Ohms lov: Hvad er det og hvorfor er det vigtigt?

Elektriske kredsløb er allestedsnærværende i vores daglige liv. Fra de komplekse integrerede kredsløb, der styrer enheden, du læser denne artikel til ledningerne, der giver dig mulighed for at skifte en lyspære i dit hus til og fra, ville hele dit liv være radikalt anderledes, hvis du ikke var omgivet af kredsløb overalt gå.

Men de fleste mennesker lærer ikke rigtig den nitty gritty af hvordan kredsløb fungerer og de ret enkle ligninger - som Ohms lov - der forklarer forholdet mellem nøglebegreber som elektrisk modstand, spænding og elektrisk nuværende. At dykke lidt dybere ned i elektronikens fysik kan dog give dig en meget dybere indsigt i de grundlæggende regler, der ligger til grund for den mest moderne teknologi.

Ohms lov er en af ​​de vigtigste ligninger, når det kommer til forståelse af elektriske kredsløb, men hvis du vil forstå det, skal du have en god forståelse af de grundlæggende begreber, den forbinder:spænding​, ​nuværendeogmodstand. Ohms lov er simpelthen ligningen, der beskriver forholdet mellem disse tre størrelser for de fleste ledere.

Spænding er det mest anvendte udtryk for den elektriske potentialeforskel mellem to punkter, og det giver "skub", der gør det muligt for elektrisk ladning at bevæge sig rundt i en ledende sløjfe.

Elektrisk potentiale er en form for potentiel energi, ligesom tyngdepotentialenergi, og den defineres som den elektriske potentielle energi pr. Enhedsopladning. SI-enheden til spænding er volt (V) og 1 V = 1 J / C eller en joule energi pr. Coulomb af ladning. Det kaldes undertiden ogsåElektromotorisk krafteller EMF.

Elektrisk strøm er strømningshastigheden af ​​elektrisk ladning forbi et givet punkt i et kredsløb, der har SI-enheden af ​​amperen (A), hvor 1 A = 1 C / s (en ladning pr. Sekund). Det kommer i form af jævnstrøm (DC) og vekselstrøm (AC), og selvom DC er enklere, er AC-kredsløb bruges til at levere strøm til de fleste husstande rundt om i verden, fordi det er lettere og mere sikkert at transmittere over lang tid afstande.

Det sidste koncept, du skal forstå, før du tackler Ohms lov, er modstand, som er et mål for modstanden mod strøm i et kredsløb. SI-enheden til modstand er ohm (som bruger det græske bogstav omega, Ω), hvor 1 Ω = 1 V / A.

Den tyske fysiker Georg Ohm beskrev forholdet mellem spænding, strøm og modstand i sin ligning med samme navn. Ohms lovformel er:

hvorVer spændingen eller potentialforskellen,jeger mængden af ​​strøm og modstandRer den endelige mængde.

Ligningen kan arrangeres på en enkel måde for at producere en formel til beregning af strøm baseret på spænding og modstand eller modstand baseret på strøm og spænding. Hvis du ikke har det godt med at omarrangere ligninger, kan du slå en Ohms lovstrekant op (se Ressourcer), men det er ret ligetil for enhver, der er fortrolig med de grundlæggende regler for algebra.

De vigtigste punkter, som Ohms lovligning viser, er, at spændingen er direkte proportional med elektrisk strøm (så jo højere er jo højere strøm), og at strømmen er omvendt proportional med modstanden (så jo højere modstand, jo lavere er nuværende).

Du kan bruge vandstrømsanalogien til at huske nøglepunkterne, som er baseret på et rør med den ene ende øverst på en bakke og den ene ende i bunden. Spændingen er som bakkens højde (en stejlere, højere bakke betyder mere spænding), den aktuelle strømning er som strømmen af ​​vand (vand strømmer hurtigere ned ad en stejlere bakke) og modstanden er ligesom friktionen mellem siderne af røret og vandet (et tyndere rør skaber mere friktion og reducerer vandstrømningshastigheden, ligesom en højere modstand gør for elektrisk strøm flyde).

Ohms lov er meget vigtig for at beskrive elektriske kredsløb, fordi den relaterer spændingen til strømmen, hvor modstandsværdien modererer forholdet mellem de to. På grund af dette kan du bruge Ohms lov til at kontrollere mængden af ​​strøm i et kredsløb, tilføje modstande for at reducere strømmen og tage dem væk for at øge strømmen.

Det kan også udvides til at beskrive elektrisk strøm (energistrømningshastigheden pr. Sekund), fordi strøm P = IV, og så kan du bruge det til at sikre, at dit kredsløb giver nok energi til f.eks. Et 60-watt apparat.

For fysikstuderende er det vigtigste ved Ohms lov, at det giver dig mulighed for at analysere kredsløbsdiagrammer, især når du kombinerer det med Kirchhoffs love, der følger videre af det.

Kirchhoffs spændingslov siger, at spændingsfaldet omkring en lukket sløjfe i et kredsløb altid er lig med nul, og nuværende lov angiver, at mængden af ​​strøm, der strømmer ind i et knudepunkt eller knudepunkt i et kredsløb, er lig med mængden, der strømmer ud af det. Du kan især bruge Ohms lov med spændingsloven til at beregne spændingsfaldet over en hvilken som helst komponent i et kredsløb, hvilket er et almindeligt problem i elektronikklasser.

Du kan bruge Ohms lov til at finde en ukendt mængde af de tre, forudsat at du kender de to andre størrelser til det aktuelle elektriske kredsløb. Arbejde gennem nogle grundlæggende eksempler viser dig, hvordan dette gøres.

Forestil dig først, at du har et 9 volt batteri tilsluttet et kredsløb med en total modstand på 18 Ω. Hvor meget strøm flyder, når du forbinder kredsløbet? Ved at omarrangere Ohms lov (eller bruge en trekant) kan du finde:

Så 0,5 ampere strøm strømmer rundt om kredsløbet. Forestil dig nu, at dette er den perfekte strøm til en komponent, du vil have strøm, men du har kun et 12-V batteri. Hvor meget modstand skal du tilføje for at sikre, at komponenten får den optimale strøm? Igen kan du omarrangere Ohms lov og løse den for at finde svaret:

Så du har brug for en 24-Ω modstand for at fuldføre dit kredsløb. Endelig, hvad er spændingsfaldet over en 5-Ω modstand i et kredsløb med 2 A strøm, der strømmer gennem det? Denne gang fungerer lovens standard V = IR-form fint:

Du kan bruge Ohms lov i en lang række situationer, men der er begrænsninger for dens gyldighed - det er ikke en virkelig grundlæggende fysiklov. Loven beskriver et lineært forhold mellem spænding og strøm, men dette forhold gælder kun hvis modstanden eller det resistive kredsløbselement, du arbejder med, har en konstant modstand under forskellige spændingVog nuværendejegværdier.

Materialer, der overholder denne regel kaldes ohmske modstande, og selvom de fleste fysiske problemer vil involvere ohmske modstande, vil du være fortrolig med mange ikke-ohmske modstande fra dit daglige liv.

En pære er et perfekt eksempel på en ikke-ohmsk modstand. Når du laver en graf afVvs.jegfor ohmske modstande viser det et helt lige forhold, men hvis du gør dette for noget som en pære, ændrer situationen sig. Når glødetråden i pæren varmes op, er pærens modstandøges, hvilket betyder, at grafen bliver en kurve snarere end en lige linje, og Ohms lov gælder ikke.