Ohmsches Gesetz – Wie Spannung, Strom und Widerstand zusammenhängen

Die erste und vielleicht wichtigste Beziehung zwischen Strom, Spannung und Widerstand wird als Ohmsches Gesetz bezeichnet, von Georg Simon Ohm entdeckt und 1827 in seinem Artikel The Galvanic Circuit Investigated Mathematics veröffentlicht.

Spannung, Strom und Widerstand

Ein elektrischer Stromkreis wird gebildet, wenn ein leitfähiger Pfad erzeugt wird, um eine kontinuierliche Bewegung der elektrischen Ladung zu ermöglichen. Diese kontinuierliche Bewegung elektrischer Ladung durch die Leiter eines Stromkreises wird als Strom bezeichnet , und es wird oft als "Strömung" bezeichnet, genau wie das Fließen einer Flüssigkeit durch ein hohles Rohr.

Die Kraft, die Ladungsträger dazu bringt, in einem Stromkreis zu „fließen“, wird als Spannung bezeichnet . Spannung ist ein spezifisches Maß für potentielle Energie, das immer relativ zwischen zwei Punkten ist.

Wenn wir von einer bestimmten Spannung in einem Stromkreis sprechen, beziehen wir uns auf die Messung des Potentials Energie existiert, um Ladungsträger von einem bestimmten Punkt in diesem Stromkreis zu einem anderen bestimmten Punkt zu bewegen. Ohne Bezugnahme auf zwei bestimmten Punkten hat der Begriff „Spannung“ keine Bedeutung.

Der Strom neigt dazu, sich mit einem gewissen Grad an Reibung oder Widerstand gegen die Bewegung durch die Leiter zu bewegen. Dieser Widerstand gegen Bewegung wird besser als Widerstand bezeichnet . Die Stromstärke in einem Stromkreis hängt von der Höhe der Spannung und dem Widerstand im Stromkreis ab, um dem Stromfluss entgegenzuwirken.

Ebenso wie die Spannung ist der Widerstand eine relative Größe zwischen zwei Punkten. Aus diesem Grund werden die Größen von Spannung und Widerstand oft als „zwischen“ oder „über“ zwei Punkten in einem Stromkreis angegeben.

Maßeinheiten:Volt, Ampere und Ohm

Um aussagekräftige Aussagen über diese Größen in Kreisläufen machen zu können, müssen wir ihre Größen genauso beschreiben können wie Masse, Temperatur, Volumen, Länge oder jede andere physikalische Größe. Für Masse können wir die Einheiten „Kilogramm“ oder „Gramm“ verwenden.

Für die Temperatur können wir Grad Fahrenheit oder Grad Celsius verwenden. Hier sind die Standardmaßeinheiten für elektrischen Strom, Spannung und Widerstand:

Das für jede Größe angegebene „Symbol“ ist der alphabetische Standardbuchstabe, der verwendet wird, um diese Größe in einer algebraischen Gleichung darzustellen. Standardisierte Buchstaben wie diese sind in den Disziplinen Physik und Ingenieurwissenschaften üblich und international anerkannt.

Die „Einheitenabkürzung“ für jede Größe stellt das alphabetische Symbol dar, das als Kurzbezeichnung für die jeweilige Maßeinheit verwendet wird. Und ja, dieses seltsam aussehende „Hufeisen“-Symbol ist der griechische Großbuchstabe Ω, nur ein Zeichen in einem fremden Alphabet (Entschuldigung an alle griechischen Leser hier).

Jede Maßeinheit ist nach einem berühmten Experimentator der Elektrizität benannt:Der amp nach dem Franzosen Andre M. Ampere, dem Volt nach dem Italiener Alessandro Volta und dem Ohm nach dem Deutschen Georg Simon Ohm.

Das mathematische Symbol für jede Größe ist ebenfalls von Bedeutung. Das „R“ für Widerstand und das „V“ für Spannung sind beide selbsterklärend, während „I“ für Strom etwas seltsam erscheint. Das „I“ soll „Intensität“ (des Ladungsflusses) darstellen, und das andere Symbol für Spannung, „E“, steht für „Elektromotorische Kraft“. Nach meinen Recherchen scheint es einige Meinungsverschiedenheiten über die Bedeutung von „Ich“ zu geben.

Die Symbole "E" und "V" sind größtenteils austauschbar, obwohl einige Texte "E" für die Spannung an einer Quelle (wie eine Batterie oder einen Generator) und "V" für die Spannung an anderen Elementen reservieren.

Alle diese Symbole werden in Großbuchstaben ausgedrückt, außer in Fällen, in denen eine Größe (insbesondere Spannung oder Strom) in Bezug auf einen kurzen Zeitraum (sogenannter „Momentanwert“) beschrieben wird. So wird beispielsweise die über einen langen Zeitraum stabile Spannung einer Batterie mit einem Großbuchstaben „E“ symbolisiert, während die Spannungsspitze eines Blitzeinschlags im Moment, in dem er auf eine Stromleitung trifft, am wahrscheinlichsten wäre mit einem Kleinbuchstaben „e“ (oder Kleinbuchstaben „v“) symbolisiert werden, um diesen Wert als einen einzelnen Zeitpunkt zu kennzeichnen.

Dieselbe Konvention in Kleinbuchstaben gilt auch für Strom, wobei der Kleinbuchstabe „i“ den Strom zu einem bestimmten Zeitpunkt repräsentiert. Die meisten Gleichstrom (DC)-Messungen, die jedoch über die Zeit stabil sind, werden mit Großbuchstaben symbolisiert.

Coulomb und elektrische Ladung

Eine grundlegende Einheit der elektrischen Messung, die zu Beginn von Elektronikkursen oft gelehrt, aber danach selten verwendet wird, ist die Einheit Coulomb , die ein Maß für die elektrische Ladung ist, die proportional zur Anzahl der Elektronen in einem unausgeglichenen Zustand ist. Ein Coulomb Ladung entspricht 6.250.000.000.000.000.000 Elektronen.

Das Symbol für die elektrische Ladungsmenge ist der Großbuchstabe „Q“, wobei die Einheit Coulomb mit dem Großbuchstaben „C“ abgekürzt wird. Es kommt vor, dass die Einheit für den Stromfluss, der Ampere, gleich 1 Coulomb Ladung ist, die in 1 Sekunde an einem bestimmten Punkt in einem Stromkreis vorbeigeht. In diesem Sinne ist Strom die Rate der elektrischen Ladungsbewegung durch einen Dirigenten.

Wie bereits erwähnt, ist Spannung das Maß für potenzielle Energie pro Ladungseinheit verfügbar, um den Stromfluss von einem Punkt zum anderen zu motivieren. Bevor wir genau definieren können, was ein „Volt“ ist, müssen wir verstehen, wie man diese Größe, die wir „potentielle Energie“ nennen, misst. Die allgemeine metrische Einheit für Energie jeglicher Art ist das Joule , gleich der Arbeit, die von einer Kraft von 1 Newton bei einer Bewegung von 1 Meter (in die gleiche Richtung) ausgeführt wird.

In britischen Einheiten ist dies etwas weniger als 3/4 Pfund Kraft, die über eine Distanz von 1 Fuß ausgeübt wird. Allgemein ausgedrückt, es braucht ungefähr 1 Joule Energie, um ein 3/4 Pfund Gewicht 1 Fuß vom Boden zu heben oder etwas mit einer parallelen Zugkraft von 3/4 Pfund über eine Distanz von 1 Fuß zu ziehen. In diesen wissenschaftlichen Begriffen definiert, entspricht 1 Volt 1 Joule elektrischer potentieller Energie pro (dividiert durch) 1 Coulomb Ladung. Somit setzt eine 9-Volt-Batterie 9 Joule Energie für jedes Coulomb Ladung frei, das durch einen Stromkreis bewegt wird.

Es wird sehr wichtig, diese Einheiten und Symbole für elektrische Größen zu kennen, wenn wir beginnen, die Beziehungen zwischen ihnen in Schaltkreisen zu untersuchen.

Die Gleichung des Ohmschen Gesetzes

Ohms wichtigste Entdeckung war, dass die Menge des elektrischen Stroms durch einen Metallleiter in einem Stromkreis bei jeder gegebenen Temperatur direkt proportional zu der an ihm angelegten Spannung ist. Ohm drückte seine Entdeckung in Form einer einfachen Gleichung aus, die beschreibt, wie Spannung, Strom und Widerstand zusammenhängen:

In diesem algebraischen Ausdruck ist die Spannung (E) gleich dem Strom (I) multipliziert mit dem Widerstand (R). Mithilfe von Algebra-Techniken können wir diese Gleichung in zwei Variationen manipulieren und nach I bzw. nach R auflösen:

Einfache Schaltungen mit dem Ohmschen Gesetz analysieren

Sehen wir uns an, wie diese Gleichungen funktionieren könnten, um uns bei der Analyse einfacher Schaltungen zu helfen:

In der obigen Schaltung gibt es nur eine Spannungsquelle (die Batterie links) und nur eine Stromwiderstandsquelle (die Lampe rechts). Dies macht es sehr einfach, das Ohmsche Gesetz anzuwenden. Wenn wir die Werte von zwei beliebigen der drei Größen (Spannung, Strom und Widerstand) in dieser Schaltung kennen, können wir das Ohmsche Gesetz verwenden, um die dritte zu bestimmen.

In diesem ersten Beispiel berechnen wir die Strommenge (I) in einem Stromkreis, gegebene Werte von Spannung (E) und Widerstand (R):

Wie hoch ist der Strom (I) in diesem Stromkreis?

In diesem zweiten Beispiel berechnen wir den Widerstandswert (R) in einem Stromkreis bei gegebenen Werten von Spannung (E) und Strom (I):

Welchen Widerstand (R) bietet die Lampe?

Im letzten Beispiel berechnen wir die von einer Batterie gelieferte Spannung bei gegebenen Werten von Strom (I) und Widerstand (R):

Welche Spannung liefert die Batterie?

Technik des Ohmschen Gesetzesdreiecks

Das Ohmsche Gesetz ist ein sehr einfaches und nützliches Werkzeug zur Analyse elektrischer Schaltungen. Es wird so oft im Studium der Elektrizität und Elektronik verwendet, dass es von ernsthaften Studenten in Erinnerung bleiben muss. Für diejenigen, die sich mit Algebra noch nicht auskennen, gibt es einen Trick, um sich daran zu erinnern, wie man für jede beliebige Menge löst, wenn man die anderen beiden berücksichtigt.

Ordnen Sie zuerst die Buchstaben E, I und R in einem Dreieck wie folgt an:

Wenn Sie E und I kennen und R bestimmen möchten, entfernen Sie einfach R aus dem Bild und sehen Sie, was übrig bleibt:

Wenn Sie E und R kennen und I bestimmen möchten, eliminieren Sie I und sehen Sie, was übrig bleibt:

Wenn Sie schließlich I und R kennen und E bestimmen möchten, eliminieren Sie E und sehen Sie, was übrig ist:

Irgendwann müssen Sie mit Algebra vertraut sein, um Elektrizität und Elektronik ernsthaft zu studieren, aber dieser Tipp kann Ihre ersten Berechnungen ein wenig einfacher machen. Wenn Sie mit Algebra vertraut sind, müssen Sie nur E=IR in den Speicher übernehmen und die anderen beiden Formeln daraus ableiten, wenn Sie sie brauchen!

RÜCKBLICK:

• Spannung wird in Volt gemessen , symbolisiert durch die Buchstaben „E“ oder „V“.
• Strom wird in Ampere gemessen , symbolisiert durch den Buchstaben „I“.
• Widerstand wird in Ohm gemessen , symbolisiert durch den Buchstaben „R“.
• Ohmsches Gesetz:E =IR; ich =E/R; R =E/I

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zum Ohmschen Gesetz
• Arbeitsblatt zur Ohmschen Anwaltspraxis mit Antworten

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