مفهوم قانون أوم
ينص قانون أوم (بالإنجليزية: Ohm’s law) على أنّ الجهد المتولد عبر موصل يتناسب طرديًا مع التيار الكهربائي المار فيه، مع الاحتفاظ بكل الظروف المادية المحيطة وتثبيت درجة الحرارة، و سمي قانون أوم بذلك نسبة للعالم أوم ، ويستخدم قانون أوم بشكل رئيسي فيما يأتي:
- تحديد الجهد أو التيار الكهربائي، أو المقاومة.
- المساعدة على بقاء الجهد الكهربائي منخفضًا في الدارة الإلكترونية.
- استخدامه في الأميتر لقياس التيارات المستمرة وتحويلاتها.
ويمكن صياغة قانون أوم رياضيًا كما يأتي:
الجهد الكهربائي= التيار الكهربائي× المقاومة داخل الموصل
وبالرموز:
ج= ت × م
وباللغة الإنجليزية:
voltage = current × resistance
وبالرموز الإنجليزية:
V = I × R
حيث إنّ:
- ج (V): الجهد الكهربائي، ويقاس بوحدة الفولت.
- ت (I): التيار الكهربائي، ويقاس بوحدة أمبير.
- م (R): المقاومة داخل موصل، وتقاس بوحدة الأوم
ويحتوي القانون على عدة كميات، يمكن شرحها كالآتي:
| الكمية | تعريف الكمية | رمز الكمية | وحدة القياس | القانون |
| فرق الجهد | تمثل الطاقة المحمولة لكل شحنة | ج | فولت | ج= ت× م |
| التيار الكهربائي | تمثل كمية تدفق الشحنات في السلك | ت | أمبير | ت= ج/م. |
| المقاومة الكهربائية | تمثل خاصية يمتلكها المكون وتحد من انتقال الشحنة خلاله | م | أوم | م= ج/ت. |
تجربة قانون أوم
تهدف تجربة قانون أوم إلى تحديد المقاومة لبعض المقاومات الموصولة معًا على التوالي أو التوازي من خلال القانون كما هو موضح أدناه:
الأجهزة المطلوبة
للتمكن من إجراء التجربة يجب إحضار المعدات الآتية لتشكيل الدارة الكهربائية والممثلة ب:
- لوحة دوائر كهربائية (بالإنجليزية: Circuit Board)
- مزود الطاقة (بالإنجليزية: Power Supply)
- 2 جهاز رقمي متعدد (بالإنجليزية: digital multimeter DMM's).
- مقاومة 1 (بالإنجليزية: Resistor) بقوة 150 أوم.
- مقاومة 2 بقوة 330 أوم.
- مقاومة 3 بقوة 560 أوم.
- مصباح ومقبس صغير (بالإنجليزية: Miniature Light Bulb and Socket).
- قطعة حديدية (بالإنجليزية: Jumper).
- 6 أسلاك توصيل (بالإنجليزية: Wire Leads).
خطوات التجربة
يجب بداية توصيل الأوميتر على التوالي، والفولتوميتر على التوازي، وتمثل الخطوات الآتية كيفية تنفيذ التجربة:
- قياس المقاومة عن طريق تحديد أسماء المقاومات الثلاثة.
- قياس المقاومة الفعلية للمقاومات الموجودة باستخدام جهاز الأوميتر وكتابتها في جدول فارغ.
- يعتبر التيار الكهربائي المثالي عديم المقاومة، أما التيار الموجود في التجربة فلديه مقاومة صغيرة تبلغ 200 مللي أمبير.
- البدء بتطبيق قانون أوم عن طريق عمل دائرة بسيطة متتالية باستخدام المقاومة 1، والأوميتر، و مقياس التيار (الأميتر) ، وقطعة حديدية بدون مزود الطاقة.
- قياس المقاومة باستعمال الأوميتر، وتدوين القيمة في الجدول.
- فك مقياس الأوميتر وتوصيل مزود الطاقة بالدارة الكهربائية، بعدها القيام بتوصيل الفولتميتر بالدائرة مع إيصالها بمزود الطاقة على التوازي.
- البدء بفحص الدارة، ومن ثم توصيل مزود الطاقة وتفعيله.
- تطبيق قانون أوم من خلال التأكد من أن التيار يتناسب طرديًا مع الجهد، بعدها يجب تطبيق جهود مختلفة على الدارة 1،2،3، 4.
- تسجيل قراءات التيار الكهربائي والجهد وكتابتهما في الجدول المعمول سابقًا.
- تكرار الخطوات السابقة على كل من المقاومات 2،3.
- عمل دارة على التوالي باستخدام مصباح، ومقبس صغير.
- قياس التيار الكهربائي، والجهد بعد عمل زيادة تدريجية بمقدار 0.2 فولت حتى 2.0 فولت، بعدها الاستمرار بالزيادة 1.0 فولت حتى الوصول إلى 4.0 فولت.
- إيقاف مزود الطاقة وتفعيل الجهاز الرقمي المتعدد (بالإنجليزية: DMM's).
- عمل تحليل بياني بعد كتابة كل البيانات المجمعة عن التيار الكهربائي والجهد وتقسيمها في أربع مجموعات بناء على المقاومات، ويمكن الاعتماد على برامج الرسوم البيانية بشرط كتابتها على صيغة مجموعات في نقاط (0،0) لكل مجموعة.
- رسم التيار والجهد للمقاومات الثلاثة في رسم بياني واحد، وعمل رسم خطي لكل مقاومة بشكل منفصل.
- إيجاد المقاومة لكل دارة بالاعتماد على المنحنى الخاص بالتيار الكهربائي والجهد.
- مقارنة قيم المقاومة في الرسم مع قيم المقاومة المقاسة.
- رسم مخطط للتيار، والجهد منفصلًا للمصباح الكهربائي.
نتائج التجربة
يتضح من التجربة أن الطاقة الناتجة من الدارة الكهربائية يمكن تمثيلها بالصيغة الرياضية التالية:
ط=ت ² × م = ج ² / م = ت × ج
حيث أن:
- ط: الطاقة الكهربائية الناتجة عن الدارة، وتقاس بوحدة الجول.
- ت: التيار الكهربائي، ويقاس بوحدة الأمبير.
- ج: فرق الجهد، ويقاس بوحدة الفولت.
- م: مقاومة الدارة، وتقاس بوحدة الأوم.
تستخدم تجربة الدارة الكهربائية البسيطة لمساعدة الطلاب على توظيف قانون أوم من أجل قياس المقاومة لعدد من المقاومات الموصولة في أي دارة كهربائية.
أمثلة حسابية على استخدام قانون أوم
وفيما يأتي بعض الأمثلة الحسابية على استخدام قانون أوم:
- مثال1: إذا كانت مقاومة الحديد تساوي 50 أوم، والتيار الكهربائي المار يساوي 3.2 أمبير، فكم قيمة الجهد الكهربائي بين نقطتين؟
الحل:
- ج= ت × م
- ج = 3.2 × 50 = 160 فولت.
- مثال2: وصِّل مصدر طاقة بجهد يساوي 8 فولت بمصباح كهربائي يمر خلاله تيار كهربائي تبلغ قيمته 2 أمبير، أوجد قيمة المقاومة للجهاز الكهربائي إذا علمت أن مقاومة السلك تساوي 0؟
الحل:
- مثال3: إذا كان التيار الكهربائي المار في مقاومة داخل دارة كهربائية يساوي 0.01 أمبير والجهد في نفس المقاومة يساوي 5 فولت، احسب قيمة التيار الكهربائي المار في مقاومة داخل الدارة إذا كان الجهد يساوي 7.5 فولت؟
الحل:
- تطبيق قانون أوم لإيجاد المقاومة، م = ج/ت
- الآن، تطبيق قانون أوم لإيجاد التيار عندما يكون الجهد 7.5.
- ت= 7.5 / 500 = 0.015 أمبير.
تطبيقات حياتية على قانون أوم
يوجد العديد من التطبيقات العملية التي تستخدم قانون أوم في الحياة اليومية والمرتبطة بالدوائر الكهربائية، والهندسة وغيرها، كما هو موضح أدناه:
تصميم الأجهزة الإلكترونية
تحتاج الأجهزة الإلكترونية كالهواتف المحمولة والحواسيب إلى مصدر طاقة يولد تيارًا كهربائيًا مستمرًا ومحددًا، إذ تحتاج بطاريات الهواتف على سبيل المثال ما بين 0.7 إلى 1 أمبير.
ويساعد قانون أوم باستعمال المقاومة على التحكم بمعدل التيار المتدفق خلال الجهاز، ومن خلاله يمكن حساب معدل التيار الواجب استخدامه في الدارة المثالية لهذه الأجهزة.
التحكم بسرعة دوران المروحة الإلكترونية
يمكن التحكم بسرعة المراوح من خلال استخدام جهاز لقياس الجهد يسمى البوتنتوميتر (بالإنجليزية: potentiometer) إذ يعتبر مقاومة متغيرة، وفي حال تدوير المقبض الدائري في المروحة سيحدث هناك تغييرًا في المقاومة والتي بدورها تؤثر على السرعة بتزايد أو تناقص، بحيث تقاس قيمة هذه المقاومة عن طريق قانون أوم.
تصميم القواطع الكهربائية
تعرف القواطع الكهربائية بأنها مكونات حماية ترتبط مع بعضها معاً في سلسلة مع الأجهزة الإلكترونية، ويستخدم قانون أوم لحساب خصائص القواطع الكهربائية بالاعتماد على إحدى الحالتين الآتيتين: عندما تكون المقاومة معلومة، أو عندما تكون معدلات القوة الكهربائية معلومة.
