Ohms lag: Hur den fungerar (Formel och Ohms lags triangel)

Electrical4u

Fält: Grundläggande elteknik

China

Vad är Ohms lag?

Ohms lag säger att den elektriska strömmen som flödar genom en ledare är proportionell mot spänningsfallet (spänningen) mellan dess ändar, under förutsättning att de fysiska förhållandena i ledaren inte förändras.

Med andra ord, förhållandet mellan spänningsfallet mellan två punkter i en ledare och strömmen som flödar mellan dem är konstant, om de fysiska förhållandena (till exempel temperatur etc.) inte förändras.

Matematiskt kan Ohms lag uttryckas som,

$\begin{align*} I \propto V \end{align*}$

Genom att införa proportionalitetskonstanten, resistansen R i ovanstående ekvation, får vi,

$\begin{align*} I = \frac{V}{R} \,\, or \,\, V = I * R \end{align*}$

Där,

R är resistansen i ohm ( $\Omega$ ),
I är strömmen genom ledaren i ampere (A),
V är spänningen eller potentialskillnaden mätt över ledaren i volt (V).

Ohms lag gäller både för DC och AC.

Förhållandet mellan potentialskillnaden eller spänningen (V), strömmen (I) och motståndet (R) i en elektrisk krets upptäcktes först av den tyske fysikern George Simon Ohm.

Enheten för motstånd är ohm ( $\Omega$ ) som döpts efter George Simon Ohm.

Hur fungerar Ohms lag?

Enligt definitionen av Ohms lag, är strömmen som flödar genom en ledare eller motståndsdel mellan två punkter direkt proportionell till skillnaden i spänning (eller potentialskillnad) över ledaren eller motståndsdel.

Men… det kan vara lite svårt att förstå.

Så låt oss få ett bättre intuitivt grepp om Ohms lag genom att använda några analogier.

Analogi 1

Fundera på en vattenbehållare placerad vid en viss höjd över marken. Det finns en slang i botten av vattenbehållaren som visas i bilden nedan.

Analogy 1.png

Trycket i pascal vid slangens ände är analogt med spänningen eller potentialskillnaden i en elektrisk krets.
Vattenflödet i liter per sekund är analogt med strömmen i coulomb per sekund i en elektrisk krets.
Hinder för vattenflödet, såsom öppningar i rör mellan två punkter, är analoga med resistorer i en elektrisk krets.

Således är vattenflödet genom ett hinder proportionellt mot skillnaden i vattentryck över hinderet.

På liknande sätt är strömmen genom en ledare eller resistor mellan två punkter i en elektrisk krets direkt proportionell mot skillnaden i spänning eller potentialskillnad över ledaren eller resistorn.

Vi kan också säga att motståndet mot vattenflödet beror på längden av röret, materialen i röret och höjden på behållaren placerad ovanför marken.

Ohms lag fungerar på liknande sätt i en elektrisk krets, där det elektriska motståndet mot strömförsprånget beror på längden av ledaren och materialen i den använda ledaren.

Analogi 2

En enkel analogi mellan en hydraulisk vattencirkel och en elektrisk krets för att beskriva hur Ohms lag fungerar visas i bilden nedan.

Analogy 2.png Analogy 2.2.png

Som visas, om vattentrycket är konstant och hindret ökar (gör det svårare för vattnet att flöda), så minskar vattenflödets hastighet.

På liknande sätt, i en elektrisk krets, om spänningen eller potentialskillnaden är konstant och motståndet ökar (gör det svårare för strömmen att flöda), så minskar strömförsprångets hastighet elektriska laddningen dvs., strömmen minskar.

Om begränsningen av vattenflöde är konstant och pumptrycket ökar, så ökar vattenflödets hastighet.

På samma sätt, i en elektrisk krets, om resistansen är konstant och potentialskillnaden eller spänningen ökar, så ökar strömmens hastighet, dvs. strömmen ökar.

Ohms lag formel

Förhållandet mellan spänning eller potentialskillnad, ström och resistans kan skrivas på tre olika sätt.

Om vi känner till två värden, kan vi beräkna det tredje okända värdet genom att använda Ohms lags förhållande. Därför är Ohms lag mycket användbart i elektronik och elektriska formler och beräkningar.

När en känd ström flödar genom en känd resistans kan spänningsfallet över resistansen beräknas med hjälp av förhållandet

$\begin{align*} V = IR \,\, dvs., \,\, Potentialskillnad = Ström * Resistans \end{align*}$

När en känd spänning appliceras över en känd resistans kan strömmen som flödar genom resistansen beräknas med hjälp av förhållandet

$\begin{align*} I = \frac{V}{R} \,\, i.e., \,\, Current = \frac{Potential \,\, Diffrence}{Resistance} \end{align*}$

När en känd spänning appliceras över en okänd resistans och strömmen som går genom resistansen också är känd, kan värdet av den okända resistansen beräknas med sambandet

$\begin{align*} R = \frac{V}{I} \,\, i.e., \,\, Resistance = \frac{Potential \,\, Diffrence}{Current} \end{align*}$

Ohms lag formel för effekt

Den effekten som överförs är produkten av matningsspänning och elektrisk ström.

Sätt nu $V = I * R$ i ekvation (1) så får vi,

$\begin{equation*} P = IR * I = I^2*R \end{equation*}$

Denna formel är känd som ohmiska förlustformeln eller resistiv uppvärmningsformeln.

Sätt nu in $I = \frac{V}{R}$ i ekvation (1) får vi,

(3) $\begin{equation*} P = V * \frac{V}{R}= \frac{V^2}{R} \end{equation*}$

Från ovanstående relation kan vi bestämma effektavläggning i resistans om antingen spänningen och resistansen eller strömmen och resistansen är kända.

Vi kan också bestämma den okända resistansvärdet genom att använda ovanstående relation om antingen spänningen eller strömmen är känd.

$\begin{align*} R = \frac{V^2}{P} \,\, \& \,\, R = \frac{P}{I^2} \end{align*}$

Om två variabler av effekt, spänning, ström och resistans är kända kan vi med Ohms lag bestämma de andra två variablerna.

$\begin{align*} P = \frac{V^2}{R} \,\,or\,\,R = \frac{V^2}{P} \,\,or\,\, V = \sqrt{PR} \end{align*}$

$\begin{align*} P = {I^2}{R} \,\,or\,\, R = \frac{P}{I^2} \,\,or\,\, I = \sqrt{\frac{P}{R}} \end{align*}$

Ohms lag begränsningar

Några begränsningar för Ohms lag diskuteras nedan.

Ohms lag gäller inte för alla icke-metalliska leder. Till exempel för siliciumkarbid ges förhållandet av $V = KI^m$ där K och m är konstanter och m<1.
Ohms lag gäller inte för följande ickelinjära element.

Motstånd
Kondensator
Halvledare
Vakuumpuber
Elektrolyter
Kolresistorer
Båglampor
Zenerdiod

(Observera att icke-linjära element är de där relationen mellan ström och spänning är icke-linjär, dvs. strömmen är inte exakt proportionell till det applicerade spännet.)

Ohms lag gäller endast för metalliska ledare vid konstant temperatur. Om temperaturen ändras, gäller inte lagen.
Ohms lag gäller heller inte för ensidiga nätverk. Observera att ett ensidigt nätverk innehåller ensidiga komponenter som transistorer, dioder, etc. Ensidiga komponenter är sådana som tillåter strömflöde endast i en riktning.

Ohms lags triangel

De grundläggande formlerna för Ohms lag sammanfattas nedan i Ohms lags triangel.

Ohm’s Law Triangle.png

Övningsproblem för Ohms lag

Exempel 1

Enligt den nedan visade kretsen flödar en ström på 4 A genom en resistans på 15 Ω. Bestäm spänningsfallet över kretsen med hjälp av Ohms lag.

Lösning:

Givna data: $I = 4\,\,A$ och $R = 15\,\,\Omega$

Enligt Ohms lag,

$\begin{align*} \begin{split} V = I * R \\ = 4*15 \\ V = 60 \,\, Volts \end{split} \end{align*}$

Genom att använda Ohms lag ekvation får vi spänningsfallet över kretsen 60 V.

Exempel 2

Som visas i kretsen nedan, tillämpas en spänning på 24 V över motståndet 12 Ω. Bestäm strömmen som flödar genom resistorn med hjälp av Ohms lag.

$\begin{equation*} P = V * I \end{equation*}$

Lösning:

Givna data: $V = 24\,\,V$ och $R = 12\,\,\Omega$

Enligt Ohms lag,

$\begin{align*} \begin{split} I = \frac{V}{R} \\ = \frac{24}{12} \\ I = 2 \,\, A (Ampere) \end{split} \end{align*}$

Således, genom att använda Ohms lag ekvation, får vi strömmen genom resistorn som 2 A.

Exempel 3

Som visas i kretsen nedan, är spänningen 24 V och strömmen genom okänd resistans är 2 A. Bestäm den okända resistansens värde med hjälp av Ohms lag.

Lösning:

Givna data: $V = 24\,\,V$ och $I = 2\,\,A$

Enligt Ohms lag,

$\begin{align*} \begin{split} R = \frac{V}{I} \\ = \frac{24}{2} \\ R = 12 \,\, \Omega \end{split} \end{align*}$

Genom att använda Ohms lag ekvation får vi den okända resistansvärdet $12\,\,\Omega$ .

Tillämpningar av Ohms lag

Några av tillämpningarna av Ohms lag inkluderar:

Att beräkna det okända spänningsfallet eller spänningen, resistansen och strömföret i en elektrisk krets.
Ohms lag används i en elektronisk krets för att fastställa det inre spänningsfallet över de elektroniska komponenterna.
Ohms lag används i mätströmkretsar, särskilt i DC ammeter där ett lågt resistansshunt används för att ledas bort ström.

Källa: Electrical4u

Uttryck: Respektera originaltexten, bra artiklar är värda att dela. Om det finns upphovsrättsoverträdelse kontakta för radering.