Ohmsches Gesetz: Grundprinzip der Elektrotechnik
Das Ohmsche Gesetz ist ein grundlegendes Prinzip in der Elektrotechnik, das die Beziehung zwischen elektrischem Strom, Spannung und Widerstand beschreibt. Dieses Gesetz kann auf drei Arten formuliert werden:
1. Angewandte Spannung
Die angewandte Spannung entspricht dem Produkt aus dem Strom in einem Stromkreis und dem Widerstand dieses Kreises. Mathematisch wird dieses Konzept durch die Gleichung V = I × R dargestellt, wobei V die Spannung in Volt, I der Strom in Ampere und R der Widerstand in Ohm ist.
2. Stromstärke
Die Stromstärke ist gleich der angewandten Spannung geteilt durch den Widerstand des Stromkreises. Diese Beziehung wird durch die Gleichung I = V / R ausgedrückt.
3. Widerstand
Der Widerstand eines Stromkreises entspricht der angewandten Spannung geteilt durch den Strom im Stromkreis. Diese Beziehung wird durch die Gleichung R (oder Ω) = V / I repräsentiert.
Anwendung des Ohmschen Gesetzes
Das Ohmsche Gesetz wird in vielen praktischen Anwendungen eingesetzt, unter anderem:
Schaltungsentwurf: Das Gesetz hilft Ingenieuren, die richtigen Werte für Widerstände, Kondensatoren und andere Komponenten zu bestimmen, um die gewünschten Strom- und Spannungsebenen zu erreichen.
Elektrische Sicherheit: Bei der Konstruktion von Sicherheitssystemen wie Sicherungen und Leitungsschutzschaltern wird das Ohmsche Gesetz verwendet, um den Stromkreis bei Überschreitung eines bestimmten Stromniveaus zu unterbrechen.
Leistungsverteilung: Für die Berechnung der in einem Stromkreis dissipierten Leistung ist das Ohmsche Gesetz von Bedeutung. So können Ingenieure den Stromverbrauch eines Stromkreises berechnen und die richtige Größe von Kabeln, Transformatoren und anderen Komponenten für eine effiziente Leistungsverteilung bestimmen.
Elektronik-Fehlerbehebung: Das Ohmsche Gesetz wird auch zur Fehlerbehebung in elektronischen Geräten verwendet. Durch Messen von Spannung und Strom in einem Stromkreis können Ingenieure den Widerstand des Stromkreises bestimmen und fehlerhafte Komponenten oder Verbindungen identifizieren.
Theorie des Ohmschen Gesetzes
Auf mikroskopischer Ebene kann das Ohmsche Gesetz durch das Verhalten von Elektronen in einem Leiter erklärt werden. In einem Leiter, wie einem Metallkabel, gibt es freie Elektronen, die sich durch das Material bewegen können. Diese Elektronen kollidieren mit den Atomen des Leiters, was einen Widerstand gegen ihre Bewegung erzeugt.
Wenn eine Spannung über einen Leiter angelegt wird, entsteht ein elektrisches Feld, das die freien Elektronen in eine bestimmte Richtung bewegt. Die Elektronen erfahren eine Kraft durch dieses elektrische Feld, was sie beschleunigt und durch den Leiter bewegt. Diese Bewegung ist jedoch nicht geradlinig, sondern erfolgt aufgrund von Kollisionen mit den Atomen des Leiters in einer zufälligen Bewegung. Dies erzeugt Widerstand gegen den Fluss der Elektronen und führt dazu, dass ein Teil der Energie des elektrischen Feldes in Wärme umgewandelt wird.
Ohmsches Gesetz – Hydraulische Analogie
Die hydraulische Analogie ist ein nützliches Werkzeug für die Vermittlung elektronischer Konzepte. In dieser Analogie wird elektrischer Strom mit dem Fluss von Wasser verglichen. Die Spannung entspricht dem Druckunterschied, der Wasser durch einen Schlauch drückt. Der Strom ist vergleichbar mit der hydraulischen Durchflussrate, also der Menge des über Zeit fließenden Wassers. Der Widerstand wird durch den Durchmesser des Rohrs oder Hindernisse im Schlauch dargestellt, die den Wasserfluss verlangsamen.
Beispiele für das Ohmsche Gesetz
Hier sind zwei Beispiele für Berechnungen mit dem Ohmschen Gesetz:
Beispiel 1: Ein Stromkreis hat einen Widerstand von 10 Ohm und eine Spannung von 20 Volt. Um den Strom durch den Kreis zu berechnen, verwenden wir die Formel I = V / R. Eingesetzt ergibt sich: I = 20 V / 10 Ω = 2 A. Der Strom durch den Kreis beträgt also 2 Ampere.
Beispiel 2: Ein Stromkreis hat einen Strom von 0,5 Ampere und einen Widerstand von 100 Ohm. Um die Spannung über den Kreis zu berechnen, verwenden wir die Formel V = I × R. Eingesetzt ergibt sich: V = 0,5 A × 100 Ω = 50 V. Die Spannung über den Kreis beträgt also 50 Volt.
