مفهوم قانون أوم واستخدامه،شرح كامل ومبسط

قانون أوم من القوانين المهمة فى حياتنا اليومية التى قد بني عليه كثير من القوانين مثل قانون كيرشوف ،قانون أمبير،قانون فاراداى.كما تم تطوير الكثير من تكنولوجيا الدوائر الكهربية بناء على هذا القانون .قد تدرس قوانين أوم فى المرحلة الثانوية وتجد صعوبة فى بادئ الأمر  فى فهمها ولكن عند دراستك المستمرة وفهمك لهذه القوانين ستجد انها من اسهل القوانين وأهمها فى حياتك العمليه القادمة .

ما هو قانون أوم 

هو قانون يدرس العلاقة بين التيار والجهد والمقاومة ،وسمى بهذا الاسم نسبة الى مكتشفه جورج سيمون أوم.وينص قانون أوم على أنّ التيار المارّ فى المقاومة يتناسب طردياً مع قيمة الجهد المسلّط على المقاومة وعكسياً مع قيمة المقاومة.⁽¹⁾Ohm’s law-britannica

الصيغة الرياضية لقانون اوم  

(V = I × R)   (I=V/R)

التيار (I) : هو تدفق الشحنة الكهربائيّة في الدوائر الكهربائيّة ،حيث أن شدة التيار الكهربي تقاس بالأمبير (I=Q/t). بينما يقاس التيار الكهربي بجهاز الأميتر، ويمكن أن يقاس بأحد أجهزة القياس ذات المحرك.

الشحنة الكهربية (Q) : وهى كمية الالكترونات التى تمر عبر الأسلاك لتوليد تيارا  كهربيا او مجال مغناطيسيا.وتساوي 1.602×10⁻¹⁹ كولوم وهي أقل شحنة ممكن أن توجد حرة.الشحنات الكهربائية تكوّن مجال كهربائي وإن كانت متحركة تكون مجالا مغناطيسيا، ومن هنا يمكن ان نعرف شدة التيار  :على انه عدد الشحنات الكهربيه المارة خلال سلك معدنى فى الثانية الواحدة .

الجهد (V) : الجهد الكهربائي هو الطاقة اللازمة لنقل شحنة كهربائية للوحدة إلى مكان معين في مجال كهربائي ثابت.او بمعنى أخر هو الشغل المبذول لدفع الشحنات الكهربية فى الدائرة الكهربية .يمكن قياس الجهد بواسطة الفولتميتر ووحدة القياس هي فولت.

المقاومة (R) : هى معارضة لتدفق التيار في الدائرة الكهربائية مما تعمل على  تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية ، وفي هذا التعريف يشبة  الاحتكاك الميكانيكي.

شرح مبسط للقانون أوم 

قانون أوم يدرس العلاقة بين التيار والجهد والمقاومة وعند التوسع فى دراسة هذا القانون سوف نجد علاقات كثيرة يمكن دراستها مثل العلاقة بين شدة التيار والحرارة والعلاقة بين التيار و والطول والمساحة والكثافة الخاصة بالمادة الماره فيها .⁽²⁾9.4 Ohm’s Law – University Physics Volume 2 | OpenStax-openstax

العلاقات المستنتجه من قانون أوم 

العلاقة بين التيار والجهد  (V=IR) :

العلاقة بين التيار والجهد هى علاقة طردية عند ثبوت المقاومة  اي أن عند زيادة الجهد فى الدائرة الكهربية يزداد معها شدة التيار  والعكس صحيح .

العلاقة بين التيار والمقاومة (I=V/R) :

العلاقة بين التيار والمقاومة هى علاقة عكسية  أى أن عند زيادة المقاومة يقل شدة التيار المار فى الدائرة ولكن ليس العكس هذه المرة لأن قيمة المقاومة  لا تتاثر بالتيار (أنظر ألى علاقة درجة الحرارة بقانون أوم ) .

العلاقة بين المقاومة والجهد (V=IR) :

العلاقة بين المقاومة والجهد علاقة طردية اى أنه عند زيادة المقامة يزداد الجهد للتغلب على هذه المقاومة وايضا ليس العكس لأن المقاومة لا تتغير بتغير الجهد .

تغير نسب المقاومة (R=PL/A) :

المقاومة تتناسب طرديا مع كل من المقاومة النوعية(P) للسلك او المادة ومع طول السلك (L) وعكسيا مع مساحة مقطع السلك  (A) ،فعند زيادة طول سلك المقاومة تزداد المقاومة وعند زيادة المقاومة يزداد فرق الجهد للتغلب عليها ويقل شدة التيار أذا فقد أوجدنا علاقة بين التيار وبين طول سلك المقاومة ( سلك المقاومة وليس سلك التيار )وهى علاقة عكسية وأوجدنا أيضا علاقة بين الجهد وطول سلك المقاومة وهى علاقة طردية.

وعند زيادة قيمة المقاومة النوعية للسلك  تزداد المقاومة فيترتب عليه تغيرات فى الجهد وشدة التيار،فتنشأ علاقة بين المقاومة النوعية وبين الجهد وشدة التيار وتكون بالطرد مع الجهد وبالعكس مع شدة التيار .

وعند زيادة مساحة المقطع  تقل المقاومة فيقل الجهد ويزداد شدة التيار أذا فهناك علاقة طردية بين مساحة المقطع وشدة التيار وعلاقة عكسية بين مساحة المقطع وفرق الجهد .⁽³⁾Ohms Law – an overview | ScienceDirect Topics-sciencedirect

علاقة درجة الحرارة بقانون أوم

• عند زيادة شدة التيار فى الموصل ينتج عن ذالك زيادة فى درجة الحرارة المتولده  فى السلك حيث أن  التيار لايمر فى السلك بنسبة 100%  فيكون هناك طاقة مفقودة تظهر على هيئة حرارة،والسبب فى ذالك هو قوي التصادم و الاحتكاك بين جزيئات الموصل و التيار الكهربائي الناتجة عن مقاومة السلك فتزداد درجة الحرارة بزيادة شدة التيار عند ثبوت فرق الجهد حسب القانون pw=I. V
• كما أن العلاقة بين درجة الحرارة والمقاومة علاقة طردية اى كلما زادت الحرارة زادت المقاومة
• عند زيادة الحرارة تزدات طاقة الألكترونات فتزدات سرعتها ويزداد التيار أذا علاقة طردية مع التيار وعكسية مع المقاومة النوعية  لبعض الموصلات حسب العلاقات الأتية:

1. المواد الشبة موصلة  عند تسخينها إلى درجة حرارة عالية تصبح موصلًا جيدًا .
2. عوازل المواد عند تسخينها إلى درجات حرارة عالية تصبح موصلات للكهرباء.

أذا فأن علاقة درجة الحرارة مع المقاومة النوعية تختلف حسب نوع الموصل .

أذا عزيزى القارئ اصبح عقلك الأن على درجة عالية من التشتت لذا سنوضح الأمر :

1. عند زيادة شدة التيار تزداد عدد الألكترونات ويزداد التصادم بين الألكترونات فيزداد الأحتكاك فتزداد المقاومة فتزداد الحرارة بسبب المقاومة ( راجع تعريف المقاومة )
2.  عندما زيادة درجة الحرارة قد  تقل المقاومة النوعية لبعض الموصلات  فتكتسب الجزيئات طاقة وتزيد سرعتها واهتزازها فيسبب زيادة شدة التيار ولكن تزداد المقاومة الكهربية بسبب تصادم الجزيئات مع الألكترونات

فأذا كانت الدائره غير مناسبة لهذه التغيرات ،مثل نوعية السلك، ومساحة مقطعه ،وفرق الجهد الخاص بالدائره، تحدث الصدمات الكهربائية وقد تنصهر الأسلاك بسبب درجة الحرارة الناشئة من المقاومة.

مصطلحات عن علاقة درجة الحرارة بقانون أوم 

 الارتفاع الشاذ لدرجة الحرارة وعلاقته بالألتماس و العبء الزائد فى التيار الكهربي.

العبء الزائد:

حالة فيها تسري شدّة التيّار في الدائرة الكهربائية أكبر بكثير من المسموح به. يمكن أن تحدث مثل هذه الحالة عندما يكون عدد كبير من الأجهزة موصولاً بمصدر كهربائي واحد، فتنخفض المقاومة في الدائرة الكهربائية،فيمر في الدائرة الكهربائية تيار اكبر من المعتاد،فيحصل تسخين للموصلات بسبب ارتفاع شدة التيار .

اعرف المزيد: أهم تطبيقات قانون أوم

الألتماس :

يحدث نتيجة لتوصيل القطب الموجب مع القطب السالب بدون وجود جهاز كهربائي بينهما،فيحدث انخفاض مفاجئ للمقاومة الكهربائية في الدائرة،فيمر في الدائرة الكهربائية تيار اكبر من المعتاد،فيحصل تسخين شديد للموصلات بسبب ارتفاع شدة التيار .

• بالنسبة للتيار ، تخضع للمعادلة: (T2-T1) = I²  R  t / (m c)
• بالنسبة للجهد ، تخضع للمعادلة: (T2-T1) = V² t / (R m c)
• {Q = m c×{T2-T1 حيث أن (c) هى الحرارة النوعية لتلك المادة.

القدره الكهربية :

مقدار الشغل المبذول لأنتاج طاقة  فى زمن ثانية واحدة.

الطاقة الكهربية :

هو الشغل المبذول لأنتاج الطاقة.

استخدامات قانون أوم فى حياتنا اليومية

دراسة قانون أوم وتطبيقه فى الحياة اليوميه سهل علينا كثير من الأمور ،كما أن التوسع فى قانون أوم أدى ألى ظهور تطبيقات  وبرامج جديدة متطورة عن الذى قبلها:

  1.توصيل الكهرباء فى المنزل على التوازى

وذالك لعدة أسباب:

• تساوى الجهد فى الدائرة الكهربية V=V1=V2=V3
• المقاومة المكافئة ( مجموع المقاومات فى الدائرة ) تكون أصغر من أصغر مقاومه  R=(1/R1) +(1/R2)+(1/R3  وبذالك يزداد شدة التيار.
• عند فصل اى من المصابيح تظل المصابيح الأخرى مضيئة.
• لا تتأثر أضاءة المصابيح بزيادة عددها او فصل احداها.

مقارنة بين التوصيل على التوازى والتوالى

التوصيل على التوازى

التوصيل على التوالى

الجهد متساوى المقاومة تكون أصغر من أصغر مقاومة فى الدائرة عند فصل مصباح لاتتأثر باقى المصابيح تظل اضاءة المصابيح ثابتة عند زيادة عددها تمتاز بزيادة شدة التيار

الجهد = مجموع الجهد فى الدائرة الكهربية المقاومة تكون أكبر من أكبر مقاومة عند فصل مصباح تفصل جميع المصابيح فى الدائرة تتغير اضاءة المصابيح بتغير عددها تمتاز بنقصان شدة التيار

 وعند التفكير قليلا نجد أن عند التوصيل على التوالى يزداد فية طول الدائره علاقة طردية مع المقاومة وعكسيه مع التيار.

 

اما فى التوصيل على التوازي تزداد فيه مساحة الدائرة علاقة عكسية مع المقاومة وطردية مع التيار 

    2.قاطع  التيار بالمنزل 

نشأت فكرة قاطع التيار من دراسة درجة الحرارة الناتجه من مرور التيار،حيث يكون فى تكوين قاطع التيار،ما يلي:

• شريط ثنائي المعدن  المشار ألية فى الصورة حيث يتمدد عند درجة حرارة معينة  فيفصل أطراف التلامس في فترة زمنية وجيزة.
• ملف كهربائي يفصل أطراف التلامس بسرعه عند التعرض لتيارات عالية .
• مفرق كهربائي يعمل على تفرقة وأمتصاص الصدمة الكهربية عند وصولها للقاطع .

فعند زيادة التيار فى الدائرة بنسبة كبيرة غير معتادة بسبب خطا فى بعض التوصيلات  مما يؤدى الى زيادة درجة الحرارة فيتمدد السلك المشار اليه فى الصوره فيفصل التيار الكهربي.⁽⁴⁾Ohm’s Law – Definition, Formula, Applications of Ohm’s Law, Videos – Toppr-toppr

أهمية القاطع الكهربي فى حياتنا اليومية

قبل صناعة قواطع التيار عند زيادة التيار الكهربي فى المنزل بشكل مفاجئ بسبب تدخل الأنسان كالتوصيل الخاطئ للدائرة.يحدث ضرر كبير يصل الى احتراق المنازل والى موت الكثير من الاشخاص بسبب هذه الصدمات الكهربائية الناتجة .

القاطع الكهربي يستخدم فى معظم الأجهزة الألكترونية  مثل الهواتف، لقطع الشحن عند إكتماله ،وفي أجهزة الكمبيوتر  لحمايتها من الأحتراق .

     3.المقاومات 

المقاومة قد تكون ثابتة أو متغيرة أو حرارية أو ضوئية.

تدخل المقاومات فى صناعة كافة الألكترونات الحديثة حيث تعمل على حماية الدائرة الكهربية من التلف.

تعمل على تحديد كمية التيار التى تمر عبر الدائرة ،وتكون المقاومات بنسب ثابتة يمكن الزياده فى مقدارها او التقليل بتوصيلها بالتوالى او التوازى.⁽⁵⁾Ohm’s Law 101: Its Formula, History, and Applications-interestingengineering

أنواع المقاومة:

• ثابتة
• حرارية
• متغيرة
• ضوئية

أمثلة لبعض أستخدامات المقاومة

• لوحة مفاتيح المروحة  فعند زيادة المقاومة عبر المفتاح يقل شدة التيار فتقل سرعة المروحة وهكذا .
• دائرة الصوت فى الراديو او فى التلفازات القديمة وتكون المقاومة متغيرة عند زيادة المقاومة يقل شدة الصوت حسب العلاقة.
• المصابيح الليد كنا نستخدم قديما المصابيح الحرارية.

جميع الصناعات الألكترونية يجب أن تكون المقاومات من عناصرها الأساسية الكمبيوتر/التلفزيون /الهواتف /……..ألخ.

عند دراستك لقانون أوم يتم تشبيه المقاومة بالمصباح والسبب فى ذالك أن التيار عند مروره فى السلك يصطدم بالمصباح، والذى يعوق مرورالتيار فيه  لأنتاج الضوء ، وهذا التشبية يطلق على أي شئ يتصل بالسلك الكهربي غير المصباح .

  4 .المفتاح الكهربائي 

تذكر هذه العلاقة فى الدرس الخاص بقانون أوم  (لا يمر التيار كهربي فى الدائرة عندما تكون الدائرة مفتوحة ) وهذا أساس عمل المفتاح الكهربي ، فعند فتح الدائرة ينقطع التيار الكهربي وعند أتصالها يمر التيار الكهربي .