What is the relationship between voltage, current, and resistance in Ohm's law?

Ohm's law defines the relationship as V = I × R, where voltage (V) is measured in volts, current (I) in amperes, and resistance (R) in ohms. For a constant resistance, current is directly proportional to applied voltage and inversely proportional to resistance. This fundamental relationship allows calculation of any one quantity if the other two are known.

How does a resistor behave differently from a light bulb in a circuit?

A resistor maintains approximately constant resistance regardless of voltage or current. A light bulb's resistance changes significantly with temperature—as the filament heats, resistance increases and current decreases. This temperature-dependent behavior causes the light bulb's current-versus-voltage plot to be nonlinear, unlike the straight-line relationship for resistors.

Why does current flow in the opposite direction to electron movement?

Electrons carry negative charge and move through wires in the direction opposite to conventional current flow. Because electrons are negatively charged, their movement in one direction defines current as flowing in the opposite direction. This convention allows consistent description of current behavior throughout electrical circuits.

What makes a light-emitting diode act as a one-way valve for current?

An LED allows current to flow only when voltage is positive and exceeds a threshold value. In the forward direction, current increases rapidly as voltage increases. In the reverse direction, no current flows regardless of voltage magnitude. This directional behavior demonstrates how an LED functions as a one-way valve, passing current through low resistance forward and blocking it in reverse.

How does resistance affect current flow at a constant voltage?

According to Ohm's law, higher resistance reduces current flow at constant voltage. By placing a resistor in series with a device, you can limit current and prevent damage or reduce shock risk. For example, choosing a light bulb with appropriate resistance ensures a flashlight's batteries supply suitable current without burning out the bulb.

What happens to a light bulb's resistance when it is first turned on?

When a light bulb is first turned on, the filament is at room temperature with relatively low resistance, causing current to jump to a high level initially. As the filament heats up, resistance increases significantly and current drops to a lower, constant value. This temperature-dependent resistance change explains why current is highest immediately after power is applied.

What role does electric potential play in circuit operation?

A power supply or battery has positive and negative terminals that define high and low electric potential values. The difference between these potentials is voltage, which drives charge movement through the circuit. This voltage difference is essential for creating current flow, making electric potential fundamental to all circuit operation.

التحقيق في قانون أوم للموصلات الأومية وغير النومومية

0 مشاهدة12:41 دقيقة

1. التعرف على الجهاز

في هذه التجربة ، استخدم جهاز كمبيوتر لجمع البيانات ورسم الرسوم البيانية.
قم بتحميل البرنامج الخاص بالتجربة عن طريق النقر المزدوج على أيقونة "قانون أوم" على سطح مكتب الكمبيوتر. عند تحميل البرنامج ، يجب أن تعرض الشاشة رسما بيانيا وجدولا وفي الزاوية اليمنى السفلية ، مربعات بها قراءات الجهد والتيار.
انقر فوق الزر "صفر" وحدد "صفر جميع المستشعرات" للتأكد من أن قراءات الجهد والتيار تقرأ صفرا عندما تكون غير متصلة.
باتباع مخطط الدائرة في <الفئة القوية = "xfig">الشكل 1 ، قم بتوصيل الخيوط الموجودة على مستشعر الجهد بمصدر الطاقة ، وهو صندوق أزرق. ينتقل الرصاص الأحمر إلى اتصال + على مصدر الطاقة ، ويذهب الرصاص الأسود إلى - واحد.
تأكد من عدم توصيل المستشعر الحالي ، وتأكد من تشغيل المقبض الحالي على مصدر الطاقة إلى الحد الأقصى (في اتجاه عقارب الساعة بالكامل).
ابدأ عملية جمع البيانات بالضغط على أيقونة السهم الأخضر (زر التجميع) على الكمبيوتر.
لاحظ ما يحدث عندما يتم نقل مقبض الجهد الموجود على مصدر الطاقة بين إعداداته الدنيا والحد الأقصى. يسمح ضبط المقبض بتغيير الجهد من حوالي +0.7 فولت إلى +5 فولت على الأقل.
اعكس خيوط مستشعر الجهد (أحمر إلى - ، أسود إلى +) ، وكرر الخطوات 1.5-1.7. هذه المرة ، يعطي ضبط المقبض نطاق جهد يتراوح من -0.7 فولت إلى -5 فولت. وبالتالي ، من خلال ضبط جهد مصدر الطاقة بالإضافة إلى عكس الخيوط ، يتوفر النطاق الكامل للفولتية تقريبا بين -5 فولت و +5 فولت للعمل معه في هذه التجربة. لاحظ أن مصدر الطاقة المستخدم في هذه التجربة لا يمكنه إخراج الفولتية أقل من 0.7 فولت (ميزة غير عادية) ، ولكن هناك أكثر من نطاق كاف لتحديد علاقات الاهتمام.

الشكل 1

< فئة قوية = "xfig" >الشكل 1: يوضح مخطط الدائرة هذا مصدر الطاقة (المميز بالرموز + و -) ومستشعر الجهد (V) المتصل بسلكين.

2. التحقيق في قانون أوم

ملاحظة: في هذا الجزء من التجربة ، الهدف هو مراقبة الرسوم البيانية للتيار مقابل الجهد.

لتغيير ما يتم عرضه على محور ، انقر فوق تسمية المحور ، وحدد الخيار المناسب لعرض المعلومات المطلوبة ، و (للمحور الصادي فقط) قم بإزالة الفحص (الشيكات) للعناصر غير المرغوب فيها على الشاشة. اضبط الرسم البياني لإظهار التيار على المحور y والإمكانات على المحور x.
لضبط المقاييس بشكل صحيح ، انقر فوق أحد الأرقام الموجودة على يسار المحور y. يؤدي هذا إلى إظهار مربع لإدخال الحد الأدنى -0.3 والحد الأقصى 0.3 للقياس اليدوي. كرر للمحور x بالنقر فوق رقم أسفل المحور x لإظهار مربع الإعدادات. هذه المرة ، أدخل -6 كحد أدنى و 6 كحد أقصى. يؤدي هذا إلى إعداد الرسم البياني لعرض التيارات بين -0.3 و +0.3 أمبير ، والفولتية بين -5 فولت و +5 فولت.
باتباع مخطط الدائرة في <الفئة القوية = "xfig">الشكل 2 ، قم بتوصيل الدائرة لقياس الجهد والتيار عبر مقاومة 100 Ω.
استخدم صندوق المقاومة كمقاوم. اضبطه لمدة 100 Ω. على مصدر الطاقة ، قم بتحويل كل من التيار والجهد إلى الحد الأقصى.
اضغط على أيقونة السهم الأخضر لبدء جمع البيانات.
على مدار عدة ثوان ، قم بخفض الجهد إلى الحد الأدنى ، ثم اعكس الخيوط بسرعة عند مصدر الطاقة. خلال عدة ثوان ، أدر مقبض الجهد نحو الحد الأقصى مرة أخرى. يجب أن ينتج عن هذا رسم بياني للتيار مقابل الجهد ، يتراوح من حوالي -5 فولت إلى +5 فولت.
كرر العملية حتى تشعر بالرضا عن الرسم البياني ، وحدد قائمة البيانات ، واختر "تخزين آخر تشغيل".
لاحظ أن الرسم البياني للتيار مقابل الجهد هو خط مستقيم. اضغط على الانحدار زر لإجراء ملاءمة خطية للبيانات ، وتسجيل ميل الخط.
1. <فئة قوية = "xfig">يوضح الشكل 4 الرسم البياني الحالي مقابل الجهد للمقاوم الذي يحمل علامة 100 Ω. ينتج عن الملاءمة الخطية للبيانات ميل 0.00991 A / V. معكوس المقاومة هو 0.0100 أمبير / فولت ، وهو تطابق جيد مع المنحدر.
قم بتغيير مقاومة صندوق المقاومة إلى 200 Ω ، وكرر الخطوات 2.6-2.9.
قارن قيمتي المنحدر بقيم المقاومة المقابلة ، وحدد العلاقة بين التيار والجهد والمقاومة.
1. <فئة قوية = "xfig">يوضح الشكل 5 الرسم البياني الحالي مقابل الجهد للمقاوم الذي يحمل علامة 200 Ω. ينتج عن الملاءمة الخطية للبيانات منحدر قدره 0.00510 أمبير / فولت. معكوس المقاومة هو 0.00500 A / V ، وهو تطابق جيد مع المنحدر.
تبين أن ميل الرسم البياني للتيار مقابل الجهد هو معكوس المقاومة. يمكن كتابة هذا على النحو التالي:
أو
1. يتناسب التيار الذي يرسله مصدر الطاقة مع الجهد ويتناسب عكسيا مع المقاومة. عندما يتم رسم التيار كدالة للجهد ، من المتوقع أن يكون ميل الخط هو معكوس المقاومة.

<فئة قوية = "xfig">الشكل 2: يوضح مخطط الدائرة هذا مصدر الطاقة المتصل بمقاوم 100 Ω ، حيث يقيس مستشعر الجهد (V) فرق الجهد عبر المقاوم ويقيس مقياس التيار الكهربائي التيار من خلاله.

<فئة قوية = "xfig">الشكل 3: في مخطط الدائرة هذا ، يتم استبدال المقاوم بمصباح كهربائي ، وتمت إضافة مفتاح. المفتاح مفتوح في البداية ، بحيث يكون المصباح مطفأ في البداية.

<فئة قوية = "xfig">الشكل 4: الرسم البياني الحالي مقابل الجهد مع مقاوم يحمل علامة 100 Ω. ينتج عن الملاءمة الخطية للبيانات منحدر قدره 0.00991 A / V. لاحظ أن البيانات المفقودة في وسط الرسم البياني هي ببساطة قطعة أثرية لمصدر طاقة معين مستخدم في التجربة ، والذي يتميز بميزة غير عادية تتمثل في عدم إنتاج جهد أقل من حوالي 0.7 فولت

<فئة قوية = "xfig">الشكل 5: الرسم البياني الحالي مقابل الجهد مع مقاوم يحمل علامة 200 Ω. ينتج عن الملاءمة الخطية للبيانات منحدر قدره 0.00510 أمبير / فولت. 3. التحقيق في المصابيح الكهربائية

استبدل المقاوم من الدائرة السابقة بمصباح كهربائي متوهج صغير (<فئة قوية = "xfig">الشكل 3). كرر التجربة ، واحصل على رسم بياني للتيار كدالة للجهد للمصباح الكهربائي. لاحظ أي اختلافات في شكل الرسم البياني للمصباح الكهربائي مقارنة بالمقاوم.
1. يوضح الشكل 6 <فئة قوية = "xfig"> رسما بيانيا للتيار مقابل الجهد للمصباح المتوهج. بشكل عام ، يزداد التيار مع زيادة الجهد ، لكن الرسم البياني ليس خطيا تقريبا مثل الرسوم البيانية للمقاومات. يوضح الرسم البياني أيضا أن التيار ، بشكل عام ، يكون أعلى عند جهد معين عندما يزداد الجهد ، مقارنة بقيمته عند نفس الجهد عندما يتناقص التيار.
الآن ، ارسم التيار مقابل الوقت بدلا من التيار مقابل الجهد. للقيام بذلك ، انقر فوق ملصق "الجهد" على المحور الأفقي لإظهار قائمة المتغيرات التي يمكن رسم الرسم البياني عليها ، واختر الوقت بدلا من الجهد.
قم بتشغيل الجهد لأعلى ، بحيث يضيء المصباح بشكل ساطع ، ثم قم بإيقاف تشغيل مصدر الطاقة باستخدام مفتاح التشغيل / الإيقاف. انقر فوق الزر "جمع" (السهم الأخضر) على الشاشة لبدء جمع البيانات ، وإعادة تشغيل مصدر الطاقة.
1. لاحظ الرسم البياني الموضح في <الفئة القوية = "xfig">الشكل 7. ينتقل التيار عبر المصباح الكهربائي إلى مستوى عال عند تشغيل مصدر الطاقة ، ثم ينخفض إلى قيمة ثابتة أصغر. هذا يختلف تماما عن سلوك المقاوم القياسي ، والذي عادة ما يقفز مباشرة إلى قيمة ثابتة عند تشغيل مصدر الطاقة.
2. تفسير هاتين الملاحظتين هو نفسه. كلما ارتفعت درجة حرارة خيوط المصباح الكهربائي ، زادت المقاومة. عندما يكون المصباح مطفأ (<فئة قوية = "xfig">الشكل 7) ، يكون الفتيل في درجة حرارة الغرفة بمقاومة منخفضة نسبيا. عندما يتم تشغيل المصباح بعد ذلك ، يقفز التيار إلى مستوى عال بسبب المقاومة المنخفضة ، ولكن مع ارتفاع درجة حرارة الفتيل وزيادة المقاومة ، ينخفض التيار. في النهاية ، تستقر درجة الحرارة ، ويكون التيار ثابتا.
3. عندما يزداد الجهد (<فئة قوية = "xfig">الشكل 6) ، فإن الفتيل يسخن ، لذلك مع خيوط أكثر برودة تكون المقاومة أقل والتيار أعلى. بالنسبة للنصف الثاني من الرسم البياني ، عندما ينخفض الجهد ، يبرد الفتيل من درجة حرارة أعلى ، وبالتالي يكون له مقاومة أعلى وتيار أقل.
أخيرا ، ارجع إلى التيار مقابل الجهد ، واستخدم مصباح LED بدلا من المصباح الكهربائي.
كما كان من قبل ، احصل على رسم بياني للتيار كدالة للجهد لمصباح LED. تأكد من استخدام كل من الفولتية الموجبة والسالبة لمعرفة النطاق الكامل لسلوك الدائرة باستخدام LED.
1. <فئة قوية = "xfig">يوضح الشكل 8 الرسم البياني الحالي مقابل الجهد لمصباح LED. لا يسمح الصمام الثنائي بالتيار بالتدفق في اتجاه واحد ، عندما يكون الجهد سالبا ؛ ومع ذلك ، عندما يكون الجهد موجبا وأعلى من عتبة معينة ، يتدفق التيار ويزداد بالسرعة التي يزيد بها الجهد. بهذه الطريقة ، يعمل الصمام الثنائي كصمام أحادي الاتجاه للتيار. لاحظ أن خيوط المصباح الكهربائي والمقاومات لا تظهر مثل هذا الاتجاه.

<فئة قوية = "xfig">الشكل 6: الرسم البياني الحالي مقابل الجهد للمصباح المتوهج. يبدأ الرسم البياني في أسفل اليسار ، ثم يتبع المسار العلوي مع زيادة الجهد ، وأصبح المصباح ساطعا جدا. ثم انخفض الجهد ، واتبع الرسم البياني المسار السفلي إلى أسفل اليسار.

<فئة قوية = "xfig">الشكل 7: الرسم البياني الحالي مقابل الوقت للمصباح المتوهج. تم إيقاف تشغيل المصباح ، ثم تم تشغيل الجهد عند علامة 1.4 ثانية تقريبا وظل عند قيمة ثابتة. بلغ التيار ذروته عند حوالي 0.57 أمبير ، ثم انخفض إلى قيمة ثابتة تبلغ حوالي 0.27 أمبير.

<فئة قوية = "xfig">الشكل 8: الرسم البياني الحالي مقابل الجهد للصمام الثنائي. يعمل الصمام الثنائي ، إلى حد ما ، كصمام أحادي الاتجاه للتيار. لا يسمح الصمام الثنائي بالتيار بالتدفق عندما يكون الجهد سالبا ، ولكن عندما يكون الجهد موجبا وأعلى من عتبة معينة ، يتدفق التيار ويزداد بالسرعة التي يزداد بها الجهد في اتجاه واحد.