Typesetting math: 100%

گاما رو نصب کن!

اعلان ها
اعلان جدیدی وجود ندارد!
کاربر جدید

جستجو

میتونی لایو بذاری!
درحال دریافت اطلاعات ...

درسنامه آموزشی فیزیک (2) کلاس یازدهم تجربی با پاسخ فصل 2: مقاومت الکتریکی و قانون اهم

آخرین ویرایش: 12:07   1401/05/18 2300 گزارش خطا

همان‌طور که در بخش قبل دیدیم وقتی در مداری الکتریکی کلید را می‌بندیم، یک اختلاف پتانسیل در دو سر سیم ایجاد می‌شود و باعث حرکت الکترون‌های آزاد در سیم مدار می‌شود. این الکترون‌ها با اتم‌های رسانا که در حال نوسان‌اند برخورد می‌کنند و این موضوع باعث گرم شدن رسانا می‌شود. در واقع الکترون‌های آزاد هنگام حرکت در رسانا همیشه با نوعی مقاومت روبه‌رو هستند. اصطلاحاً می‌گوییم رسانا دارای مقاومت الکتریکی است. از اینجا می‌توان پیش‌بینی کرد که مقاومت الکتریکی به ابعاد هندسی رسانا، یعنی طول و سطح مقطع رسانا بستگی دارد. همچنین جنس مادهٔ رسانا و دمای آن بر مقاومت الکتریکی اثر می‌گذارد.

تحت یک اختلاف پتانسیل یکسان، دو سیم با مقاومت الکتریکی متفاوت، جریان‌های مختلفی را از خود عبور می‌دهند؛ به طوری که سیم با مقاومت کمتر، جریان بیشتری از خود عبور می‌دهد و بالعکس. از اینجا می‌توان مقاومت الکتریکی بین دو نقطه از یک رسانا را به صورت زیر تعریف کرد:

(2-2)                                 R=VI

در این رابطهٔ مقاومت الکتریکی (R) بر حسب ولت بر آمپر (V/A) می‌شود که به پاس خدمات علمی جُرج سیمون اُهم به نام اُهم نام‌گذاری شده است و با نماد Ω نشان داده می‌شود. رسانایی را که دارای مقاومت الکتریکی است، اصطلاحاً مقاومت می‌نامند و آن را در مدارهای الکتریکی با نماد نماد مدارهای الکتریکی نمایش می‌دهند.

وسیله‌هایی که جریان الکتریکی را از خود عبور می‌دهند ممکن است با تغییر اختلاف پتانسیل اعمال شده و در نتیجه تغییر جریان عبوری، مقاومت ثابتی از خود بروز دهند و یا با تغییر اختلاف پتانسیل، مقاومت‌شان تغییر کند. برای تشخیص چنین وسایلی از هم، آزمایشی را تدارک می‌بینیم؛ به این ترتیب که وسیله را مانند شکل 2-8 به یک آمپرسنج، یک ولت‌سنج و یک منبع تغذیه با ولتاژ قابل تنظیم (دستگاهی که با آن می‌توان اختلاف پتانسیل را در دو سر مدار برقرار کرد و آن را تغییر داد) می‌بندیم.اختلاف پتانسیل دو سر وسیله را به کمک منبع تغذیه تغییر می‌دهیم و در هر نوبت جریان عبوری از وسیله و اختلاف پتانسیل دو سر آن را با آمپرسنج و ولت‌سنجِ مدار اندازه می‌گیریم و سپس با استفاده از رابطهٔ 2-2 مقاومت الکتریکی را محاسبه و نتایج را در جدولی یادداشت می‌کنیم. اگر مقاومت الکتریکی در ولتاژهای مختلف (در دمای ثابت)، مقدار ثابتی باشد، اصطلاحاً گفته می‌شود آن وسیله از قانون اهم پیروی می‌کند و آن وسیله را مقاومت یا رسانای اُهمی می‌نامند. به عبارتی جریان عبوری از یک مقاومت اهمی همواره با اختلاف پتانسیل اعمال شده به دو سر آن رابطهٔ مستقیم دارد.

اسباب تحقیق قانون اُهم. توجه کنید که آمپرسنج در مدار به صورت متوالی و ولت سنج به صورت موازی بسته شده است
شکل 2-8 اسباب تحقیق قانون اُهم. توجه کنید که آمپرسنج در مدار به صورت متوالی و ولت سنج به صورت موازی بسته شده است.

این قانون برای اغلب فلزات و بسیاری از رساناهای غیر فلزی در دمای ثابت برقرار است. جدول 2-1 مقادیر اندازه گیری شده برای جریان و اختلاف پتانسیل یک مقاومت را نشان می‌دهد که از قانون اُهم پیروی می‌کند. همان‌طور که نمودار شکل 2-9 نشان می‌دهد جریان با ولتاژ برای این وسیله به طور خطی افزایش می‌یابد. 

جدول 2-1 مقادیری نوعی برای یک رسانای اُهمی
اختلاف پتانسیل V(V) جریان I(A) مقاومت  R(Ω)
0/4 0/1 4
0/8 0/2 4
1/2 0/3 4
1/6 0/4 4
2/0 0/5 4

با این حال وسیله‌های زیادی نیز یافت می‌شود که از این قانون پیروی نمی‌کنند. یکی از این وسیله‌های غیراهمی، دیود نورگسیل (LED) است که با آن بعداً آشنا می‌شویم. نمودار جریان برحسب اختلاف پتانسیل چنین دیودی تقریباً شبیه شکل 2-10 است.

نمودار جریان برحسب اختلاف پتانسیل نشان می‌دهد که برای این رسانای اُهمی، جریان به طور مستقیم با ولتاژ افزایش می‌یابد
شکل 2-9 نمودار جریان برحسب اختلاف پتانسیل نشان می‌دهد که برای این رسانای اُهمی، جریان به طور مستقیم با ولتاژ افزایش می‌یابد.
نمودار جریان برحسب اختلاف پتانسیل برای یک دیود نورگسیل
شکل 2-10 نمودار جریان برحسب اختلاف پتانسیل برای یک دیود نورگسیل

مثال 2-2

یک لامپ چراغ قوهٔ کوچک از یک باتری 1/5V، جریانی برابر 0/30A می‌کشد. با فرض آنکه رشتهٔ لامپ، یک رسانای اُهمی باشد، الف) مقاومت آن چقدر است؟ ب) اگر باتری ضعیف شود و ولتاژ به 1/2V افت کند، جریان چقدر می‌شود؟

یک لامپ چراغ قوهٔ کوچک از یک باتری 

پاسخ: الف) با استفاده از رابطهٔ 2-2 برای مقاومت رشتهٔ لامپ داریم:

R=VI=1/5V0/30A=5/0Ω

ب) دوباره از رابطهٔ 2-2 استفاده می‌کنیم. با توجه به اینکه اکنون مقاومت رشتهٔ لامپ را داریم، جریان عبوری از آن چنین می‌شود:

I=VR=1/2V5/0Ω=0/24A