Das Ohm’sche Gesetz – Spannung, Strom und Widerstand

Grundlagen der Elektrizität – Das Ohm’sche Gesetz

Wenn Sie beginnen, die Welt der Elektrizität und Elektronik zu erforschen, ist es wichtig, zunächst die Grundlagen von Spannung, Strom und Widerstand zu verstehen.

Dies sind die drei grundlegenden Bausteine, die für die Manipulation und Nutzung von Strom erforderlich sind. Zu Beginn können diese Konzepte schwer zu verstehen sein, weil wir sie nicht „sehen“ können. Man kann mit bloßem Auge nicht erkennen, welche Energie durch einen Draht fließt oder welche Spannung eine Batterie hat, welche man in der Hand hält. Selbst der Blitz am Himmel ist, obwohl sichtbar, nicht der Energieaustausch zwischen den Wolken zur Erde, sondern eine Reaktion in der Luft auf die Energie, die durch sie hindurchgeht.

Um diesen Energietransfer zu erkennen, müssen wir Messgeräte wie Multimeter, Spektrumanalysatoren und Oszilloskope verwenden, um zu visualisieren, was mit der Ladung in einem System geschieht.

Aber keine Angst, dieses Tutorial wird Ihnen das grundlegende Verständnis von Spannung, Strom und Widerstand vermitteln und wie diese drei miteinander agieren.

Elektrische Aufladung

Elektrizität ist die Bewegung von Elektronen. Elektronen erzeugen Ladung, die wir nutzen können, um verschiedene Dinge zu tun. Ihre Glühbirne, Ihre Stereoanlage, Ihr Telefon usw. nutzen die Bewegung der Elektronen, um zu funktionieren. Sie alle arbeiten mit der gleichen grundlegenden Energiequelle: der Bewegung von Elektronen.

Die drei Grundprinzipien dieses Tutorials lassen sich anhand von Elektronen erklären, genauer gesagt, der von ihnen erzeugten Ladung:

• Die Spannung ist die Ladungsdifferenz zwischen zwei Punkten.
• Der Strom ist die Geschwindigkeit, mit der die Ladung fließt.
• Der Widerstand ist die Tendenz eines Materials, dem Ladungsfluss (Strom) zu widerstehen.

Wenn wir also über diese Werte sprechen, beschreiben wir die Bewegung der Ladung und damit das Verhalten von Elektronen. Ein Stromkreis ist ein geschlossener Kreislauf, der es ermöglicht, dass sich die Ladung von einem Ort zum anderen bewegt. Komponenten in der Schaltung ermöglichen es uns, diese Ladung zu kontrollieren und damit zu arbeiten.

Georg Ohm war ein bayrischer Wissenschaftler, der die Elektrizität studierte und der „Erfinder“ des Ohm’sche Gesetz.
Ohm beginnt mit der Beschreibung einer Widerstandseinheit, die durch Strom und Spannung definiert ist.

Fangen wir also mit der Spannung an und arbeiten uns weiter vor!

Spannung / Volt

Wir definieren Spannung als die Menge der potentiellen Energie zwischen zwei Punkten in einer Schaltung. Ein Punkt hat mehr Ladung als ein anderer. Diese Ladungsdifferenz zwischen den beiden Punkten wird als Spannung bezeichnet. Sie wird in Volt gemessen, was technisch gesehen die potenzielle Energiedifferenz zwischen zwei Punkten ist, die einem Joule Energie pro durchströmender Ladung verleiht (keine Panik, wenn dies noch keinen Sinn ergibt, das kommt alles noch).

Die Einheit „Volt“ ist nach dem italienischen Physiker Alessandro Volta benannt, der die erste chemische Batterie erfunden hat. Die Spannung wird in Gleichungen und Schaltplänen durch den Buchstaben „V“ dargestellt.

Bei der Beschreibung von Spannung, Strom und Widerstand ist eine gängige Analogie ein Wassertank. In dieser Analogie wird die Ladung durch die Wassermenge, die Spannung durch den Wasserdruck und der Strom durch den Wasserstrom dargestellt.

Also  denken Sie daran:

• Wasser = Ladung
• Druck = Spannung
• Durchfluss = Strom

Betrachten Sie einen Wassertank in einer bestimmten Höhe über dem Boden. Am Boden dieses Tanks befindet sich ein Ablauf.
Der Druck am Ende des Auslaufes kann eine Spannung darstellen. Das Wasser im Tank stellt die Ladung dar.
Je mehr Wasser im Tank, desto höher die Ladung, desto mehr Druck wird am Ende des Ablaufes gemessen!

Wir können uns diesen Tank als Batterie vorstellen, als einen Ort, an dem wir eine bestimmte Menge an Energie speichern und dann wieder abgeben. Wenn wir unseren Tank um eine bestimmte Menge entleeren, sinkt der am Ende des Ablaufes erzeugte Druck. Wir können uns das als abnehmende Spannung vorstellen, wie wenn eine Taschenlampe beim Entladen der Batterien gedimmt wird. Auch wird die Wassermenge, welche durch den Ablauf fließt reduziert. Weniger Druck bedeutet, dass weniger Wasser fließt, was uns zum Strom führt.

Stromstärke / Ampere

Wir können uns die Wassermenge, die durch den Abfluss aus dem Tank fließt, als Strom vorstellen. Je höher der Druck, desto höher der Durchfluss und umgekehrt. Mit Wasser würden wir das Volumen des Wassers messen, das über einen bestimmten Zeitraum durch den Abfluss fließt. Mit Strom messen wir die Menge der Ladung, die über einen bestimmten Zeitraum durch den Stromkreis fließt.

Der Strom wird in Ampere gemessen. Ein Ampere ist definiert als 6,241*1018 Elektronen (1 Coulomb) pro Sekunde, die durch einen Punkt in einer Schaltung laufen.
Ampere werden in Gleichungen durch den Buchstaben „I“ dargestellt.

Nehmen wir an, wir haben zwei Tanks und jeder hat einem Abfluss am unteren Ende. Jeder Tank hat genau die gleiche Wassermenge, aber der Abfluss an einem Tank ist schmaler als der Abfluss an dem anderen.

Diese beiden Tanks erzeugen unterschiedliche Drücke.

Wir messen den gleichen Druck am Ende eines der beiden Abflüsse, aber wenn das Wasser zu fließen beginnt, ist der Durchfluss des Wassers im Tank mit dem schmaleren Abfluss geringer als der Durchfluss des Wassers im Tank mit dem breiteren Abfluss. Elektrisch gesehen ist der Strom durch den schmaleren Abfluss geringer als der Strom durch den breiteren Abfluss. Wenn wir wollen, dass der Durchfluss durch beide Abflüsse gleich ist, müssen wir die Wassermenge (Ladung) im Tank mit dem schmaleren Abfluss erhöhen.

Diese beiden Tanks erzeugen den gleichen Druck.

Dadurch erhöht sich der Druck (Spannung) am Ende des schmaleren Abflusses und es wird mehr Wasser durch den Tank gedrückt. Dies ist analog zu einem Spannungsanstieg, der einen Stromanstieg verursacht.

Jetzt beginnen wir, den Zusammenhang zwischen Spannung und Strom zu erkennen. Aber es gibt noch einen dritten Faktor, welcher hier zu berücksichtigen ist: die Breite des Abflusses. In dieser Analogie ist die Breite des Abflusses der Widerstand. Das bedeutet, dass wir unserem Modell einen weiteren Begriff hinzufügen müssen:

• Wasser = Ladung (gemessen in Coulombs)
• Druck = Spannung (gemessen in Volt)
• Fluss = Strom (gemessen in Ampere, kurz „Ampere“)
• Abflussbreite = Widerstand

Widerstand / Ohm

Betrachten Sie noch einmal unsere beiden Wassertanks, einen mit einem schmalen Abfluss und einen mit einem breiten Abfluss.

Der Tank mit dem schmalen Abfluss erzeugt einen höheren Widerstand.

Es liegt auf der Hand, dass wir nicht so viel Volumen durch einen schmalen Abfluss pressen können, wie es bei gleichem Druck in einem breiteren Abfluss der Fall wäre. Das ist Widerstand.
Das schmale Rohr „widersteht“ dem Durchfluss von Wasser, obwohl das Wasser den gleichen Druck hat wie der Tank mit dem breiteren Rohr.

Elektrisch gesehen wird dies durch zwei Stromkreise mit gleichen Spannungen und unterschiedlichen Widerständen dargestellt. Die Schaltung mit dem höheren Widerstand lässt weniger Ladung fließen, was bedeutet, dass die Schaltung mit dem höheren Widerstand weniger Strom durchfließen lässt.

Das bringt uns nun zurück zu Georg Ohm. Ohm definiert die Widerstandseinheit von „1 Ohm“ als den Widerstand zwischen zwei Punkten in einem Leiter, bei dem eine Spannung von 1 Volt 1 Ampere oder 6,241×1018 Elektronen bewegt. Dieser Wert wird in der Regel im Schaltplan mit dem griechischen Buchstaben „Ω“, der Omega genannt wird, dargestellt.

Das Ohm’sche Gesetz

Durch die Kombination von Spannung, Strom und Widerstand entwickelte Ohm die Formel:

Es gilt:
V = Spannung in Volt
I = Stromstärke in Ampere
R = Widerstand in Ohm

Das nennt man Ohm’sches Gesetz. Nehmen wir zum Beispiel an, dass wir eine Schaltung mit dem Potential von 1 Volt, einem Strom von 1 Ampere und einem Widerstand von 1 Ohm haben. Mit dem Ohmschen Gesetz können wir sagen:

Nehmen wir an, dies repräsentiert unseren Tank mit einem breiten Abfluss. Die Wassermenge im Tank ist als 1 Volt und die „Enge“ (Strömungswiderstand) des Abflusses als 1 Ohm definiert. Mithilfe des Ohm’schen Gesetzes ergibt sich ein Fluss (Strom) von 1 Ampere.

In dieser Analogie betrachten wir nun den Tank mit dem schmalen Abfluss. Da der Schlauch schmaler ist, ist auch sein Strömungswiderstand höher. Definieren wir diesen Widerstand als 2 Ohm. Die Wassermenge im Tank ist dann die gleiche wie beim anderen Tank, sodass unsere Gleichung für den Tank mit dem schmalen Abfluss nach dem Ohm’schen Gesetz lautet:

Aber was ist die Stromstärke? Da der Widerstand größer ist und die Spannung gleich ist, ergibt sich ein Stromwert von 0,5 Ampere:

Jetzt können wir sehen, dass wenn wir zwei der Werte für das Ohmsche Gesetz kennen, wir den dritten Wert berechnen können.

In einem anderen Artikel haben wir ein anschauliches Experiment zum Ohm’schen Gesetzt beschrieben. Schau Dir dieses an um das soeben Gelernte zu vertiefen!