Въведение в закона на Ом

В това видео ще се запознаем с идеята за електрически вериги и закона на Ом, като можеш да приемеш този закон като най-фундаменталния закон или основния закон, или най-простия закон, когато работим с електрически вериги. Той свързва напрежението, за което ще получим по-логична представа след малко, и тока, който се отбелязва с I, за да избегнем объркване с кулони, ако използваме С. И тези двете се свързват със съпротивлението, което се отбелязва с главно R. И, за да не протакаме, зависимостта между тези е доста проста математическа зависимост. Тя е, че напрежението е равно на тока по съпротивлението, или, друг начин да разгледаме това, ако разделиш двете страни на съпротивлението, получаваш, че токът е равен на напрежението делено на съпротивлението. Напрежение делено на съпротивление. Но, логически казано, какво е напрежението, какво е токът и какво е съпротивлението? И какви са мерните единици за тях? За да можем да разберем това, за да видим логиката зад това какви са тези неща и как се свързват, нека направим сравнение, като използваме потока на водата, което не е перфектна метафора, но на мен ми помага да разбера зависимостта между напрежение, ток и съпротивление. Да кажем, че имам тази вертикална тръба с вода, която е затворена отдолу и е пълна с вода. И тук отгоре има вода. Водата в тръбата, ето тук, ще има някаква потенциална енергия. И тази потенциална енергия, както ще видим, е аналогична на напрежението. Напрежението е електрически потенциал. Това не е директно потенциална енергия, а всъщност е потенциална енергия на единица заряд. Нека запиша това. Потенциална енергия на единица заряд. Можеш да мислиш за него в джаули, което е потенциална енергия, или мерни единици за енергия, на кулон. Това е единицата ни заряд. И мерните единици за напрежението, са волтове. Нека помислим какво ще се случи, ако отворим дъното на тръбата. Отваряме това. Какво ще се случи? Водата веднага ще падне право надолу. Тази потенциална енергия ще бъде преобразувана в кинетична енергия. И можеш да разгледаш определена част на тръбата, ето тук, ето тук. И можеш да кажеш: "Колко вода протича за единица време?" И това количество вода, което протича през тази точка от тръбата за определено количество време, е аналогично на тока. Токът е количеството заряд, така че можем да кажем заряд на единица време. Q за заряд и t за време. И, по логическа връзка, можеш да кажеш: "Колко заряд протича през една точка от веригата за единица време, например секунда?" И можеш да помислиш за това като за кулони в секунда, заряд през единица време. А съпротивлението е нещо, което може да не позволи на този заряд да тече с произволно висока скорост. И ако искаме да се върнем към метафората с водата, можем да въведем нещо, което ще възпрепятства водата, и това може да е стеснение на тръбата. И това стеснение на тръбата ще е аналогично на съпротивлението. В тази ситуация, отново, имам вертикална водна тръба, отворих я, и пак ще имаш тази потенциална енергия, която е аналогична на напрежението, и тя ще бъде преобразувана в кинетична енергия, и ще имаш поток вода през тази тръба, но сега във всяка точка от тази тръба количеството вода, което протича за даден момент от време, ще е по-ниско, понеже имаш това стеснение тук. Това стеснение е аналогично на съпротивлението. Колко е възпрепятстван потокът на заряда. И мерната единица тук е ом, отбелязва се с гръцката буква омега. Сега, когато определихме тези неща и имаме нашата метафора, нека разгледаме една електрическа верига. Първо ще поставя една батерия. Това е моята батерия. Общоприетата практика е, че отрицателният полюс е по-късата чертичка. Мога да кажа, че това е отрицателният полюс, а това е положителният полюс. Имам напрежение, свързано с тази батерия. И за да направя това по-реално, нека кажа, че напрежението през батерията е равно на 16 волта. Един начин да помислим за това е потенциалната енергия на единица заряд – да кажем, че тук, при отрицателния полюс, имаме електрони, потенциалната енергия на кулон тук е 16 волта. Тези електрони ще преминат до положителния полюс, ако имат път, по който да го направят. И можем да предоставим път. Нека го начертая така. Първо няма да направя пътя достъпен за електроните, ще имам отворена верига. Ще направя този път за електроните. Докато веригата ни е отворена така, това е аналогично на затворената тръба. Няма начин електроните да стигнат до положителния полюс. Но ако затворя веригата, тогава електроните могат да започнат да текат през тази верига, аналогично на начина, по който водата ще тече надолу по тази тръба. Когато имаш схематична диаграма като тази, когато видиш тези линии, те обикновено обозначават нещо, което няма съпротивление. Но това е много теоретично. В практиката дори много проста жица, която е добър проводник, ще има някакво съпротивление. И начинът да обозначим съпротивлението е с назъбена линия. Нека начертая съпротивление тук. Така го обозначаваме в една диаграма на ел. верига. Да кажем, че съпротивлението тук е 8 ома. Въпросът ми е: При дадени напрежение и съпротивление какъв ще е токът през тази верига, каква е скоростта, с която зарядът ще тече през една точка в тази верига?" Спри видеото и опитай да разбереш това. За да отговорим на този въпрос, просто трябва да използваме закона на Ом. Искаме да намерим тока – знаем напрежението и съпротивлението. Токът в този пример ще е напрежението, което е 16 волта, делено на съпротивлението, което е 8 ома. И това ще е 16/8, което е равно на 2 и мерните единици за тока, който е заряд за единица време, са кулони в секунда, можеш да кажеш 2 кулона в секунда, или можеш да кажеш 2 ампера. И можем да обозначим амперите с А. Говорихме за тези протичащи електрони и ще имаш 2 кулона електрони, протичащи през коя да е точка в тази верига за една секунда. Това е вярно във всеки момент, поради същата причина, която видяхме тук. Въпреки че това е по-широко тук горе и по-тясно тук, поради това стеснение, количество вода, което протича през тази част от тръбата за една секунда, ще трябва да е същото количество, което преминава през тази част от тръбата за една секунда. И ето затова за тази верига, за тази много проста верига, токът, който ще измериш в тази точка, в тази точка и в тази точка, ще е еднакъв. Но има една чудатост. Спри видеото и помисли каква мислиш, че ще е посоката на тока. Ако знаеше за електроните и какво става, щеше да кажеш, че електроните протичат в тази посока. И за този електрически ток, бих казал, че протича – ще обознача тока като протичащ ето така. Оказва се, че общоприетата практика, която използваме, е противоположното на това. И това е една историческа чудатост. Когато Бенджамин Франклин за пръв път изучавал веригите, той не е знаел за електроните. Те били открити приблизително 150 години по-късно. Той просто знаел, че това, което отбелязвал като заряд – и той произволно отбелязал положително и отрицателно – просто знаел, че са противоположни, знаел, че протича нещо като заряд. В своето проучване на електричеството той отбелязал тока да преминава от положителния към отрицателния полюс. И все още използваме тази практика днес, въпреки че тя е обратна на посоката на потока на електроните. И, както ще видим по-късно, токът не винаги включва електрони. И този ток тук е ток от 2 ампера.