חוק אוהם לתמי ומנצחים נוהמיים

החוק קובע כי הזרם באמצעות מכשיר הוא פרופורציונלי ישירות להבדל הפוטנציאלי החל על המכשיר. ניתן להחיל את חוק Ohm על רכיבי מעגלים בודדים, או על מעגל בכללותו, כדי לחזות ערכים של זרם, אם מתח והתנגדות ידועים, או כדי לקבוע את ההתנגדות, אם מתח וזרם נמדדים.

התנגדות היא מדד לכמה קשה לטעינה לזרום. כמה נגדים יש התנגדות כי הוא קבוע בקיר, בעוד באחרים, התלות בטמפרטורה של התנגדות היא גורם חשוב. שים לב כי ההתנגדות עולה, באופן כללי, ככל שהטמפרטורה עולה. דיודה היא בעצם שסתום חד כיווני לטעינה, המאפשר לזרם לזרום בקלות בכיוון אחד, אך לא מאפשר הרבה זרם לזרום בכיוון ההפוך. ההתנגדות של דיודה תלויה מאוד במתח שחוצה אותה, וזה יודגם בניסוי.

הנתונים שנאספו בניסוי ישמשו לחקר חוק אוהם במעגלים שונים.

1. היכרות עם המנגנון

1. עבור ניסוי זה, השתמש במחשב כדי לאסוף את הנתונים ולתוות גרפים.
2. טען את התוכנה לניסוי על ידי לחיצה כפולה על סמל "חוק אוהם" בשולחן העבודה של המחשב. כאשר התוכנית נטענת, המסך צריך להציג גרף, טבלה, ובפינה השמאלית התחתונה, תיבות עם קריאות המתח והזרם.
3. לחץ על לחצן אפס ובחר "אפס את כל החיישנים" כדי לוודא שהקריאות המתח והזרם קוראות אפס כאשר הן אינן מחוברות.
4. לאחר דיאגרמת המעגל באיור 1, חבר את שני הלידים בחיישן המתח לאספקת החשמל, שהיא תיבה כחולה. ההפניה האדומה עוברת לחיבור + באספקת החשמל, והפופרת השחורה עוברת ל- - אחד.
5. ודא כי החיישן הנוכחי אינו מחובר, וודא שהידית הנוכחית באספקת החשמל הופכת למקסימום (בכיוון השעון המלא).
6. הפעל את איסוף הנתונים על-ידי הקשה על סמל החץ הירוק (לחצן איסוף) במחשב.
7. שים לב מה קורה כאשר ידית המתח באספקת החשמל מועברת בין ההגדרות המינימליות למקסימום שלה. התאמת הידית מאפשרת לשנות את המתח מ- +0.7 V ל- +5 וולט לפחות.
8. הפוך את הפניות של חיישן המתח (אדום ל -, שחור ל+ ), ולחזור על השלבים 1.5-1.7. הפעם, התאמת הידית מעניקה טווח מתח של כ- −0.7 V עד -5 V. לכן, על ידי התאמת מתח ספק הכוח, כמו גם היפוך הלידים, כמעט טווח המתחים המלא בין -5 V ו + 5 V זמין לעבוד איתו בניסוי זה. שים לב כי ספק הכוח המשמש בניסוי זה לא יכול לכבות מתחים מתחת 0.7 וולט (תכונה יוצאת דופן), אבל יש יותר ממספיק טווח כדי לקבוע את היחסים של עניין.

איור 1: דיאגרמת מעגלים זו מציגה את ספק הכוח (המסומן ב- + ו - סמלים) ואת חיישן המתח (V) המחובר באמצעות שני חוטים.

2. חקירת חוק אוהם

הערה: בחלק זה של הניסוי, המטרה היא להתבונן בגרפים של זרם לעומת מתח.

1. כדי לשנות את מה שמוצג על ציר, לחץ על תווית הציר, בדוק את האפשרות המתאימה להצגת המידע הרצוי ו (עבור ציר ה- y בלבד) הסר את הבדיקות עבור פריטים לא רצויים בתצוגה. הגדר את התרשים כך שיציג זרם בציר ה- y והפוטנציאל בציר ה- x.
2. כדי להגדיר את קנה המידה כראוי, לחץ על אחד המספרים משמאל לציר ה- y. פעולה זו מעלה תיבה להזנה מינימלית של -0.3 ומקסימום של 0.3 עבור קנה המידה הידני. חזור על הפעולה עבור ציר ה- x על-ידי לחיצה על מספר מתחת לציר ה- x כדי להעלות את תיבת ההגדרות. הפעם, הזן -6 כמינימום ו-6 כמקסימום. פעולה זו מכינה את הגרף להצגת זרמים בין −0.3 ל- +0.3 A, ומתחים בין -5 V ל- +5 V.
3. לאחר דיאגרמת המעגל באיור 2, תחברו את המעגל כדי למדוד את המתח והזרם על פני נגד 100 Ω.
4. השתמש בתיבת התנגדות כנגד. תקבע את זה ל-100 Ω. באספקת החשמל, להפוך הן את הזרם והן את המתח למקסימום.
5. הקש על סמל החץ הירוק כדי להתחיל את איסוף הנתונים.
6. במשך מספר שניות, להפוך את המתח למינימום, ולאחר מכן להפוך במהירות את הפניות באספקת החשמל. במשך מספר שניות, סובב את ידית המתח לכיוון המקסימום שוב. התוצאה היא גרף של זרם לעומת מתח, החל על -5 וולט כדי +5 וולט.
7. חזור על התהליך עד להסתפקות בגרף, בחר בתפריט נתונים ובחר "אחסן את ההפעלה האחרונה".
8. שים לב כי גרף הזרם לעומת מתח הוא קו ישר. לחץ על לחצן רגרסיה כדי לבצע התאמה ליניארית לנתונים, והקלט את השיפוע של הקו.
   1. איור 4 מציג את גרף הזרם לעומת מתח עבור הנגד המסומן ב- 100 Ω. התאמה ליניארית לנתונים גורמת בשיפוע של 0.00991 A/V. ההופכי של ההתנגדות הוא 0.0100 A/V, המהווה התאמה טובה למדרון.
9. שנה את ההתנגדות של תיבת ההתנגדות ל-200 Ω, וחזור על השלבים 2.6-2.9.
10. השווה את שני ערכי השיפוע לערכי ההתנגדות המתאימים וקבע את הקשר בין הזרם, המתח וההתנגדות.
    1. איור 5 מציג את גרף הזרם לעומת מתח עבור הנגד המסומן ב- 200 Ω. התאמה ליניארית לנתונים גורמת שיפוע של 0.00510 A/V. ההופכי של ההתנגדות הוא 0.00500 A /V, המהווה התאמה טובה למדרון.
11. השיפוע של גרף הזרם לעומת מתח מתברר להיות ההופכי של ההתנגדות. ניתן לכתוב זאת כ:
    או
    1. הזרם שנשלח על ידי ספק הכוח הוא פרופורציונלי למתח ומידתי הפוך להתנגדות. כאשר הזרם גרף כפונקציה של המתח, השיפוע של הקו צפוי להיות ההופכי של ההתנגדות.

איור 2: תרשים מעגלים זה מציג את ספק הכוח המחובר לנגד 100 Ω, כאשר חיישן המתח (V) מודד את ההבדל הפוטנציאלי בין הנגד והאמטר המודד את הזרם דרכו.

 
איור 3: בדיאגרמת מעגל זו, הנגד מוחלף בנורה ונוספה מתג. המתג פתוח בתחילה, כך הנורה כבויה בהתחלה.

איור 4: גרף זרם לעומת מתח עם נגד המסומן ב-100 Ω. התאמה ליניארית לנתונים גורמת למדרון של 0.00991 A/V. שים לב שהנתונים החסרים במרכז הגרף הם פשוט חפץ של ספק הכוח המסוים המשמש בניסוי, שיש לו את התכונה יוצאת הדופן של אי ייצור מתחים מתחת ל- 0.7 V.
איור 5: גרף זרם לעומת מתח עם נגד המסומן ב-200 Ω. התאמה ליניארית לנתונים גורמת שיפוע של 0.00510 A/V.

3. חקירת נורות

1. החלף את הנגד מהמעגל הקודם בנורת ליבון קטנה (איור 3). חזור על הניסוי, קבלת גרף של זרם כפונקציה של מתח עבור הנורה. שים לב להבדלים בטופס הגרף עבור הנורה בהשוואה לנגד.
   1. איור 6 מציג גרף של זרם לעומת מתח עבור הנורה ליבון. באופן כללי, הזרם עולה ככל שהמתח עולה, אך הגרף אינו ליניארי כמעט כמו הגרפים עבור הנגדים. הגרף גם מראה כי הזרם הוא, באופן כללי, גבוה יותר במתח נתון כאשר המתח עולה, לעומת הערך שלה באותו מתח כאשר הזרם יורד.
2. עכשיו, התווה זרם לעומת זמן במקום זרם לעומת מתח. כדי לעשות זאת, לחץ על התווית "מתח" על הציר האופקי כדי להעלות את רשימת המשתנים כי התרשים יכול להיות משורטט נגד, ולבחור זמן במקום מתח.
3. כבה את המתח, כך הנורה זוהרת בבהירות, ולאחר מכן לכבות את ספק הכוח, באמצעות מתג הפעלה / כיבוי. לחץ על לחצן איסוף (חץ ירוק) על המסך כדי להתחיל את איסוף הנתונים והפעל מחדש את ספק הכוח.
   1. צפו בגרף, המוצג באיור 7. הזרם דרך הנורה עובר לרמה גבוהה כאשר ספק הכוח מופעל, ולאחר מכן יורד לערך קבוע קטן יותר. זה שונה לגמרי מהתנהגותו של נגד סטנדרטי, אשר בדרך כלל יקפוץ ישר לערך קבוע כאשר אספקת החשמל מופעלת.
   2. ההסבר לשתי התצפיות הללו זהה. ככל שהטמפרטורה של חוט הנורה גבוהה יותר, כך ההתנגדות גדולה יותר. כאשר הנורה כבויה ( איור 7),הסיב בטמפרטורת החדר עם התנגדות נמוכה יחסית. כאשר הנורה מופעלת לאחר מכן, הזרם קופץ לרמה גבוהה בגלל ההתנגדות הנמוכה, אבל כמו חוט מתחמם ההתנגדות עולה, הזרם יורד. בסופו של דבר, הטמפרטורה מתייצבת, והזרם קבוע.
   3. כאשר המתח עולה ( איור 6), הסיב מתחמם, כך שעם חוט קריר יותר ההתנגדות נמוכה יותר והזרם גבוה יותר. במחצית השנייה של הגרף, כאשר המתח יורד, הסיב מתקרר מטמפרטורה גבוהה יותר, ולכן יש התנגדות גבוהה יותר וזרם נמוך יותר.
4. לבסוף, חזור לזרם לעומת מתח, והשתמש ב- LED במקום הנורה.
5. כמו קודם, להשיג גרף של זרם כפונקציה של מתח עבור LED. הקפד להשתמש הן מתחים חיוביים ושליליים כדי לראות את הטווח המלא של התנהגות המעגל עם LED.
   1. איור 8 מציג את גרף הזרם לעומת מתח עבור נורית LED. הדיודה אינה מאפשרת לזרם לזרום בכיוון אחד, כאשר המתח שלילי; עם זאת, כאשר המתח הוא חיובי מעל סף מסוים, הזרם זורם ומתגבר מהר ככל המתח עולה. בדרך זו, הדיודה פועלת שסתום חד כיווני עבור הנוכחי. שים לב כי חוט הנורה ואת הנגדים להראות כיווניות כזו.

איור 6: גרף זרם לעומת מתח עבור נורה ליבון. הגרף מתחיל בפינה השמאלית התחתונה, ואז עקב אחר המסלול העליון ככל שהמתח גדל, והפורה הפכה בהירה מאוד. המתח ירד לאחר מכן, והגרף עקב אחר המסלול התחתון בחזרה למטה למטה שמאלה.

איור 7: גרף זמן נוכחי לעומת זמן לנורה ליבון. הנורה הייתה כבויה, ואז המתח הופעל בסביבות הסימן של 1.4 שניות ונשמר בערך קבוע. הזרם הגיע לשיא של כ 0.57 A, ולאחר מכן ירד לערך קבוע של כ 0.27 A.

איור 8: גרף זרם לעומת מתח עבור דיודה. דיודה, במובן מסוים, משמש שסתום חד כיווני לזרם. הדיודה אינה מאפשרת לזרם לזרום כאשר המתח שלילי, אך כאשר המתח חיובי ומעל לסף מסוים, הזרם זורם ומתגבר במהירות ככל שהמתח עולה בכיוון אחד.

גאדג'טים אלקטרוניים נמצאים בכל מקום בעולם של ימינו, ולחוק של Ohm יש תפקיד בכל אחד מהנג'טים האלה. לדוגמה, פנס שנועד לעבוד על שתי סוללות 1.5 וולט בסדרה (סה"כ 3 וולט), חייב להיות נורה עם התנגדות מתאימה, כך הסוללות לספק כמות מתאימה של זרם כדי לאפשר הנורה לזרוח בבהירות, מבלי לשרוף. החוק של אום עוזר להנחות את הבחירה של הנורה.

יישום נוסף הוא נורה משולשת, אשר יכול לזרוח עם שלוש רמות שונות של בהירות. דרך אחת לעשות נורה כזו היא להיות חוט אחד, אבל למקם את המתח על פני חלקים שונים של זה, תלוי איזה בהירות רצויה. שוב, החוק של Ohm ממלא תפקיד בקביעת שבריר חוט כי המתח ממוקם על פני, ואת ההתנגדות של חוט כולו.

יישום נוסף של החוק של Ohm הוא להגביל את הזרם המסופק למכשיר מסוים, אולי כדי להפחית את הסיכון להתחשמלות, או כדי להגן על המכשיר עצמו (זרמים גבוהים יכולים לגרום להתחממות יתר ושריפה). החוק של Ohm אומר לנו כי, עבור מתח נתון, גבוה יותר ההתנגדות, נמוך יותר את הזרם, ולכן הזרם יכול להיות מוגבל במכשיר על ידי הצבת התנגדות גדולה בסדרה.