Ohms lov forklaret: Spænding, strøm og LED-modstande

Tre størrelser, der beskriver alle kredsløb

Elektrisk ladning, der bevæger sig gennem en leder, kaldes strøm. Der skal være noget, der får den til at bevæge sig, og det noget er spænding. Der er også noget, der står i vejen, og det er modstand.

• Spænding (V), målt i volt, er den energi, der gives til hver ladningsenhed, når den passerer en kilde som f.eks. et batteri. Det er skubbet.
• Strøm (I), målt i ampere (A), er den ladningsmængde, der passerer et punkt hvert sekund. Det er strømningen.
• Modstand (R), målt i ohm (Ω), fortæller, hvor kraftigt en komponent modarbejder denne strømning.

En sammenligning med vand hjælper i starten: spænding er som tryk, strøm er som flowraten gennem et rør, og modstand er som en smal del af et rør. Som alle sammenligninger har den sine grænser, men den giver en god fornemmelse af, hvordan de tre størrelser afhænger af hinanden.

En bemærkning om sikkerhedens omfang: Alt her handler om lavspændingskredsløb på størrelse med batterikredsløb. Elektricitet fra elnettet i hjemmet er farlig og er ikke noget, man skal eksperimentere med, så denne guide og laboratoriet kommer aldrig ind på det.

Ohms lov: én ligning, tre svar

For mange almindelige modstande vil en fordobling af spændingen over dem fordoble strømmen gennem dem. Denne lineære sammenhæng er Ohms lov:

V = I × R

Omformet besvarer den tre forskellige spørgsmål:

• Skal du finde spændingen? V = I × R
• Skal du finde strømmen? I = V / R
• Skal du finde modstanden? R = V / I

Et hurtigt eksempel: Et 9 V-batteri over en modstand på 450 Ω giver I = 9 / 450 = 0.02 A, hvilket er 20 milliampere. Hvis du ændrer et af de tre tal, følger de andre med.

Ohms lov beskriver en bestemt type komponent, der kaldes en ohmsk modstand, under nogenlunde konstante forhold. Nogle komponenter følger ikke loven, og en af dem er LED'en, som vi ser på om lidt.

Læs tallene: milliampere, kiloohm og farvebånd

Rigtige kredsløb bruger præfikser hele tiden. 1 mA er en tusindedel af en ampere. 1 kΩ er tusind ohm. Det er meget almindeligt at blande enheder sammen, når man bruger V = I × R, så omregn først: 20 mA bliver til 0,02 A, før du dividerer.

Små modstande har en række malede bånd i stedet for trykte tal. I den almindelige model med fire bånd er de første to bånd cifre, det tredje er en multiplikator, og det fjerde er tolerancen, som fortæller, hvor meget den faktiske værdi må afvige. Brun, sort, rød læses for eksempel som 1, 0 og derefter ×100, hvilket giver 1 kΩ.

Du behøver ikke lære hele koden udenad på den første dag. Det fungerer bedre at aflæse nogle få modstande i laboratoriet, indtil du forstår mønsteret, end at bruge en tabel.

Hvorfor en LED ikke kan tilsluttes direkte til et batteri

En almindelig modstand lader strømmen stige jævnt, når spændingen stiger. Det gør en LED (lysdiode) ikke. Under en bestemt spænding, som kaldes dens fremadspænding, leder den næsten ingen strøm. Lige over denne spænding stiger strømmen meget stejlt ved selv en ganske lille ekstra spænding.

Derfor er en LED, der er tilsluttet direkte til et batteri, et sats: Batteriet bliver ved med at presse strøm igennem, strømmen bliver langt større, end LED'en er bygget til, og LED'en kan gå i stykker næsten med det samme. LED'en har ingen indbygget måde at sige "nok" på.

Løsningen er at tilføje en strømbegrænsende modstand i serie. Fordi den samme strøm skal løbe gennem begge dele, optager modstanden den spænding, som LED'en ikke har brug for, og begrænser gennem Ohms lov strømmen.

Valg af modstand: et gennemregnet eksempel

Antag, at en rød LED har en fremadspænding på cirka 2 V, og at du ønsker cirka 15 mA gennem den fra en 5 V-forsyning.

1. Find den spænding, der er tilbage til modstanden: 5 V − 2 V = 3 V.
2. Divider med den strøm, du ønsker: R = 3 / 0.015 = 200 Ω.
3. Vælg den nærmeste standardværdi, som ikke er mindre, for eksempel 220 Ω. Strømmen ender med at være en smule lavere, og LED'en lyser lidt svagere, hvilket er den sikre retning at afvige i.

Vi kan også spørge, hvor meget effekt modstanden skal håndtere. Effekt er P = V × I, så 3 V × 0.015 A = 0.045 W, hvilket er langt inden for mærkedataaet for en lille modstand.

Tjek altid LED'ens egne data for dens fremadspænding og anbefalede strøm. Tallene ovenfor er typiske, men ikke universelle.

Fejl, du bør undgå

• Glemme at omregne enheder. Milliampere og kiloohm skal omregnes til ampere og ohm, før du dividerer.
• Sætte modstanden parallelt. For at strømbegrænsningen virker, skal modstanden være i serie i samme kredsløb som LED'en.
• Vende LED'en forkert. En LED leder kun strøm i én retning. Hvis den forbliver slukket, så prøv at vende den, før du giver matematikken skylden.
• Behandle Ohms lov som universel. Den gælder for modstande, ikke for alle dele i kredsløbet.
• Tænke, at "mindre modstand er sikrere". For en LED er det modsatte tilfældet: En mindre modstand lader mere strøm passere.

Sådan udforsker du det i laboratoriet

Elektronik- og Arduino-laboratoriet lader dig bygge og måle disse kredsløb uden hardware. En god rækkefølge gennem den gratis første verden er:

1. Begynd med Spænding, strøm og modstand for at skelne mellem de tre idéer.
2. Test ligningen i Ohms lov i praksis, og øv derefter de tre omskrivninger i Omskrivning af Ohms lov.
3. Se på, hvordan en LED opfører sig i LED'en.
4. Beskyt den med Strømbegrænsende modstande.
5. Slut af med Effekt og watt for at se, hvor meget varme modstanden håndterer.

Laboratoriet er en forenklet undervisningsmodel med ideelle komponenter, så virkelige komponenter vil afvige en smule i detaljerne. Brug kun batterier med lav spænding og strømforsyninger på USB-niveau til dine egne eksperimenter.