التعريف بقانون أوم
ينص قانون أوم على أنّ "التيار الكهربائي المتدفق عبر الموصل يتناسب طرديًا مع فرق الجهد الكهربائي المُطبق على الموصل وعكسيًا مع المقاومة"، وقد اكتُشف القانون من قبل عالم الفيزياء الألماني جورج سيمون أوم، وقد سُمي القانون نسبةً إليه، كما سُميت الوحدة الفيزيائية لقياس المقاومة الكهربائية باسمه.
أجرى العالم أوم عدة تجارب باستخدام دوائر كهربائية بسيطة تحتوي على أطوال مختلفة من الأسلاك لقياس التيار والجهد المار عبرها، وقد طبّق عدة جهود كهربائية مختلفة على الدوائر لإجراء عدة قياسات للتيار الكهربائي، وفي عام 1827م نشر ورقة بحثية تصف علاقة أوم التي توصل إليها، والتي من خلالها لاحظ أنّ التيار الذي يسري في سلك معدني يتناسب طرديًا مع الجهد المُطبق على السلك، ولكن هذه العلاقة الخطية بين التيار والجهد لا تحدث دائمًا لذا تُسمى أي مادة أو مكون يخضع لقانون أوم بالمادة أو المكون الأومي، والمادة التي لا تخضع لقانون أوم تُسمى بالمادة غير الأومية.
صيغة قانون أوم وشرحه
يصف قانون أوم العلاقة بين قوّة تدفق الشحنات الكهربائية عبر الموصل وبين اختلاف فرق الجهد الكهربائي المُطبق عليها، ويُمكن تمثيل قانون أوم بالصيغة الرياضية التالية:
التيار الكهربائي = فرق الجهد الكهربائي / المقاومة الكهربائية
ويُمكن تمثيله بالرموز على النحو التالي:
ت = جـ / م
وبالرموز الإنجليزية:
I = V / R
حيث أنّ:
- ت (I): التيار الكهربائي، ويُقاس بوحدة الأمبير.
- جـ (V): فرق الجهد الكهربائي، ويُقاس بوحدة الفولت.
- م (R): المقاومة الكهربائية، وتُقاس بوحدة الأوم ويُرمز لها بالرمز (Ω).
يعتمد قانون أوم على 3 متغيرات وهي الجهد والمقاومة والتيار الكهربائي، وهو قانون يصف العلاقة بين هذه المتغيرات؛ فيتناسب التيار الكهربائي تناسبًا طرديًا مع فرق الجهد الكهربائي وتناسبًا عكسيًا مع المقاومة، ويُمثل بالقانون: (ت = جـ / م)، ويُرمز للمقاومة بالرمز أوم (Ω) نسبةً إلى العالم جورج أوم الذي اكتشف القانون.
أهمية قانون أوم
يُستخدم قانون أوم في كافة فروع العلوم الكهربائية والإلكترونية وفي أي مكان يتدفق عبره التيار الكهربائي، إذ يُستخدم لإيجاد العديد من الحسابات المتعلقة بجميع أشكال الدوائر الكهربائية والإلكترونية؛ مثل:
- حساب قيمة المقاومات.
- تحديد قوة تدفق التيار عبر الدارة.
- قياس الجهد المُطبق عبر الموصل.
ويُشار إلى أنّ حساب قيمة المقاومات يساعد على التحكم في الدائرة الكهربائية والتحكم بمعدل تدفق التيار عبرها من خلال إضافة مقاومات لتقليل التدفق أو التقليل من المقاومات لزيادة كمية التدفق، بينما يُساعد تحديد قوة التدفق على التأكد من أنّ الدائرة الكهربائية توفر طاقة كهربائية كافية أم لا.
العوامل المؤثرة في قانون أوم
هناك عدة عوامل تؤثر على المقاومة الكهربائية للموصل في قانون أوم وهي كالتالي:
- طول الموصل: تتميز الأسلاك الطويلة بمقاومة أكبر، أي أنّ مقاومة الموصل تتناسب طرديًا مع طول الموصل؛ فإذا تضاعف طول الموصل فإنّ المقاومة تتضاعف، وإذا انخفض طول الموصل إلى النصف تنخفض المقاومة إلى النصف.
- مساحة المقطع العرضي للموصل: تتناسب مقاومة الموصل الكهربائي تناسبًا عكسيًا مع مساحة المقطع العرضي للموصل، أي أنّ الأسلاك ذات القطر السميك تكون مقاومتها أقل من الأسلاك ذات الأقطار الرفيعة، وبهذا تتضاعف مقاومة الموصل عندما تنخفض مساحة المقطع العرضي للموصل، وتنخفض المقاومة عندما تزداد مساحة المقطع العرضي للموصل.
- طبيعة مادة الموصل: تعتمد مقاومة الموصل على نوع المادة المصنوعة منه، على سبيل المثال؛ مقاومة الموصل النحاسي أقل من الموصل الفولاذي.
- درجة حرارة الموصل: تتناسب مقاومة الموصل تناسبًا طرديًا مع درجة حرارته، فعند تسخين الموصل ورفع درجة حرارته تزداد مقاومته، وعندما تنخفض درجة حرارته تقل مقاومته.
يُعد قانون أوم من أهم قوانين الفيزياء التي تستخدم في تطبيقات الدارة الإلكترونية والكهربائية، حيث يُمكن من خلاله معرفة وقياس المقاومات عبر الدارات وتحديد الطاقة الكهربائية والجهد الكهربائي، وتعتمد قيمة المقاومة على طول الموصل والمادة المصنوعة به ومساحة مقطعه العرضي ودرجة حرارته.
أمثلة تطبيقية على قانون أوم
وفيما يأتي بعض الأمثلة التطبيقية على قانون أوم:
إيجاد قيمة التيار الكهربائي إذا كان فرق الجهد والمقاومة معلوميْن
جد قيمة التيار الكهربائي المتدفق في دائرة كهربائية مقاومتها 4 أوم، وقيمة فرق الجهد بين أطرافها يساوي 20 فولت.
الحل:
- بتطبيق قانون أوم وتعويض المعطيات في القانون: التيار الكهربائي = فرق الجهد الكهربائي / المقاومة الكهربائية
- ت = 20 / 4
- ت = 5 أمبير؛ أي قيمة التيار الكهربائي الذي يسري عبر الدائرة الكهربائية يساوي 5 أمبير.
إيجاد قيمة الجهد الكهربائي إذا كان التيار والمقاومة معلوميْن
جد قيمة الجهد الكهربائي لدائرة كهربائية يتدفق عبرها تيار كهربائي يساوي 50 أمبير، إذا علمتَ أنّ مقاومة أسلاكها تبلغ 14 أوم.
الحل:
- نستخدم قانون أوم لإيجاد الجهد الكهربائي: ت = جـ / م
- ومنه؛ جـ = ت × م
- جـ = 50 × 14
- جـ = 700 فولت؛ أي قيمة الجهد الكهربائي تساوي 700 فولت.
إيجاد قيمة مقاومة الدائرة الكهربائية إذا كان فرق الجهد والتيار معلوميْن
إذا علمتَ أنّ فرق الجهد في دائرة كهربائية هو 20 فولت وقيمة التيار 5 أمبير على التوالي، أوجد مقاومة الدائرة الكهربائية.
الحل:
- نستخدم قانون أوم لإيجاد المقاومة الكهربائية: ت = جـ / م
- ومنه؛ م = جـ / ت
- م = 20 / 5
- م = 4 أوم؛ أي قيمة مقاومة الدائرة الكهربائية تساوي 4 أوم.
إيجاد الجهد الكهربائي عند وجود مقاومتيْن
جد الجهد الكهربائي لبطارية مقاومتها الداخلية 0.7 أوم، ليسري فيها تيار كهربائي شدته 0.6 أمبير في دائرة خارجية مقاومتها 3 أوم.
الحل:
- نُلاحظ أنّه يوجد نوعان من المقاومة في الدائرة الكهربائية وهي مقاومة الدائرة الكهربائية الخارجية والمقاومة الداخلية للبطارية، ولحساب مقاومة الدائرة الخارجية فإنّنا نجمع المقاومات المختلفة عبر الدائرة كالتالي:
- مقاومة الدائرة الكهربائية = المقاومة الخارجية للدائرة المقاومة الداخلية للبطارية
- مقاومة الدائرة الكهربائية = 3 0.7 = 3.7 أوم
- نعوض في قانون أوم لإيجاد الجهد الكهربائي: ت = جـ / م
- جـ = 0.6 × 3.7
- جـ = 2.22 فولت؛ أي قيمة الجهد الكهربائي تساوي 2.22 فولت.
إيجاد المقاومة الداخلية
إذا علمتَ أنّ دائرة كهربائية يسري فيها تيار كهربائي قيمته 0.4 أمبير ومقاومتها 5 أوم، وفرق الجهد الكهربائي للبطارية داخل الدائرة الكهربائية يبلغ حوالي 2.2 فولت، فجد مقاومة البطارية الداخلية.
الحل:
- نعوض قيمة المقاومة كالتالي: مقاومة الدائرة الكهربائية = المقاومة الخارجية للدائرة المقاومة الداخلية للبطارية
- مقاومة الدائرة الكهربائية = 5 س
- نطبق قانون أوم: ت = جـ / م
- ومنه؛ م = جـ / ت
- 5 س = 2.2 / 0.4
- 5 س = 5.5
- س = 0.5 أوم، أي المقاومة الداخلية للبطارية تساوي 0.5 أوم.
