Relația dintre tensiune, curent și rezistență în orice circuit electric de curent continuu a fost descoperită de fizicianul german Georg Ohm.

Georg Ohm a constatat că, la o temperatură constantă, curentul electric care curge printr-o rezistență liniară fixă ​​este direct proporțional cu tensiunea aplicată pe ea și invers proporțional cu rezistența. Această relație dintre tensiune, curent și rezistență formează baza Legii lui Ohm și este prezentată mai jos.

Prin cunoașterea oricăror două valori a tensiunii, a curentului sau a rezistenței, putem folosi Legea lui Ohm pentru a găsi a treia valoare lipsă. Legea lui Ohm este folosită pe scară largă în formule și calcule electronice, astfel încât este "foarte important să înțelegem și să ne amintim cu exactitate aceste formule".

Pentru a găsi tensiunea, (V)

[V = I x R] V (volți) = I (amperi) x R (Ω)

Pentru a găsi curentul, (I)

[I = V ÷ R] I (amperi) = V (volți) ÷ R (Ω)

Pentru a găsi rezistența, (R)

[R = V ÷ I] R (Ω) = V (volți) ÷ I (amperi)

Uneori este mai ușor să vă amintiți această relație a legii lui Ohm folosind imagini. Aici cele trei cantități V, I și R au fost suprapuse intr-un triunghi (afectiv numit Triunghiul Legii lui Ohm), având tensiune in partea de sus și curentul si rezistența de mai jos. Acest aranjament reprezintă poziția reală a fiecărei cantități din formula Legii lui Ohm.

Triunghiul legii lui Ohm

Transformarea ecuației standard a Legii lui Ohm de mai sus ne va da următoarele combinații ale aceleiași ecuații:

Deci, folosind Legea lui Ohm putem vedea că o tensiune de 1V aplicată pe un rezistor de 1Ω va determina un curent de 1A să circule și cu cât valoarea rezistenței este mai mare, cu atât mai puțin curent va circula pentru o anumită tensiune aplicată. Orice dispozitiv electric sau component care respectă "Legea lui Ohm", adică curentul care trece prin el este proporțional cu tensiunea pe el (IαV), cum ar fi rezistorii sau cablurile, se spune că sunt "Ohmice" în natură, iar dispozitivele care nu sunt, cum ar fi tranzistori sau diode, se spune că sunt dispozitive "non-ohmice".

Puterea electrică în circuite

Puterea electrică (P) într-un circuit este rata la care energia este absorbită sau produsă într-un circuit. O sursă de energie, cum ar fi o tensiune, va produce sau furniza energie în timp ce sarcina conectată o va absorbi. Becurile și încălzitoarele electrice, de exemplu, absorb energia electrică și o transformă în căldură sau lumină sau ambele. Cu cât valoarea acestora este mai mare în wați, cu atât mai multă putere electrică o pot consuma.

Simbolul cantității pentru putere este P și este produsul tensiunii înmulțit cu curentul, cu unitatea de măsură fiind Watt (W). Prefixele sunt folosite pentru a desemna multipli sau submultipli unui watt, cum ar fi: milliwați (mW = 10^-3 W) sau kilowați (kW = 10³ W).

Atunci, cu Legea lui Ohm și înlocuind valorile lui V, I și R, formula pentru putere electrică poate fi găsită ca:

[P = V x I] P (W) = V (volți) x I (amperi)

De asemenea,

[P = V² ÷ R] P (W) = V² (volți) ÷ R (Ω)

De asemenea,

[P = I² x R] P (W) = I² (amperi) x R (Ω)

Din nou, cele trei cantități au fost suprapuse într-un triunghi denumit de această dată un Triunghi de Putere cu puterea la vârf și curent și tensiune în partea de jos. Din nou, acest aranjament reprezintă poziția reală a fiecărei cantități în formulele de putere ale Legii lui Ohm.

Triunghiul puterii

și din nou, transpunerea ecuației de bază a Legii lui Ohm de mai sus pentru putere ne dă următoarele combinații ale aceleiași ecuații pentru a găsi diferitele cantități individuale:

Așa că putem vedea că există trei formule posibile pentru calcularea puterii electrice într-un circuit. Dacă puterea calculată este pozitivă (+ P) în valoare pentru orice formulă, componenta absoarbe puterea, adică consumă sau utilizează energie. Dar dacă puterea calculată este negativă (-P) în valoare, componenta produce sau generează energie, cu alte cuvinte este o sursă de energie electrică, cum ar fi bateriile și generatoarele.

Evaluarea puterii electrice

Componentele electrice au dată o "evaluare de putere" în wați care indică rata maximă la care componenta convertește energia electrică în alte forme de energie, cum ar fi căldură, lumină sau mișcare. De exemplu, un rezistor de 1/4 W, un bec de 100 W etc.

Dispozitivele electrice transformă o formă de putere în alta. De exemplu, un motor electric va converti energia electrică într-o forță mecanică, în timp ce un generator electric transformă forța mecanică în energie electrică. Un bec face conversia energiei electrice atât în ​​lumină cât și în căldură.

Acum știm că unitatea de putere este WATT, dar unele dispozitive electrice, ca motoarele electrice, au o evaluare de putere în vechile măsurători de "Cal-putere" sau hp. Relația dintre Cal-putere și watt este dată de 1hp = 746W. De exemplu, un motor de doi cai-putere are o evaluare de 1492W, (2 x 746) sau 1,5kW.

Graficul Pie al Legii lui Ohm

Pentru a ne ajuta să înțelegem relația dintre diferitele valori, putem lua toate ecuațiile Legii lui Ohm de mai sus pentru a găsi tensiunea, curentul, rezistența și, desigur, puterea și să le condensăm într-un simplu grafic Pie al Legii lui Ohm (diagramă radială) pentru utilizare în circuitele AC și DC și calculele indicate.

Pe lângă folosirea diagramei Pie a Legii lui Ohm prezentate mai sus, putem pune și ecuațiile legii individuale ale lui Ohm într-un tabel matricial simplu, așa cum se arată mai jos,pentru o referință ușoară la calcularea unei valori necunoscute.

Tabelul matrice al Legii lui Ohm

Legea lui Ohm. Exemplul nr. 1

Pentru circuitul prezentat mai jos găsiți tensiunea (V), curentul (I), rezistența (R) și puterea (P).

Tensiunea [V = I x R] = 2 x 12Ω = 24V

Curentul [I = V ÷ R] = 24 ÷ 12Ω = 2A

Rezistența [R = V ÷ I] = 24 ÷ 2 = 12 Ω

Puterea [P = V x I] = 24 x 2 = 48W

Puterea într-un circuit electric este prezentă numai atunci când sunt prezente atât tensiunea cât și curentul. De exemplu, într-o stare deschisă, tensiunea este prezentă dar nu există circulație de curent I = 0 (zero), prin urmare V x 0 este 0, astfel încât puterea disipată în circuit trebuie să fie de asemenea 0. Dacă avem o stare de scurtcircuit, curentul este prezent, dar nu există tensiune V = 0, deci 0 x I = 0, astfel încât din nou puterea disipată în circuit este 0.

Deoarece puterea electrică este produsul lui V x I, puterea disipată într-un circuit este aceeași, indiferent dacă circuitul conține tensiune înaltă și curent scăzut sau tensiune joasă și curent ridicat. În general, energia electrică este disipată sub formă de căldură (încălzitoare), lucru mecanic cum ar fi motoare, energie sub formă radiantă (lămpi) sau ca energie stocată (baterii).

Energia electrică în circuite

Energia electrică este capacitatea de a face lucru, iar unitatea de lucru sau energie este joule (J). Energia electrică este produsul puterii înmulțit cu durata de timp în care a fost consumată. Deci, dacă știm cât de multă putere, în Watți, este consumată și timpul, în secunde, pentru care este folosită, putem găsi energia totală folosită în watt-secunde. Cu alte cuvinte, Energia = puterea x timpul și Puterea = tensiunea x curentul. Prin urmare, puterea electrică este legată de energie, iar unitatea dată pentru energia electrică este watt-secundă sau joule.

Energia electrică = Puterea (W) x Timpul (s)

Puterea electrică poate fi, de asemenea, definită ca rata de transfer al energiei. Dacă un joule de lucru este absorbit sau livrat cu o rată constantă de o secundă, atunci puterea corespunzătoare va fi echivalentă cu un watt, astfel că puterea poate fi definită ca "1Joule/sec = 1Watt". Atunci putem spune că un watt este egal cu un joule pe secundă, iar puterea electrică poate fi definită ca rata de a face lucru sau transferare de energie.

Triunghiul puterii și energiei electrice

Am spus anterior că energia electrică este definită ca fiind de watt pe secundă sau jouli. Deși energia electrică este măsurată în Joule, ea poate deveni o valoare foarte mare atunci când este utilizată pentru a calcula energia consumată de o componentă.

De exemplu, dacă un bec de 100 W este lăsat "ON" timp de 24 de ore, energia consumată va fi 8.640.000 Jouli (100W x 86.400 secunde), astfel încât prefixele, cum ar fi kilojoule (kJ = 10³ J) sau megajoule (MJ = 10⁶ J) sunt utilizate și în acest exemplu simplu, energia consumată va fi de 8,64 MJ (megajouli).

Dar, utilizând jouli, kilojoule sau megajoule pentru a exprima energia electrică, matematica implicată poate lucra cu numere mari și o mulțime de zerouri, deci este mult mai ușor să exprimi energia electrică consumată în kilowați-oră.

Dacă energia electrică consumată (sau generată) este măsurată în wați sau kilowați (mii de wați) și timpul este măsurat în ore, nu secunde, atunci unitatea de energie electrică va fi kilowați-oră (kWh). Deci, becul nostru de 100 W de mai sus va consuma 2.400 de wați-ore sau 2,4kWh, ceea ce este mult mai ușor de înțeles pentru 8.640.000 de jouli.

1 kWh este cantitatea de energie electrică utilizată de un dispozitiv cu o valoare nominală de 1000 wați într-o oră și este numită în mod obișnuit o "Unitate de energie electrică". Aceasta este măsurarea de către contorul de utilități și este ceea ce noi consumatorii cumpăram de la furnizorii de energie electrică atunci când primim facturile noastre.

Kilowatt-ore sunt unitățile standard de energie utilizate de contorul de energie electrică din casele noastre pentru a calcula cantitatea de energie electrică pe care o folosim și, prin urmare, cât de mult plătim. Deci, dacă porniți un focar electric cu un element de încălzire cu o putere nominală de 1000 W și îl lăsați timp de o oră, ați consumat 1 kWh de energie electrică. Dacă ați pornit două focare electrice fiecare cu elemente de 1000 de wați timp de o jumătate de oră, consumul total ar fi exact aceeași cantitate de energie electrică - 1kWh.

Deci, consumarea a 1000 de wați timp de o oră utilizează aceeași putere ca și 2000 de wați (de două ori mai mult) pentru o jumătate de oră (jumătate din timp). Atunci, pentru un bec de 100 wați pentru a utiliza 1 kWh sau o unitate de energie electrică, ar trebui să fie pornit pentru un total de 10 ore (10 x 100 = 1000 = 1kWh).

Acum, că știm ce este relația dintre tensiune, curent și rezistență într-un circuit, în următorul tutorial cu privire la circuitele de curent continuu, ne vom uita la unitățile electrice standard utilizate în domeniul ingineriei electrice și electronice pentru a ne permite să calculăm aceste valori și a vedea că fiecare valoare poate fi reprezentată fie de multipli fie de submultipli ai unității standard.