درسنامه آموزشی فیزیک (2) کلاس یازدهم تجربی با پاسخ فصل 2: مقاومت الکتریکی و قانون اهم
-
فیزیک (2)
- فصل 1: الکتریسیتۀ ساکن
- قسمت 1: بار الکتریکی
- قسمت 2: پایستگی و کوانتیده بودن بار الکتریکی
- قسمت 3: قانون کولن
- قسمت 4: میدان الکتریکی
- قسمت 5: میدان الکتریکی حاصل از یک ذرهٔ باردار
- قسمت 6: خطوط میدان الکتریکی
- قسمت 7: انرژی پتانسیل الکتریکی
- قسمت 8: پتانسیل الکتریکی
- قسمت 9: توزیع بار الکتریکی در اجسام رسانا
- قسمت 10: خازن
- قسمت 11: انرژی خازن
- فصل 2: جریان الکتریکی و مدارهای جریان مستقیم
- قسمت 1: جریان الکتریکی
- قسمت 2: مقاومت الکتریکی و قانون اهم
- قسمت 3: عوامل مؤثر بر مقاومت الکتریکی
- قسمت 4: نیروی محرکهٔ الکتریکی و مدارها
- قسمت 5: توان در مدارهای الکتریکی
- قسمت 6: ترکیب مقاومتها
- فصل 3: مغناطیس و القای الکترومغناطیسی
- قسمت 1: مغناطیس و قطبهای مغناطیسی
- قسمت 2: میدان مغناطیسی
- قسمت 3: نیروی مغناطیسی وارد بر ذرّۀ باردار متحرک در میدان مغناطیسی
- قسمت 4: نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان
- قسمت 5: میدان مغناطیسی حاصل از جریان الکتریکی
- قسمت 6: ویژگیهای مغناطیسی مواد
- قسمت 7: پدیدهٔ القای الکترومغناطیسی
- قسمت 8: قانون القای الکترومغناطیسی فاراده
- قسمت 9: قانون لنز
- قسمت 10: القاگرها
- قسمت 11: جریان متناوب
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 نمایش میدهند.
جورج سیمون اُهم (1854 - 1787م)
جورج سیمون اُهم در شهر باواریا آلمان متولد شد. جورج در 18 سالگی بهعنوان معلم ریاضی در یکی از مدارس سوئیس مشغول به کار شد. اُهم مطالعاتش را در رشتهٔ ریاضی دنبال کرد و در سال 1811 موفق به اخذ درجهٔ دکترای ریاضی شد. در سی سالگی به کالجی در کلن رفت و به عنوان استاد ریاضی مشغول به کار شد. در سال 1828 او مقالهای تحت عنوان «اندازهگیریهای ریاضی جریان برق» را به چاپ رساند. او در این مقاله فرمول مشهور خود را ارائه کرد. در سال 1841 به دریافت بهترین نشان علمی انجمن سلطنتی انگلستان مفتخر گردید. در سال 1881، انجمن مهندسان برق جهان به اتفاق آرا یکای مقاومت الکتریکی را به نام «اُهم» نامگذاری کردند.
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.

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.
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.


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؟
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