Ohms lag: Vad är det och varför är det viktigt?

Elektriska kretsar är allmänt förekommande i våra dagliga liv. Från de komplexa integrerade kretsarna som styr enheten du läser den här artikeln till ledningar som gör att du kan växla en glödlampa i ditt hus av och på, hela ditt liv skulle vara radikalt annorlunda om du inte var omgiven av kretsar överallt gå.

Men de flesta människor lär sig inte riktigt det snygga av hur kretsar fungerar och de ganska enkla ekvationerna - som Ohms lag - som förklarar förhållandet mellan nyckelbegrepp som elektrisk motstånd, spänning och elektrisk nuvarande. Att gräva lite djupare in i elektronikens fysik kan dock ge dig en mycket djupare inblick i de kärnregler som ligger till grund för den mest moderna tekniken.

Ohms lag är en av de viktigaste ekvationerna när det gäller att förstå elektriska kretsar, men om du ska förstå det, behöver du ett bra grepp om de grundläggande begreppen den länkar:Spänning​, ​nuvarandeochmotstånd. Ohms lag är helt enkelt ekvationen som beskriver förhållandet mellan dessa tre mängder för de flesta ledare.

Spänning är den vanligaste termen för den elektriska potentialskillnaden mellan två punkter, och den ger "push" som gör att elektrisk laddning kan röra sig runt en ledande slinga.

Elektrisk potential är en form av potentiell energi, som gravitationell potentiell energi, och den definieras som den elektriska potentiella energin per laddningsenhet. SI-enheten för spänning är volt (V), och 1 V = 1 J / C, eller en joule energi per laddning. Ibland kallas det ocksåelektromotorisk krafteller EMF.

Elektrisk ström är flödeshastigheten för elektrisk laddning förbi en given punkt i en krets, som har SI-enheten på ampere (A), där 1 A = 1 C / s (en laddningskolomb per sekund). Den kommer i form av likström (DC) och växelström (AC), och även om DC är enklare är AC-kretsar används för att leverera ström till de flesta hushåll runt om i världen eftersom det är lättare och säkrare att sända över lång tid avstånd.

Det slutliga konceptet du måste förstå innan du tar itu med Ohms lag är motstånd, vilket är ett mått på motståndet mot strömflödet i en krets. SI-enheten för motstånd är ohm (som använder den grekiska bokstaven omega, Ω), där 1 Ω = 1 V / A.

Den tyska fysikern Georg Ohm beskrev förhållandet mellan spänning, ström och motstånd i sin eponyma ekvation. Ohms lagformel är:

varVär spänningen eller potentialskillnaden,Jagär mängden ström och motståndRär den slutliga kvantiteten.

Ekvationen kan ordnas på ett enkelt sätt för att producera en formel för beräkning av ström baserat på spänning och motstånd, eller motstånd baserat på ström och spänning. Om du inte är bekväm med att ordna om ekvationer kan du slå upp en Ohms lagstriangel (se Resurser), men det är ganska enkelt för alla som känner till de grundläggande reglerna för algebra.

Nyckelpunkterna som Ohms lagekvation visar är att spänningen är direkt proportionell mot elektrisk ström (så ju högre är ju högre ström, och den strömmen är omvänt proportionell mot motståndet (så ju högre motstånd, desto lägre nuvarande).

Du kan använda vattenflödesanalogin för att komma ihåg nyckelpunkterna, som är baserade på ett rör med ena änden högst upp på en kulle och en ände längst ner. Spänningen är som höjden på kullen (en brantare, högre kulle betyder mer spänning), strömflödet är som flödet av vatten (vatten rinner snabbare nerför en brantare kulle) och motstånd är som friktionen mellan sidorna av röret och vattnet (ett tunnare rör skapar mer friktion och minskar hastigheten på vattenflödet, som ett högre motstånd gör för elektrisk ström flöde).

Ohms lag är oerhört viktigt för att beskriva elektriska kretsar eftersom den relaterar spänningen till strömmen, med motståndsvärdet som modererar förhållandet mellan de två. På grund av detta kan du använda Ohms lag för att kontrollera mängden ström i en krets, lägga till motstånd för att minska strömflödet och ta bort dem för att öka mängden ström.

Det kan också utvidgas till att beskriva elektrisk kraft (energiflödeshastigheten per sekund), eftersom effekt P = IV, och så kan du använda den för att säkerställa att din krets ger tillräckligt med energi till, till exempel, en 60-watt apparat.

För fysikstudenter är det viktigaste med Ohms lag att den låter dig analysera kretsscheman, särskilt när du kombinerar den med Kirchhoffs lagar, som följer på den.

Kirchhoffs spänningslag säger att spänningsfallet runt en sluten slinga i en krets alltid är lika med noll och nuvarande lag säger att mängden ström som strömmar in i en korsning eller nod i en krets är lika med mängden som strömmar ut av det. Du kan särskilt använda Ohms lag med spänningslagen för att beräkna spänningsfallet över alla komponenter i en krets, vilket är ett vanligt problem i elektronikklasser.

Du kan använda Ohms lag för att hitta någon okänd mängd av de tre, förutsatt att du känner till de andra två kvantiteterna för den elektriska kretsen i fråga. Genom att arbeta igenom några grundläggande exempel visas hur detta görs.

Föreställ dig först att du har ett 9-voltsbatteri anslutet till en krets med ett totalt motstånd på 18 Ω. Hur mycket ström flyter när du ansluter kretsen? Genom att ordna om Ohms lag (eller använda en triangel) kan du hitta:

Så 0,5 ampere ström flyter runt kretsen. Föreställ dig nu att det här är den perfekta strömmen för en komponent du vill driva, men du har bara ett 12-V batteri. Hur mycket motstånd ska du lägga till för att säkerställa att komponenten får den optimala strömmen? Återigen kan du ordna om Ohms lag och lösa den för att hitta svaret:

Så du behöver ett 24-Ω motstånd för att slutföra din krets. Slutligen, vad är spänningsfallet över ett 5-Ω motstånd i en krets med 2 A ström som strömmar genom den? Den här gången fungerar standardformen V = IR av lagen helt bra:

Du kan använda Ohms lag i ett stort antal situationer, men det finns begränsningar för dess giltighet - det är inte en verkligt grundläggande fysiklag. Lagen beskriver ett linjärt förhållande mellan spänning och ström, men detta förhållande gäller bara om motståndet eller det resistiva kretselementet du arbetar med har ett konstant motstånd under olika SpänningVoch nuvarandeJagvärden.

Material som följer denna regel kallas ohmiska motstånd, och även om de flesta fysikproblem kommer att involvera ohmiska motstånd, kommer du att känna till många icke-ohmiska motstånd från ditt dagliga liv.

En glödlampa är ett perfekt exempel på ett icke-ohmiskt motstånd. När du gör ett diagram överVmot.Jagför ohmiska motstånd visar det ett helt rakt förhållande, men om du gör det för något som en glödlampa förändras situationen. När glödtråden i glödlampan värms upp blir lampans motståndökar, vilket innebär att grafen blir en kurva snarare än en rak linje, och Ohms lag gäller inte.