2 أمبير.

مثال 3

كما هو موضح في الدائرة أدناه، فإن الجهد الم alimentado é de 24 V e a corrente fluindo através da resistência desconhecida é de 2 A. Determine o valor desconhecido da resistência usando a lei de Ohm.

الحل:

البيانات المعطاة: $V = 24\,\,V$ و $I = 2\,\,A$

وفقاً لقانون أوم،

$\begin{align*} \begin{split} R = \frac{V}{I} \\ = \frac{24}{2} \\ R = 12 \,\, \Omega \end{split} \end{align*}$

وبالتالي، باستخدام معادلة قانون أوم، نحصل على قيمة المقاومة غير المعروفة $12\,\,\Omega$ .

تطبيقات قانون أوم

تشمل بعض تطبيقات قانون أوم:

حساب الفرق الكهربائي أو الجهد الكهربائي غير المعروف، والمقاومة، وتدفق التيار في الدائرة الكهربائية.
استخدام قانون أوم في الدوائر الإلكترونية لتحديد الانخفاض الداخلي للجهد عبر المكونات الإلكترونية.
استخدام قانون أوم في دوائر القياس المباشر، خاصة في الأميتر المباشر حيث يتم استخدام مقاومة منخفضة لتوجيه التيار.

المصدر: Electrical4u

بيان: احترام الأصلي، المقالات الجيدة تستحق المشاركة، إذا كان هناك انتهاك للحقوق يرجى الاتصال للحذف.