بحث عن قانون أوم للكهرباء

مقدمة البحث

الحمد لله رب العالمين، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فإن الكهرباء من نعم الله العظيمة التي سخّرها لخدمة الإنسان، فبها تضيء المصابيح وتعمل الأجهزة والآلات وتسير القطارات. ولكي نستخدم الكهرباء بأمان وكفاءة لا بد أن نفهم القوانين التي تحكم سريانها في الدوائر الكهربائية، ومن أهم هذه القوانين قانون أوم. وفي هذا البحث نتعرف عليه وعلى تطبيقاته.

تعريف الموضوع

قانون أوم قانون فيزيائي ينص على أن شدة التيار الكهربائي المار في موصل تتناسب طرديًا مع فرق الجهد بين طرفيه عند ثبات درجة حرارته. وقد سُمي بهذا الاسم نسبة إلى العالم الألماني جورج سيمون أوم الذي توصل إليه في أواخر العشرينيات من القرن التاسع عشر الميلادي بعد تجارب كثيرة.

أهمية الموضوع

يُعد قانون أوم الأساس الذي تقوم عليه دراسة الدوائر الكهربائية، فنستعمله في حساب التيار والجهد والمقاومة في الأجهزة المنزلية والإلكترونية، وفي تصميم الدوائر واختيار الأسلاك والمصاهر، وفي اكتشاف الأعطال. وهو بداية الطريق لكل من يريد دراسة الكهرباء والإلكترونيات والهندسة الكهربائية.

أهداف البحث

• التعرف على المفاهيم الأساسية: التيار الكهربائي وفرق الجهد والمقاومة.
• كتابة قانون أوم وفهم معناه واستخدامه في الحساب.
• التعرف على العوامل التي تؤثر في مقاومة الموصل.
• حساب المقاومة المكافئة في التوصيل على التوالي والتوازي.
• حل مسائل تطبيقية على القانون.

عناصر البحث

أولًا: المفاهيم الأساسية

ويمكن تشبيه الدائرة الكهربائية بجريان الماء في أنبوب: فرق الجهد يشبه الفرق في الضغط بين طرفي الأنبوب، والتيار يشبه كمية الماء المتدفقة، والمقاومة تشبه ضيق الأنبوب وخشونته.

ثانيًا: صيغة قانون أوم

V = I × R

ومن هذه العلاقة نستنتج الصيغتين الآتيتين:

I = V / R

R = V / I

حيث V فرق الجهد بالفولت، وI شدة التيار بالأمبير، وR المقاومة بالأوم. وهذا يعني أنه عند ثبات المقاومة إذا ضاعفنا فرق الجهد ضاعف التيار، وعند ثبات الجهد إذا زادت المقاومة قلّ التيار.

وإذا رسمنا العلاقة بين فرق الجهد على المحور الأفقي والتيار على المحور الرأسي حصلنا على خط مستقيم يمر بنقطة الأصل، ويدل ميله على مقدار مقلوب المقاومة. والموصلات التي تحقق هذه العلاقة تسمى موصلات أومية، كأسلاك النحاس عند ثبات الحرارة، أما بعض العناصر كالمصباح المتوهج والثنائي (الدايود) فلا تتبع القانون بدقة، فتسمى لا أومية.

ثالثًا: العوامل المؤثرة في مقاومة الموصل

R = ρ × L / A

• الطول (L): تزداد المقاومة بزيادة طول الموصل.
• مساحة المقطع (A): تقل المقاومة بزيادة سمك السلك.
• نوع المادة (ρ): وهي المقاومية، وتختلف من مادة لأخرى، فالنحاس والفضة مقاومتهما صغيرة وهما موصلان جيدان.
• درجة الحرارة: تزداد مقاومة أغلب الفلزات بارتفاع درجة الحرارة.

رابعًا: توصيل المقاومات

١- التوصيل على التوالي

توصل المقاومات واحدة بعد الأخرى في مسار واحد، فيمر فيها التيار نفسه، ويتوزع فرق الجهد عليها، وتكون المقاومة المكافئة هي مجموعها:

R_eq = R₁ + R₂ + R₃

٢- التوصيل على التوازي

توصل المقاومات بين النقطتين نفسيهما، فيكون فرق الجهد على كل منها واحدًا، ويتوزع التيار بينها. وتكون المقاومة المكافئة:

1 / R_eq = 1 / R₁ + 1 / R₂ + 1 / R₃

وتكون المقاومة المكافئة في التوازي أقل من أصغر مقاومة في المجموعة.

ولهذا توصل الأجهزة في المنازل على التوازي، حتى لا يؤثر تعطل جهاز في عمل بقية الأجهزة.

خامسًا: القدرة الكهربائية

القدرة الكهربائية هي معدل الشغل الكهربائي في الثانية، وتقاس بالواط:

P = V × I = I² R = V² / R

سادسًا: أمثلة محلولة

المثال الأول: مقاومة كهربائية قيمتها 10 أوم وصلت ببطارية فرق جهدها 20 فولت، احسب شدة التيار.

I = V / R = 20 / 10 = 2 A

إذن شدة التيار أمبيران.

المثال الثاني: سلك يمر فيه تيار شدته 3 أمبير عندما يكون فرق الجهد بين طرفيه 12 فولت، احسب مقاومته.

R = V / I = 12 / 3 = 4 Ω

إذن مقاومة السلك أربعة أوم.

المثال الثالث: ثلاث مقاومات قيمها أومان وثلاثة أوم وخمسة أوم موصلة على التوالي ببطارية جهدها 20 فولت، احسب التيار في الدائرة.

R_eq = 2 + 3 + 5 = 10 Ω

I = V / R_eq = 20 / 10 = 2 A

المثال الرابع: مقاومتان قيمتاهما ستة أوم وثلاثة أوم موصلتان على التوازي، احسب المقاومة المكافئة.

1 / R_eq = 1 / 6 + 1 / 3 = 1 / 6 + 2 / 6 = 3 / 6

R_eq = 2 Ω

وهي أقل من أصغر المقاومتين كما هو متوقع.

المثال الخامس: مصباح يعمل على فرق جهد 10 فولت ويمر فيه تيار شدته 2 أمبير، احسب قدرته.

P = V × I = 10 × 2 = 20 W

سابعًا: تطبيقات القانون واحتياطات السلامة

• اختيار سمك الأسلاك المناسب لكل جهاز، فالتيار الكبير في سلك رفيع يسخنه وقد يسبب حريقًا.
• تصميم المصاهر وقواطع الدائرة التي تقطع التيار عند زيادته عن حد معين.
• تصميم المقاومات المتغيرة التي تتحكم في سطوع المصابيح وسرعة المراوح.
• تجنب لمس الأسلاك العارية أو استخدام الكهرباء بأيدٍ مبللة، لأن مقاومة الجسم تقل عند البلل فيزداد التيار المار فيه.
• استخدام الأجهزة المطابقة للمواصفات وعدم تحميل المقابس أكثر من طاقتها.

النتائج

• ينص قانون أوم على أن التيار يتناسب طرديًا مع فرق الجهد عند ثبات المقاومة، وصيغته V تساوي I في R.
• تقاس المقاومة بالأوم، والتيار بالأمبير، والجهد بالفولت.
• تتوقف مقاومة الموصل على طوله ومساحة مقطعه ونوع مادته ودرجة حرارته.
• المقاومة المكافئة في التوالي مجموع المقاومات، وفي التوازي أقل من أصغرها.

التوصيات

• إجراء تجربة مخبرية بسيطة بأميتر وفولتميتر ومقاومة لإثبات القانون عمليًا.
• الحرص على قواعد السلامة الكهربائية في المنزل والمدرسة.
• ترشيد استهلاك الكهرباء وعدم الإسراف فيها.

الخاتمة

تعرفنا في هذا البحث على قانون أوم وصيغته وتطبيقاته، وعلى العوامل المؤثرة في المقاومة وطرق توصيلها، وحللنا أمثلة عدة. ويتضح أن فهم هذا القانون البسيط مفتاح لفهم كثير من الظواهر الكهربائية، وأن علينا أن نستعمل الكهرباء بحكمة وأمان، والحمد لله رب العالمين.

المراجع

• كتاب الفيزياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• كتاب الفيزياء الجامعية، يونغ وفريدمان.
• كتاب أساسيات الفيزياء، هاليداي ورزنيك وووكر.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، قانون أوم للكهرباء