De wet van Ohm: wat is het en waarom is het belangrijk?

Elektrische circuits zijn alomtegenwoordig in ons dagelijks leven. Van de complexe geïntegreerde schakelingen die het apparaat besturen waarop u dit artikel leest tot de bedrading waarmee u een gloeilamp in je huis aan en uit, je hele leven zou radicaal anders zijn als je niet overal omringd was door circuits Gaan.

Maar de meeste mensen leren niet echt de kern van hoe circuits werken en de vrij eenvoudige vergelijkingen - zoals De wet van Ohm - die de relaties tussen belangrijke concepten zoals elektrische weerstand, spanning en elektrisch verklaren actueel. Als u echter wat dieper in de fysica van elektronica duikt, krijgt u een veel dieper inzicht in de kernregels die ten grondslag liggen aan de meeste moderne technologie.

De wet van Ohm is een van de belangrijkste vergelijkingen als het gaat om het begrijpen van elektrische circuits, maar als je het wilt begrijpen, moet je een goed begrip hebben van de basisconcepten die het verbindt:Spanning​, ​actueelenweerstand

Spanning is de meest gebruikte term voor het elektrische potentiaalverschil tussen twee punten, en het zorgt voor de "push" waarmee elektrische lading rond een geleidende lus kan bewegen.

Elektrisch potentieel is een vorm van potentiële energie, zoals zwaartekracht potentiële energie, en het wordt gedefinieerd als de elektrische potentiële energie per eenheid lading. De SI-eenheid voor spanning is de volt (V) en 1 V = 1 J/C, of ​​één joule energie per coulomb lading. Het wordt ook wel eens genoemdelektromotorische krachtof EMV.

Elektrische stroom is de stroomsnelheid van elektrische lading langs een bepaald punt in een circuit, dat de SI-eenheid van de ampère (A) heeft, waarbij 1 A = 1 C/s (één coulomb lading per seconde). Het komt in de vorm van gelijkstroom (DC) en wisselstroom (AC), en hoewel DC eenvoudiger is, zijn AC-circuits gebruikt om stroom te leveren aan de meeste huishoudens over de hele wereld, omdat het gemakkelijker en veiliger is om langdurig te zenden afstanden.

Het laatste concept dat u moet begrijpen voordat u de wet van Ohm aanpakt, is weerstand, wat een maat is voor de weerstand tegen stroom in een circuit. De SI-eenheid voor weerstand is de ohm (die de Griekse letter omega, Ω gebruikt), waarbij 1 Ω = 1 V/A.

De Duitse natuurkundige Georg Ohm beschreef de relatie tussen spanning, stroom en weerstand in zijn gelijknamige vergelijking. De formule van de wet van Ohm is:

waarVis het spannings- of potentiaalverschil,ikis de hoeveelheid stroom en weerstandRis de uiteindelijke hoeveelheid.

De vergelijking kan op een eenvoudige manier worden herschikt om een ​​formule te produceren voor het berekenen van stroom op basis van spanning en weerstand, of weerstand op basis van stroom en spanning. Als u niet vertrouwd bent met het herschikken van vergelijkingen, kunt u een driehoek van de wet van Ohm opzoeken (zie bronnen), maar het is vrij eenvoudig voor iedereen die bekend is met de basisregels van algebra.

De belangrijkste punten die de vergelijking van de wet van Ohm laat zien, zijn dat de spanning recht evenredig is met de elektrische stroom (dus hoe hoger de spanning, hoe hoger de stroom), en die stroom is omgekeerd evenredig met de weerstand (dus hoe hoger de weerstand, hoe lager de actueel).

Je kunt de waterstroom-analogie gebruiken om de belangrijkste punten te onthouden, die gebaseerd is op een pijp met één uiteinde bovenaan een heuvel en één uiteinde onderaan. De spanning is als de hoogte van de heuvel (een steilere, hogere heuvel betekent meer spanning), de stroom is als de stroom van water (water stroomt sneller van een steilere heuvel af) en de weerstand is zoals de wrijving tussen de zijkanten van de pijp en het water (een dunnere pijp zorgt voor meer wrijving en vermindert de snelheid van de waterstroom, zoals een hogere weerstand doet voor elektrische stroom stromen).

De wet van Ohm is van vitaal belang voor het beschrijven van elektrische circuits omdat het de spanning relateert aan de stroom, waarbij de weerstandswaarde de relatie tussen de twee modereert. Daarom kun je de wet van Ohm gebruiken om de hoeveelheid stroom in een circuit te regelen, weerstanden toevoegen om de stroom te verminderen en ze wegnemen om de hoeveelheid stroom te vergroten.

Het kan ook worden uitgebreid om elektrisch vermogen te beschrijven (de snelheid van de energiestroom per seconde), omdat vermogen P = IV, dus je kunt het gebruiken om ervoor te zorgen dat je circuit voldoende energie levert voor bijvoorbeeld een apparaat van 60 watt.

Voor natuurkundestudenten is het belangrijkste van de wet van Ohm dat je hiermee schakelschema's kunt analyseren, vooral als je ze combineert met de wetten van Kirchhoff, die daarop volgen.

De spanningswet van Kirchhoff stelt dat de spanningsval rond een gesloten lus in een circuit altijd gelijk is aan nul, en de de huidige wet stelt dat de hoeveelheid stroom die in een knooppunt of knooppunt in een circuit stroomt, gelijk is aan de hoeveelheid die eruit stroomt ervan. U kunt de wet van Ohm met name met de spanningswet gebruiken om de spanningsval over elk onderdeel van een circuit te berekenen, wat een veel voorkomend probleem is in elektronicaklassen.

U kunt de wet van Ohm gebruiken om elke onbekende hoeveelheid van de drie te vinden, op voorwaarde dat u de andere twee grootheden voor het betreffende elektrische circuit kent. Door enkele basisvoorbeelden te doorlopen, ziet u hoe dit wordt gedaan.

Stel je eerst voor dat je een 9 volt batterij hebt aangesloten op een circuit met een totale weerstand van 18. Hoeveel stroom vloeit er als je de schakeling aansluit? Door de wet van Ohm te herschikken (of een driehoek te gebruiken), kun je het volgende vinden:

Dus 0,5 ampère stroom vloeit door het circuit. Stel je nu voor dat dit de perfecte hoeveelheid stroom is voor een onderdeel dat je wilt voeden, maar je hebt alleen een 12V-batterij. Hoeveel weerstand moet u toevoegen om ervoor te zorgen dat het onderdeel de optimale hoeveelheid stroom krijgt? Nogmaals, je kunt de wet van Ohm herschikken en oplossen om het antwoord te vinden:

Je hebt dus een weerstand van 24 nodig om je circuit te voltooien. Tot slot, wat is de spanningsval over een weerstand van 5 in een circuit waar 2 A stroom doorheen vloeit? Deze keer werkt de standaard V = IR-vorm van de wet prima:

Je kunt de wet van Ohm in een groot aantal situaties gebruiken, maar er zijn beperkingen aan de geldigheid ervan - het is geen echt fundamentele natuurwet. De wet beschrijft een lineaire relatie tussen spanning en stroom, maar deze relatie geldt alleen als de weerstand of het resistieve circuitelement waarmee u werkt, heeft een constante weerstand onder verschillende SpanningVen actueelikwaarden.

Materialen die aan deze regel voldoen, worden ohmse weerstanden genoemd, en hoewel de meeste natuurkundige problemen te maken hebben met ohmse weerstanden, zult u bekend zijn met veel niet-ohmse weerstanden uit uw dagelijkse leven.

Een gloeilamp is een perfect voorbeeld van een niet-ohmse weerstand. Als je een grafiek maakt vanVtegenikvoor ohmse weerstanden vertoont het een volledig rechte lijn, maar als je dit doet voor zoiets als een gloeilamp, verandert de situatie. Naarmate de gloeidraad in de lamp warmer wordt, neemt de weerstand van de lampneemt toe, wat betekent dat de grafiek een curve wordt in plaats van een rechte lijn, en de wet van Ohm is niet van toepassing.