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

Elektriske kredsløb er allestedsnærværende i vores daglige liv. Fra de komplekse integrerede kredsløb, der kontrollerer enheden, som du læser denne artikel til ledningerne, der giver dig mulighed for at tænde og slukke en pære i dit hus, ville hele dit liv være radikalt anderledes, hvis du ikke var omgivet af kredsløb overalt du går.

Men de fleste mennesker lærer ikke rigtig den fede, hvordan kredsløb fungerer og de ret enkle ligninger - som Ohms lov - der forklarer forholdet mellem nøglekoncepter som elektrisk modstand, spænding og elektrisk strøm. Men at gå lidt dybere ned i elektronikens fysik kan give dig en meget dybere indsigt i de grundlæggende regler, der ligger til grund for mest moderne teknologi.
Hvad er Ohms lov?

Ohms lov er en af de vigtigste ligninger når det kommer til forståelse af elektriske kredsløb, men hvis du skal forstå det, har du brug for et godt greb om de grundlæggende koncepter, det forbinder: spænding
, nuværende
og

Spænding er den mest almindeligt anvendte betegnelse for den elektriske potentialeforskel mellem to punkter, og den giver "push", der tillader elektrisk ladning for at bevæge sig rundt i en ledende sløjfe.

Elektrisk potentiale er en form for potentiel energi, ligesom gravitationspotentialenergi, og det er defineret som den elektriske potentielle energi pr. SI-enheden for spænding er volt (V) og 1 V \u003d 1 J /C eller en joule energi pr. Coulomb ladning. Det kaldes undertiden også elektromotorisk kraft
eller EMF.

Elektrisk strøm er strømningshastigheden for elektrisk ladning forbi et givet punkt i et kredsløb, som har SI-enheden i amperen (A) , hvor 1 A \u003d 1 C /s (en coulomb ladning pr. sekund). Det kommer i form af jævnstrøm (vekselstrøm) og vekselstrøm (vekselstrøm), og selvom jævnstrøm er enklere, bruges vekslingskredsløb til at levere strøm til de fleste husstande rundt om i verden, fordi det er lettere og sikrere at transmittere over lange afstande. >

Det sidste koncept, du har brug for at forstå, før Ohms lov bliver håndteret, er modstand, som er et mål for modstanden mod strømmen i et kredsløb. SI-enheden for modstand er ohm (der bruger det græske bogstav omega, Ω), hvor 1 Ω \u003d 1 V /A.
Ohms lovligning

Den tyske fysiker Georg Ohm beskrev forholdet mellem spænding , strøm og modstand i hans eponyme ligning. Ohms lovformel er:
V \u003d IR

hvor V
er spændingen eller potentialforskellen, I
er mængden af strøm og modstand R
er den endelige mængde.

Ligningen kan omarrangeres på en enkel måde for at fremstille en formel til beregning af strøm baseret på spænding og modstand eller modstand baseret på strømmen og spændingen. Hvis du ikke har det godt med at omarrangere ligninger, kan du slå en Ohms lovtrekant op (se Ressourcer), men det er helt ligetil for enhver, der er bekendt med de grundlæggende regler for algebra.

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

Du kan bruge vandstrømningsanalogien til at huske de vigtigste punkter, der er baseret på et rør med den ene ende øverst på en bakke og den ene ende i bunden. Spændingen er som højden af bakken (en stejlere, højere bakke betyder mere spænding), den nuværende strømning er som vandstrømmen (vand flyder hurtigere ned ad en stejlere bakke) og modstand er som friktionen mellem siderne af røret og vandet (et tyndere rør skaber mere friktion og reducerer hastigheden på vandstrømmen, ligesom en højere modstand gør for strømstrømmen.) Hvorfor er Ohms lov vigtig?

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

Det kan også udvides til at beskrive elektrisk strøm (energiflowhastigheden pr. sekund), fordi strømmen P \u003d IV, og så du kan bruge den til at sikre, at dit kredsløb giver energi nok til, for eksempel, et 60-watt apparat.

For fysikstuderende , den vigtigste ting ved Ohms lov er, at den 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 ethvert lukket sløjfe i et kredsløb er altid lig med nul, og den gældende lov angiver, at mængden af strøm, der strømmer ind i et kryds eller knudepunkt i et kredsløb, er lig med den mængde, der flyder 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, der opstår i elektronikklasser.
Ohms loveksempler

Du kan bruge Ohms lov for at finde en ukendt mængde af de tre, forudsat at du kender de to andre mængder til det pågældende elektriske kredsløb. At arbejde gennem nogle grundlæggende eksempler viser dig, hvordan det 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 tilslutter kredsløbet? Ved at omarrangere Ohms lov (eller bruge en trekant) kan du finde:
\\ begynde {justeret} I & \u003d \\ frac {V} {R} \\\\ & \u003d \\ frac {9 \\ text {V}} {18 \\ text {Ω}} \\\\ & \u003d 0.5 \\ text {A} \\ end {alignet}

Så 0,5 ampere strøm strømmer rundt i kredsløbet. Forestil dig nu, at dette er den perfekte strømmængde for en komponent, du vil tænde, men at du kun har et 12-V batteri. Hvor meget modstand skal du tilføje for at sikre, at komponenten får den optimale strømmængde? Igen kan du omarrangere Ohms lov og løse den for at finde svaret:
\\ begynde {justeret} R & \u003d \\ frac {V} {I} \\\\ & \u003d \\ frac {12 \\ text {V}} {0.5 \\ text {A}} \\\\ & \u003d 24 \\ text {Ω} \\ end {alignet}

Så du har brug for en 24-Ω modstand for at afslutte dit kredsløb. Endelig, hvad er spændingsfaldet over en 5-Ω modstand i et kredsløb med 2 A strøm, der strømmer gennem den? Denne gang fungerer lovens standard V \u003d IR-form fint:
\\ begynde {justert} V & \u003d IR \\\\ & \u003d 2 \\ tekst {A} × 5 \\ tekst {Ω} \\\\ & \u003d 10 \\ tekst {V} \\ ende {justeret} Ohmiske og ikke-ohmiske modstande

Du kan bruge Ohms lov i en lang række situationer, men der er begrænsninger for dens gyldighed - det er ikke en sand grundlæggende lov i fysik. Loven beskriver et lineært forhold mellem spænding og strøm, men dette forhold gælder kun, hvis den modstand eller det resistive kredsløbselement, du arbejder med, har en konstant modstand under forskellig spænding V
og strøm I
værdier.

Materialer, der overholder denne regel kaldes ohmiske modstande, og selvom de fleste fysikproblemer vil involvere ohmiske modstande, vil du kende mange ikke-ohmiske modstande fra dit daglige liv.

En pære er et perfekt eksempel på en ikke-ohmisk modstand. Når du laver en graf over V
vs. I
for ohmiske modstande, viser det et fuldstændigt retlinjet forhold, men hvis du gør dette for noget som en pære, ændrer situationen sig . Når glødetråden i pæren opvarmes, øges pærens modstand
, hvilket betyder, at grafen bliver en kurve snarere end en lige linje, og Ohms lov finder ikke anvendelse.