قانون اهم چیست؟

در این آموزش قصد داریم تا به پرسش، قانون اهم چیست بپردازیم. در سال 1781 یک دانشمند و فیلسوف انگلیسی هنری کاوندیش (Henry Cavendish) در حال انجام آزمایشی بر روی لوله‌هایی بود که توسط مواد شکننده مانند شیشه برای اندازه‌گیری شعاع (r) و طول آنها تهیه شده بود، لوله‌ها پر از محلول‌های نمکی بودند. در طول این آزمایش، او جریانی را که در حین انجام عبور با بدن خود حس کرده بود، محاسبه می کند. با این مشاهدات، وی اشاره کرد که جریان با ولتاژ نسبت مستقیم دارد. او یافته های خود را با افراد دیگر به اشتراک نگذاشت و یافته های او تا سال 1879 ناشناخته ماند و سپس ماکسول آنها را با دانشمندان دیگر در میان گذاشت. سال 1814 فرانسیس رونالد گفت که یافته های کاوندیش دقیق نیستند مگر در حضور شرایط خاصی مانند دما و فشار. پس از کار فرانسیس رونالد اهم بر روی نظریه کاوندیش در سال 1825 وی یافته های خود در سال 1827 ارائه داد. در این مقاله، نگاهی به کار، مقدمه، مدار و کاربردهای قانون اهم خواهیم داشت. 

قانون اهم چیست؟

قانون اهم می گوید که اگر پارامترهای فیزیکی مانند دما، فشار و غیره هادی ثابت بماند، جریانی که از هر رسانایی بین 2 نقطه می گذرد، نسبت مستقیمی با ولتاژ آن دو نقطه هادی دارد.

  بیان ریاضی آن به صورت زیر است.

  V α I

V = R * I

در این معادله (I) جریان عبوری از هادی بر حسب واحد آمپر (A)، V ولتاژی است که به هادی اعمال می شود و واحد آن ولت (V) و R مقاومت هادی است که به آن بستگی ندارد. مقدار مقاومت به پارامترهای فیزیکی مانند دما، فشار و غیره بستگی دارد.

همچنین می‌توانیم مقاومت را به‌گونه‌ای تعریف کنیم که اگر یک آمپر جریان از هر رسانایی عبور می‌کند، وقتی ولتاژ یک ولت به آن اعمال می‌شود، مقاومت یک اهم دارد.

R (Ohm)= V (Volts) / I (amperes)

نمودار زیر قانون اهم را توضیح می دهد.

این یک قانون تجربی است که رسانایی مواد را بر جریان عبوری از آنها توصیف می کند.

مواد متعددی وجود دارد که از یافته‌های اهم پیروی نمی‌کنند نظیر نیمه هادی همچون دیودها، ترانزیستورها و لامپ های فیلامنتی.

قطعه ای که از قانون اهم پیروی می کند به عنوان اهمی شناخته می شود مانند آلومینیوم، مس و غیره.

رسانایی که از قانون اهم پیروی می کند، نمودار آن خط مستقیم است و اگر از قانون اهم پیروی نمی کند، نمودار آن خط مستقیم نیست.

پارامترهای قانون اهم

سه پارامتر اصلی وجود دارد که قانون اهم به آنها بستگی دارد، اول ولتاژ، دوم جریان، سوم مقاومت. اکنون آنها را به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار می دهیم و به آنها مربوط می کنیم.

ولتاژ:

ولتاژ نیرویی است که توسط منبع در مدار الکتریکی به الکترون ها برای حرکت در مدار وارد می شود.

جریان:

این نرخ حرکت بارها است و واحد آن آمپر است

مقاومت:

این توانایی ماده برای مقابله با جریانی است که از آن هادی عبور می کند. با نماد R مشخص شده و واحد آن اهم است.

هادی های اهمی و غیر اهمی چیست؟

هادی اهمی

عناصری که از قانون اهم پیروی می کنند به عنوان اهمی شناخته می شوند. هنگامی که مقدار جریان و ولتاژ را تغییر می دهیم، این ماژول ها مقدار مشابهی از مقاومت (R) دارند.

یک نمایش گرافیکی در شکل زیر نشان داده می شود که می توانید ببینید که نمودار آنها یک خط مستقیم است.

نمونه این واحدها فلزاتی مانند آلومینیوم (Al)، مس (CU) و غیره است.

هادی غیر اهمی

آن دسته از ماژول هایی که از قانون اهم پیروی نمی کنند به عنوان غیر اهمی شناخته می شوند. در این قطعات، وقتی ولتاژ اعمال شده را تغییر می دهیم، مقدار مقاومت ثابت نمی ماند.

نمونه های مواد غیراهمی دیودهای نیمه هادی، ترانزیستور و لامپ های فیلامنتی هستند.

نمودار دستگاه های غیر اهمی را در شکل زیر می بینید که نمودار مانند قطعات اهمی یک خط مستقیم نیست زیرا مقاومت این اجزاء ثابت نیست.

قانون اهم را با مدار داده شده در زیر تجزیه و تحلیل می کنیم.

در مدار داده شده یک مدار بسیار ساده وجود دارد که از یک باتری و بار تشکیل شده است. جریان از مدار عبور می کند.

اگر هر یک از مقادیر جریان، مقاومت ارائه شده توسط بار یا ولتاژ را بدانیم، می‌توانیم به راحتی قانون اهم را برای یافتن مقدار سوم اعمال کنیم.

ابتدا مقدار جریان عبوری از مدار را محاسبه می کنیم که در سمت چپ در نمودار نشان داده شده است، مقادیر باتری 20 ولت و مقاومت 5 اهم است سپس طبق قانون اهم جریان به صورت زیر است.

I=V/R = 20/5= 4

اکنون مقدار ولتاژ را با اعمال قانون اهم در مدار سمت راست محاسبه می کنیم.

V=IR = 4 x 5 = 20

محدودیت های قانون اهم

برای مدارهای اختصاصی یا یک طرفه قابل استفاده نیست. چنین مدارهایی اجازه می دهند جریان فقط در یک جهت حرکت کند.

این مدارها شامل قطعات نیمه هادی مانند دیودها و ترانزیستور هستند که اجازه می دهند جریان در یک جهت حرکت کند.

این قانون همچنین برای قطعاتی که خطی نیستند قابل اجرا نیست، اجزای غیرخطی به گونه‌ای هستند که تغییرات جریان در آنها برای تغییرات ولتاژ یکسان نیست. مثلاً در این خصوص می توان قطعاتی به نام تریستور ا مثال زد.