قانون أوم - Ohm's Law

ما هو قانون أوم؟

ينص قانون أوم على العلاقة بين التيار الكهربائي وفرق الجهد، التيار الذي يتدفق عبر معظم الموصلات يتناسب طردياً مع الجهد المطبق عليه. كان “جورج سيمون أوم”، الفيزيائي الألماني أول من تحقق من “قانون أوم” بشكل تجريبي. يعد “قانون أوم” أحد أهم وأهم قوانين الدوائر الكهربائية. ينص “قانون أوم” على:

“إنّ الجهد عبر الموصل يتناسب طردياً مع التيار المتدفق خلاله، بشرط أن تظل جميع الظروف الفيزيائية ودرجة الحرارة ثابتة”.

لا ينطبق “قانون أوم” إلّا إذا ظلت درجة الحرارة المقدمة والعوامل الفيزيائية الأخرى ثابتة. في بعض المكونات، تؤدي زيادة التيار إلى ارتفاع درجة الحرارة. مثال على ذلك هو خيوط المصباح الكهربائي، حيث ترتفع درجة الحرارة مع زيادة التيار. في هذه الحالة، لا يمكن تطبيق “قانون أوم”، خيوط المصباح تنتهك “قانون أوم”.

الجهد والتيار والمقاومة:

تتشكل الدائرة الكهربائية عندما يتم إنشاء مسار موصل للسماح للشحنة الكهربائية بالتحرك باستمرار. تسمى هذه الحركة المستمرة للشحنة الكهربائية عبر موصلات الدائرة بالتيار، وغالباً ما يشار إليها بمصطلح “التدفق”، تماماً مثل تدفق السائل عبر أنبوب مجوف. تسمى القوة الدافعة لحاملات الشحنة على “التدفق” في الدائرة بالجهد. الجهد هو مقياس محدد للطاقة الكامنة يكون دائماً موجود بين نقطتين.

عندما نتحدث عن مقدار معين من الجهد موجود في الدائرة، فإننّا نشير إلى قياس مقدار الطاقة الكامنة الموجودة لنقل حاملات الشحنة من نقطة معينة في تلك الدائرة إلى نقطة معينة أخرى. بدون الإشارة إلى نقطتين محددتين، فإنّ مصطلح “الجهد” ليس له معنى. يميل التيار إلى التحرك عبر الموصلات بدرجة معينة من الاحتكاك، أو ممانعة الحركة.

هذه الممانعة للحركة تسمى المقاومة. يعتمد مقدار التيار في الدائرة على مقدار الجهد ومقدار المقاومة في الدائرة لمقاومة تدفق التيار. تماماً مثل الجهد، المقاومة هي مقدار نسبي بين نقطتين. لهذا السبب، غالباً ما يُشار إلى كميات الجهد والمقاومة على أنّها “بين” أو “عبر” نقطتين في الدائرة.

وحدات القياس: الفولت والأمبير والأوم:

لكي نتمكن من الإدلاء ببيانات ذات مغزى حول هذه الكميات في الدوائر، نحتاج إلى أن نكون قادرين على وصف كمياتها بنفس الطريقة التي قد نحدد بها الكتلة أو درجة الحرارة أو الحجم أو الطول أو أي نوع آخر من الكمية المادية. بالنسبة للكتلة، قد نستخدم وحدات “كيلوجرام” أو “جرام”. بالنسبة لدرجة الحرارة، قد نستخدم درجة الفهرنهايت أو الدرجة المئوية. فيما يلي الوحدات القياسية لقياس التيار الكهربائي والجهد والمقاومة:

شرح وحدات القياس: الفولت والأمبير والأوم:

“الرمز” المعطى لكل كمية هو الحرف الأبجدي القياسي المستخدم لتمثيل تلك الكمية في معادلة جبرية. الحروف الموحدة مثل هذه شائعة في تخصصات الفيزياء والهندسة ومعترف بها دولياً. يمثل “اختصار الوحدة” لكل كمية الرمز الأبجدي المستخدم كرمز مختصر لوحدة القياس الخاصة بها. ورمز “حدوة الحصان” هو الحرف اليوناني الكبير (Ω).

سميت كل وحدة قياس على اسم عالم مشهور في الكهرباء: “أمبير” نسبةً للعالم الفرنسي “أندريه أمبير“، و”الفولت” نسبةً للعالم الإيطالي “أليساندرو فولتا”، و”أوم” نسبةً للعالم الألماني” جورج سيمون أوم”. الرمز الرياضي لكل كمية له معنى أيضاً. إنّ (R) للمقاومة و(V) للجهد كلاهما واضحان بذاته، بينما (I) للتيار يبدو غريباً بعض الشيء. يُعتقد أنّ الحرف (I) يُقصد به تمثيل (كثافة – Intensity) (تدفق الشحنة – charge flow)، والرمز الآخر للجهد (E) يرمز إلى “القوة الدافعة الكهربائية“.

يتم التعبير عن كل هذه الرموز باستخدام الأحرف الكبيرة، باستثناء الحالات التي يتم فيها وصف كمية (خاصةً الجهد أو التيار) من حيث فترة زمنية وجيزة (تسمى القيمة “اللحظية”). على سبيل المثال، سيتم ترميز الجهد الكهربائي للبطارية، التي تكون مستقرة على مدى فترة طويلة من الزمن بحرف كبير (E)، في حين أنّ ذروة الجهد لضربة صاعقة في اللحظة ذاتها التي تصطدم فيها بخط طاقة من المرجح أن يتم ترميزها بحرف صغير (e) أو حرف صغير (v) لتعيين هذه القيمة على أنّها في لحظة واحدة من الزمن.

ينطبق نفس اصطلاح الأحرف الصغيرة على التيار أيضاً، الحرف الصغير (i) يمثل التيار في وقت ما. ومع ذلك، فإنّ معظم قياسات التيار المباشر (DC)، تكون مستقرة بمرور الوقت، ويتم ترميزها بأحرف كبيرة.

معادلة قانون أوم – The Ohm’s Law Equation:

كان الاكتشاف الرئيسي “لأوم” هو أنّ كمية التيار الكهربائي عبر موصل معدني في الدائرة تتناسب طردياً مع الفولتية المؤثرة عبرها، لأي درجة حرارة معينة. عبّر “أوم” عن اكتشافه في شكل معادلة بسيطة، واصفاً كيف يرتبط الجهد والتيار والمقاومة:

في هذا التعبير الجبري، الجهد (E) يساوي التيار (I) مضروباً في المقاومة (R). باستخدام معادلات وخصائص الجبر، يمكننا معالجة هذه المعادلة في شكلين مختلفين، حل (I) و(R) على التوالي:

تحديد القدرة من قانون أوم:

عندما يتدفق التيار عبر مقاومة، سيكون هناك تبديد للطاقة من المقاومة. يمكن بسهولة تحديد هذه الطاقة باستخدام “قانون أوم”. كما نعلم أنّ الطاقة هي نتاج التيار والجهد. إذا كان التيار (I) أمبير يتدفق عبر مقاومة وكان الجهد (V) فولت هو الجهد عبر المقاومة، فإنّ الطاقة:

P = V I 

باستخدام “قانون أوم”:

P = R I × I = I ² R

P = V × V/ R = V ² / R

من هذه العلاقة يمكننا تحديد طاقة أو قدرة المقاومة إذا كان الجهد والمقاومة معروفين لنا أو التيار والمقاومة. من نفس العلاقة لطاقة مشتتة معينة، يمكننا تحديد قيمة المقاومة غير المعروفة للتيار أو الجهد:

R = V ² / P  and  R = P / I ²

تحليل الدوائر البسيطة باستخدام قانون أوم:

دعونا نرى كيف يمكن أن تعمل هذه المعادلات لمساعدتنا في تحليل الدوائر البسيطة:

في الدائرة أعلاه، يوجد مصدر واحد فقط للجهد (البطارية على اليسار) ومصدر واحد فقط لمقاومة التيار (المصباح على اليمين). هذا يجعل من السهل جداً تطبيق “قانون أوم”. إذا عرفنا قيم أي اثنين من الكميات الثلاثة (الجهد والتيار والمقاومة) في هذه الدائرة، فيمكننا استخدام “قانون أوم” لتحديد الثالثة.

في المثال الأول: سنحسب مقدار التيار (I) في الدائرة، مع إعطاء قيم الجهد (E) والمقاومة (R):

ما مقدار التيار (I) في هذه الدائرة؟

في المثال الثاني: سنحسب مقدار المقاومة (R) في الدائرة ، مع إعطاء قيم الجهد (E) والتيار (I):

ما مقدار المقاومة (R) التي يقدمها المصباح؟

في المثال الأخير، سنحسب مقدار الجهد الذي توفره البطارية، مع إعطاء قيم التيار (I) والمقاومة (R):

ما مقدار الجهد الذي توفره البطارية؟

تقنية مثلث قانون أوم – Ohm’s Law Triangle Technique:

“قانون أوم” هو أداة بسيطة ومفيدة للغاية لتحليل الدوائر الكهربائية، يتم استخدامه كثيراً في دراسة الكهرباء والإلكترونيات. أولاً، رتب الحروف (E وI وR) في مثلث مثل هذا:

إذا كنت تعرف (E) و(I)، وترغب في تحديد (R)، فما عليك سوى إزالة (R) من الصورة ومعرفة ما تبقى:

إذا كنت تعرف (E وR) وترغب في تحديد (I)، فقم بإزالة (I) وشاهد ما تبقى:

أخيراً، إذا كنت تعرف (I وR)، وترغب في تحديد (E)، فاحذف (E) وشاهد ما تبقى:

يمكن استخدام مثلث الطاقة لتحديد قيمة الطاقة الكهربائية والجهد والتيار عندما يتم إعطاء قيم المعلمتين الأخريين. في مثلث الطاقة، تكون الطاقة (P) في الأعلى والتيار (I) والجهد (V) في الأسفل.

ما يجب التحقق من صحته باستخدام قانون أوم؟

يمكن استخدام “قانون أوم” للتحقق من صحة القيم الثابتة لمكونات الدائرة، ومستويات التيار، وإمدادات الجهد، وانخفاض الجهد. إذا اكتشفت أداة الاختبار، على سبيل المثال: قياس تيار أعلى من المعتاد، فقد يعني ذلك أنّ المقاومة قد انخفضت أو أن الجهد قد زاد، مما يتسبب في حالة الجهد العالي. قد يشير هذا إلى مشكلة في الإمداد أو الدائرة.

في دارات التيار المستمر (DC)، قد يعني قياس التيار الأقل من الطبيعي أنّ الجهد قد انخفض، أو زادت مقاومة الدائرة. الأسباب المحتملة لزيادة المقاومة هي التوصيلات الضعيفة أو المفكوكة والتآكل و / أو المكونات التالفة. الأحمال داخل الدائرة ترسم على التيار الكهربائي. يمكن أن تكون الأحمال من أي نوع من المكونات: أجهزة كهربائية صغيرة أو أجهزة كمبيوتر أو أجهزة منزلية أو محرك كبير. تحتوي معظم هذه المكونات (الأحمال) على لوحة اسم أو ملصق إعلامي مرفق. توفر لوحات الأسماء هذه شهادة سلامة وأرقاماً مرجعية متعددة.