Ohmsches Gesetz: Was ist es und warum ist es wichtig?

Elektrische Schaltungen sind in unserem täglichen Leben allgegenwärtig. Von den komplexen integrierten Schaltkreisen, die das Gerät steuern, das Sie in diesem Artikel lesen, bis hin zur Verkabelung, die es Ihnen ermöglicht, ein Glühbirne in Ihrem Haus an und aus, Ihr ganzes Leben wäre radikal anders, wenn Sie nicht überall von Stromkreisen umgeben wären gehen.

Aber die meisten Leute lernen nicht wirklich das Wesentliche der Funktionsweise von Schaltungen und die ziemlich einfachen Gleichungen – wie Ohmsches Gesetz – das die Beziehungen zwischen Schlüsselbegriffen wie elektrischem Widerstand, Spannung und elektrischem erklärt Strom. Wenn Sie jedoch ein wenig tiefer in die Physik der Elektronik eintauchen, können Sie einen viel tieferen Einblick in die Kernregeln erhalten, die der modernen Technologie zugrunde liegen.

Das Ohmsche Gesetz ist eine der wichtigsten Gleichungen, wenn es darum geht, elektrische Schaltungen zu verstehen, aber wenn Sie es verstehen wollen, müssen Sie die grundlegenden Konzepte, die es verbindet, gut verstehen:

Spannung ist der am häufigsten verwendete Begriff für die elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten und liefert den „Push“, der es der elektrischen Ladung ermöglicht, sich in einer Leiterschleife zu bewegen.

Elektrisches Potenzial ist eine Form potenzieller Energie, wie die potenzielle Gravitationsenergie, und wird als die elektrische potenzielle Energie pro Ladungseinheit definiert. Die SI-Einheit für Spannung ist Volt (V) und 1 V = 1 J/C oder ein Joule Energie pro Coulomb Ladung. Es heißt manchmal auchelektromotorische Kraftoder EMF.

Elektrischer Strom ist die Geschwindigkeit des elektrischen Ladungsflusses an einem bestimmten Punkt in einem Stromkreis, der die SI-Einheit Ampere (A) hat, wobei 1 A = 1 C/s (ein Coulomb Ladung pro Sekunde) ist. Es kommt in Form von Gleichstrom (DC) und Wechselstrom (AC), und obwohl Gleichstrom einfacher ist, sind Wechselstromkreise wird verwendet, um die meisten Haushalte auf der ganzen Welt mit Strom zu versorgen, weil es einfacher und sicherer ist, über lange Zeit zu übertragen Entfernungen.

Das letzte Konzept, das Sie verstehen müssen, bevor Sie das Ohmsche Gesetz in Angriff nehmen, ist der Widerstand, der ein Maß für den Widerstand gegen den Stromfluss in einem Stromkreis ist. Die SI-Einheit für den Widerstand ist Ohm (mit dem griechischen Buchstaben Omega, ), wobei 1 Ω = 1 V/A ist.

Der deutsche Physiker Georg Ohm beschrieb in seiner gleichnamigen Gleichung den Zusammenhang zwischen Spannung, Strom und Widerstand. Die Formel des Ohmschen Gesetzes lautet:

woVist die Spannungs- oder Potentialdifferenz,ichist die Menge an Strom und WiderstandRist die Endmenge.

Die Gleichung kann auf einfache Weise neu geordnet werden, um eine Formel zur Berechnung des Stroms basierend auf Spannung und Widerstand oder des Widerstands basierend auf Strom und Spannung zu erstellen. Wenn Sie Gleichungen nicht neu anordnen möchten, können Sie ein Ohmsches Dreieck nachschlagen (siehe Ressourcen), aber es ist für jeden, der mit den Grundregeln der Algebra vertraut ist, recht einfach.

Die wichtigsten Punkte, die die Gleichung des Ohmschen Gesetzes zeigt, sind, dass die Spannung direkt proportional zum elektrischen Strom ist (je höher also die Spannung, desto höher der Strom), und dieser Strom ist umgekehrt proportional zum Widerstand (je höher der Widerstand, desto niedriger der Strom).

Sie können die Wasserströmungsanalogie verwenden, um sich die wichtigsten Punkte zu merken, die auf einem Rohr mit einem Ende oben auf einem Hügel und einem Ende unten basiert. Die Spannung ist wie die Höhe des Hügels (ein steilerer, größerer Hügel bedeutet mehr Spannung), der Stromfluss ist wie der Wasserfluss (Wasser fließt schneller einen steileren Hügel hinunter) und der Widerstand ist wie die Reibung zwischen den Seiten des Rohrs und dem Wasser (ein dünneres Rohr erzeugt mehr Reibung und verringert die Geschwindigkeit des Wasserflusses, wie ein höherer Widerstand bei elektrischem Strom) fließen).

Das Ohmsche Gesetz ist für die Beschreibung von Stromkreisen von entscheidender Bedeutung, da es die Spannung mit dem Strom in Beziehung setzt, wobei der Widerstandswert die Beziehung zwischen den beiden mildert. Aus diesem Grund können Sie das Ohmsche Gesetz verwenden, um die Strommenge in einem Stromkreis zu steuern, indem Sie Widerstände hinzufügen, um den Stromfluss zu reduzieren, und sie entfernen, um die Strommenge zu erhöhen.

Es kann auch erweitert werden, um die elektrische Leistung (die Geschwindigkeit des Energieflusses pro Sekunde) zu beschreiben, da Leistung P = IV, und damit können Sie sicherstellen, dass Ihr Stromkreis genügend Energie für beispielsweise ein 60-Watt-Gerät liefert.

Für Physikstudenten ist das Wichtigste am Ohmschen Gesetz, dass es die Analyse von Schaltplänen ermöglicht, insbesondere wenn man es mit den darauf folgenden Kirchhoffschen Gesetzen kombiniert.

Das Spannungsgesetz von Kirchhoff besagt, dass der Spannungsabfall um jede geschlossene Schleife in einem Stromkreis immer gleich Null ist, und die Das Stromgesetz besagt, dass die Strommenge, die in eine Verbindung oder einen Knoten in einem Stromkreis fließt, gleich der Menge ist, die heraus fließt davon. Sie können das Ohmsche Gesetz insbesondere mit dem Spannungsgesetz verwenden, um den Spannungsabfall an jeder Komponente einer Schaltung zu berechnen, was ein häufiges Problem im Elektronikunterricht ist.

Sie können das Ohmsche Gesetz verwenden, um jede unbekannte Größe der drei zu finden, vorausgesetzt, Sie kennen die anderen beiden Größen für den betreffenden Stromkreis. Das Durcharbeiten einiger grundlegender Beispiele zeigt Ihnen, wie dies geht.

Stellen Sie sich zunächst vor, Sie haben eine 9-Volt-Batterie an einen Stromkreis mit einem Gesamtwiderstand von 18 angeschlossen. Wie viel Strom fließt beim Anschließen der Schaltung? Indem Sie das Ohmsche Gesetz neu anordnen (oder ein Dreieck verwenden), können Sie Folgendes finden:

Es fließen also 0,5 Ampere Strom durch den Stromkreis. Stellen Sie sich nun vor, dass dies die perfekte Strommenge für eine Komponente ist, die Sie mit Strom versorgen möchten, aber Sie haben nur eine 12-V-Batterie. Wie viel Widerstand sollten Sie hinzufügen, um sicherzustellen, dass die Komponente die optimale Strommenge erhält? Auch hier können Sie das Ohmsche Gesetz neu anordnen und lösen, um die Antwort zu finden:

Sie benötigen also einen 24-Ω-Widerstand, um Ihre Schaltung zu vervollständigen. Wie groß ist schließlich der Spannungsabfall an einem 5-Ω-Widerstand in einem Stromkreis, durch den 2 A Strom fließt? Diesmal funktioniert die Standardform des Gesetzes V = IR einwandfrei:

Sie können das Ohmsche Gesetz in einer Vielzahl von Situationen anwenden, aber es gibt Einschränkungen in seiner Gültigkeit – es ist kein wirklich grundlegendes Gesetz der Physik. Das Gesetz beschreibt eine lineare Beziehung zwischen Spannung und Strom, die jedoch nur gilt, wenn der Widerstand oder das ohmsche Schaltungselement, mit dem Sie arbeiten, hat einen konstanten Widerstand unter verschiedenen StromspannungVund aktuellichWerte.

Materialien, die dieser Regel gehorchen, werden als ohmsche Widerstände bezeichnet, und obwohl die meisten physikalischen Probleme ohmsche Widerstände betreffen, werden Sie viele nicht-ohmsche Widerstände aus Ihrem täglichen Leben kennen.

Eine Glühbirne ist ein perfektes Beispiel für einen nicht-ohmschen Widerstand. Wenn Sie ein Diagramm von erstellenVvs.ichbei ohmschen Widerständen zeigt es eine vollständig geradlinige Beziehung, aber wenn Sie dies für etwas wie eine Glühbirne tun, ändert sich die Situation. Wenn sich der Glühfaden in der Glühbirne erwärmt, erhöht sich der Widerstand der Glühbirnesteigt, was bedeutet, dass der Graph eher eine Kurve als eine gerade Linie wird und das Ohmsche Gesetz nicht gilt.