قانون اهم Ohm’s Law چیست ؟ آموزش کامل رابطه ولتاژ ، جریان و مقاومت با مثال

قانون اهم Ohm’s Law چیست ؟ آموزش کامل رابطه ولتاژ ، جریان و مقاومت با مثال ، نخستین و شاید مهم‌ترین رابطه میان جریان، ولتاژ و مقاومت، قانون اهم Ohm’s Law نام دارد. این قانون توسط گئورگ سیمون اهم کشف شد و در سال ۱۸۲۷ در مقاله‌ای با عنوان «بررسی ریاضی مدارهای گالوانیکی» به چاپ رسید.

ولتاژ، جریان و مقاومت

یک مدار الکتریکی زمانی شکل می‌گیرد که یک مسیر رسانا برای حرکت مداوم بار الکتریکی ایجاد شود. این حرکت پیوسته بار الکتریکی از طریق رساناهای مدار، جریان الکتریکی (Current) نامیده می‌شود و غالباً مانند جریان یک مایع در لوله‌ای توخالی، از آن با واژه «شارش» یا «جریان» یاد می‌کنند.

نیرویی که حامل‌های بار را به شارش در یک مدار ترغیب می‌کند، ولتاژ (Voltage) نام دارد. ولتاژ معیاری مشخص از انرژی پتانسیل است که همواره بین دو نقطه سنجیده می‌شود. به عبارت دیگر، وقتی از وجود مقدار مشخصی ولتاژ در یک مدار سخن می‌گوییم، در واقع میزان انرژی پتانسیل موجود برای حرکت دادن حامل‌های بار از یک نقطه خاص مدار به نقطه خاص دیگر را اندازه می‌گیریم. مفهوم ولتاژ بدون در نظر گرفتن دو نقطه مشخص، کاملاً بی‌معناست.

جریان الکتریکی تمایل دارد با مقداری اصطکاک یا مخالفت در برابر حرکت، از رساناها عبور کند. این مخالفت در برابر حرکت بارها را مقاومت الکتریکی (Resistance) می‌نامند. مقدار جریان در یک مدار به میزان ولتاژ اعمال‌شده و مقدار مقاومت موجود در مدار برای مخالفت با شارش جریان بستگی دارد.

مقاومت نیز درست مانند ولتاژ، یک کمیت نسبی بین دو نقطه است. به همین دلیل، کمیت‌های ولتاژ و مقاومت معمولاً به‌صورت مقادیر «بین» یا «در عرض» دو نقطه از مدار بیان می‌شوند.

واحدهای اندازه‌گیری: ولت، آمپر و اهم

برای اینکه بتوانیم اظهارنظرهای معناداری درباره این کمیت‌ها در مدارها داشته باشیم، باید بتوانیم مقادیر آن‌ها را به همان روشی که جرم، دما، حجم، طول یا هر کمیت فیزیکی دیگری را تعیین می‌کنیم، مشخص سازیم. برای نمونه، برای جرم از واحدهای «کیلوگرم» یا «گرم» و برای دما از درجه فارنهایت یا سلسیوس استفاده می‌کنیم. واحدهای استاندارد اندازه‌گیری برای جریان، ولتاژ و مقاومت الکتریکی به شرح زیر است:

«نماد» مشخص‌شده برای هر کمیت، حرف الفبای استانداردی است که برای نشان دادن آن کمیت در معادلات جبری استفاده می‌شود. این حروف استاندارد در رشته‌های فیزیک و مهندسی رایج بوده و به رسمیت شناخته شده‌اند.

«علامت اختصاری واحد» برای هر کمیت، نشان‌دهنده نماد الفبایی است که به عنوان نویسه کوتاه‌نویسی برای آن واحد اندازه‌گیری خاص به کار می‌رود. نماد نعل‌اسبی‌شکل و منحصر‌به‌فرد مقاومت، حرف بزرگ یونانی امگا (Ω) است.

هر یک از این واحدهای اندازه‌گیری به افتخار یکی از دانشمندان نامدار حوزه الکتریسیته نام‌گذاری شده است: «آمپر» به افتخار دانشمند فرانسوی آندره ماری آمپر، «ولت» به افتخار دانشمند ایتالیایی آلساندرو ولتا و «اهم» به افتخار دانشمند آلمانی گئورگ سیمون اهم.

نماد ریاضی هر کمیت نیز معنای خاص خود را دارد. حرف R برای مقاومت و V برای ولتاژ کاملاً واضح هستند، اما انتخاب حرف I برای جریان کمی عجیب به نظر می‌رسد. اعتقاد بر این است که حرف I در ابتدا نماینده کلمه شدت (Intensity) شارش بار بوده است. همچنین نماد دیگر ولتاژ یعنی E، مخفف عبارت «نیروی محرکه الکتریکی» (Electromotive force) است.

نمادهای E و V در بیشتر موارد به جای یکدیگر استفاده می‌شوند، اگرچه برخی متون آموزشی حرف E را برای نمایش ولتاژ یک منبع (مانند باتری یا ژنراتور) و V را برای نمایش ولتاژ سایر قطعات مدار اختصاص می‌دهند.

تمام این نمادها با حروف بزرگ نوشته می‌شوند، مگر در مواردی که یک کمیت (به‌ویژه ولتاژ یا جریان) در یک بازه زمانی بسیار کوتاه توصیف شود که به آن مقدار «لحظه‌ای» می‌گویند. به عنوان مثال، ولتاژ یک باتری که در طولانی‌مدت پایدار است با حرف بزرگ E نشان داده می‌شود، در حالی که اوج ولتاژ برخورد صاعقه در دقیقاً همان لحظه اصابت به خطوط انتقال برق، به احتمال زیاد با حرف کوچک e یا v نشان داده می‌شود تا مشخص شود که این مقدار مربوط به یک لحظه خاص است. این قاعده برای جریان الکتریکی نیز صدق می‌کند و حرف کوچک i نشان‌دهنده جریان در یک لحظه از زمان است. با این حال، بیشتر اندازه‌گیری‌های جریان مستقیم (DC) به دلیل پایدار بودن در طول زمان، با حروف بزرگ نوشته می‌شوند.

کولن و بار الکتریکی

یکی از واحدهای بنیادی اندازه‌گیری الکتریکی که اغلب در ابتدای دوره‌های الکترونیک آموزش داده می‌شود اما پس از آن کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، واحد «کولن» (Coulomb) است. کولن معیاری برای سنجش بار الکتریکی و متناسب با تعداد الکترون‌ها در یک وضعیت نامتعادل است. یک کولن بار الکتریکی دقیقاً برابر با ۶,۲۵۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰,۰۰۰ الکترون است.

نماد کمیت بار الکتریکی حرف بزرگ Q و علامت اختصاری واحد کولن حرف بزرگ C است. جریان یک آمپری عبوری از مدار، معادل عبور ۱ کولن بار الکتریکی از یک نقطه مشخص در مدت زمان ۱ ثانیه است. با این تعریف، جریان در واقع نرخ حرکت بار الکتریکی در یک رسانا است.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، ولتاژ معیار انرژی پتانسیل بر واحد بار است که برای ایجاد جریان از یک نقطه به نقطه دیگر در دسترس قرار می‌گیرد. پیش از تعریف دقیق «ولت»، باید روش اندازه‌گیری انرژی پتانسیل را درک کنیم. واحد متری عمومی برای هر نوع انرژی «ژول» (Joule) است که با مقدار کار انجام‌شده توسط نیروی ۱ نیوتون در مسافت ۱ متر برابری می‌کند. در سیستم امپریال، این مقدار کمی کمتر از سه‌چهارم پوند نیرو در مسافت ۱ فوت است. به زبان ساده، حدود ۱ ژول انرژی برای بلند کردن یک وزنه سه‌چهارم پوندی به اندازه ۱ فوت از سطح زمین یا کشیدن چیزی در مسافت ۱ فوت با نیروی موازی سه‌چهارم پوند نیاز است. با این تعاریف علمی، ۱ ولت برابر است با ۱ ژول انرژی پتانسیل الکتریکی تقسیم بر ۱ کولن بار الکتریکی. از این رو، یک باتری ۹ ولتی به ازای هر کولن باری که در مدار حرکت می‌دهد، ۹ ژول انرژی آزاد می‌کند. شناخت این واحدها و نمادهای کمیت‌های الکتریکی برای بررسی روابط میان آن‌ها در مدارها بسیار حیاتی است.

معادله قانون اهم

کشف اصلی اهم این بود که مقدار جریان الکتریکی عبوری از یک رسانای فلزی در مدار، در یک دمای ثابت، به طور مستقیم با ولتاژ اعمال‌شده بر آن متناسب است. اهم کشف خود را در قالب یک معادله ساده بیان کرد که چگونگی ارتباط ولتاژ، جریان و مقاومت را نشان می‌دهد:

در این عبارت جبری، ولتاژ (E) برابر است با حاصل‌ضرب جریان (I) در مقاومت (R). با استفاده از تکنیک‌های جبری، می‌توانیم این معادله را به دو فرم دیگر برای محاسبه جریان و مقاومت تغییر دهیم:

تحلیل مدارهای ساده با قانون اهم

بیایید بررسی کنیم که این معادلات چگونه به ما در تحلیل مدارهای ساده کمک می‌کنند:

در مدار بالا، تنها یک منبع ولتاژ (باتری در سمت چپ) و تنها یک قطعه مقاومتی در برابر جریان (لامپ در سمت راست) وجود دارد. این ساختار، اعمال قانون اهم را بسیار آسان می‌کند. اگر مقدار هر دو کمیت از سه کمیت اصلی (ولتاژ، جریان و مقاومت) را در این مدار بدانیم، می‌توانیم از قانون اهم برای تعیین کمیت سوم استفاده کنیم.

در اولین مثال، مقدار جریان (I) را در مدار با داشتن مقادیر ولتاژ (E) و مقاومت (R) محاسبه می‌کنیم:

مقدار جریان در این مدار چقدر است؟

در دومین مثال، مقدار مقاومت (R) را در مدار با داشتن مقادیر ولتاژ (E) و جریان (I) محاسبه می‌کنیم:

مقدار مقاومت ایجاد شده توسط لامپ چقدر است؟

در آخرین مثال، مقدار ولتاژ تامین‌شده توسط باتری را با داشتن مقادیر جریان (I) و مقاومت (R) محاسبه می‌کنیم:

مقدار ولتاژ ارائه شده توسط باتری چقدر است؟

تکنیک مثلث قانون اهم

قانون اهم Ohm’s Law ابزاری بسیار ساده و کاربردی برای تحلیل مدارهای الکتریکی است. این قانون به قدری در مطالعه الکتریسیته و الکترونیک استفاده می‌شود که هنرجویان باید آن را به خاطر بسپارند. برای کسانی که هنوز با محاسبات جبری کاملاً راحت نیستند، ترفندی برای به یاد آوردن نحوه محاسبه هر یک از کمیت‌ها با داشتن دو کمیت دیگر وجود دارد.

ابتدا حروف E، I و R را در یک مثلث به این صورت قرار دهید:

اگر مقادیر E و I را می‌دانید و می‌خواهید R را تعیین کنید، کافی است حرف R را از تصویر بپوشانید و ببینید چه چیزی باقی می‌ماند:

اگر مقادیر E و R را می‌دانید و می‌خواهید I را تعیین کنید، حرف I را بپوشانید و بخش باقی‌مانده را مشاهده کنید:

در نهایت، اگر مقادیر I و R را می‌دانید و می‌خواهید E را پیدا کنید، حرف E را بپوشانید و فرمول حاصل را ببینید:

در نهایت برای مطالعه جدی الکتریسیته و الکترونیک باید با جبر آشنا شوید، اما این نکته کوچک می‌تواند اولین محاسبات شما را کمی ساده‌تر کند. اگر با جبر آشنایی کافی دارید، تنها کاری که باید انجام دهید این است که فرمول اصلی یعنی E=IR را حفظ کنید و در صورت نیاز، دو فرمول دیگر را از آن استخراج کنید.

مرور مطالب

• ولتاژ بر حسب ولت اندازه‌گیری می‌شود و با حروف E یا V نشان داده می‌شود.
• جریان بر حسب آمپر اندازه‌گیری می‌شود و با حرف I نشان داده می‌شود.
• مقاومت بر حسب اهم اندازه‌گیری می‌شود و با حرف R نشان داده می‌شود.
• فرمول‌های قانون اهم: V = IR ؛ I = V/R ؛ R = V/I

سوالات متداول

شما همچنین می‌توانید از ماشین حساب قانون اهم در بخش ابزارهای ما استفاده کنید.

اگر این مقاله قانون اهم Ohm’s Law چیست ؟ آموزش کامل رابطه ولتاژ ، جریان و مقاومت با مثال ، برای شما مفید بود، آن را با دوستان خود به اشتراک بگذارید و برای مشاهده آموزش‌های بیشتر به سایت ما سر بزنید.