Ohmin laki – jännite, virta ja resistanssi: määritelmä ja kaavat
Ohmin laki selitetty selkeästi: mitä jännite, virta ja resistanssi ovat sekä kaavat (V=IR, I=V/R, R=V/I). Helppo opas laskuihin ja käytännön esimerkkeihin.
Ohmin lain mukaan sähköpiirissä vastuksen läpi kahden pisteen välillä kulkeva virta on yhteydessä näiden kahden pisteen väliseen jännite-eroon ja näiden kahden pisteen väliseen sähkövastukseen. Laki on nimetty saksalaisen tutkijan Georg Ohmin mukaan. Se kuvaa lineaarista suhdetta jännitteen, virran ja resistanssin välillä ideaalitilanteessa, jossa johtimen fysikaaliset olosuhteet ja lämpötila pysyvät vakiona.
Esimerkki) R = V I {\displaystyle R={\frac {V}{I}}}} 
Kaavassa I on virta ampeereina (A), V on potentiaaliero voltteina (V) ja R on ohmeina mitattu vakio, jota kutsutaan resistanssiksi (Ω). Yksinkertaisesti: suurempi jännite antaa suuremman virran samalla resistanssilla, ja suurempi resistanssi pienentää virtaa samalla jännitteellä.
Virta on suoraan verrannollinen jännitehäviöön vastuksen läpi. Toisin sanoen, jos virta kaksinkertaistuu, niin myös jännite kaksinkertaistuu (olettaen, että resistanssi pysyy samana). Jotta virta kulkisi vastuksen läpi, vastuksen yli on oltava jännite. Ohmin laki osoittaa jännitteen (V), virran (I) ja vastuksen (R) välisen suhteen. Se voidaan kirjoittaa kolmella tavalla:
I = V R tai V = I R tai R = V I {\displaystyle I={\frac {V}{R}}\quad {\text{or}}\quad V=IR\quad {\text{or}}\quad R={\frac {V}{I}}} 
.
Soveltuvuus ja rajoitukset
Ohmin laki pätee lineaarisille (ohmisille) materiaaleille, joissa resistanssi on vakio olosuhteiden puitteissa. Monilla materiaaleilla ja komponenteilla resistanssi kuitenkin muuttuu esimerkiksi lämpötilan, valon tai jännitteen mukaan. Tällaisia eivät ole esimerkiksi diodit, transistorit tai muut puolijohdekomponentit — niitä kutsutaan ei-ohmisiksi.
Ohmin laki on makrotason laki eli se kuvaa kokonaiskäyttäytymistä. Mikroskooppisella tasolla johtimessa liikkuvien elektronien vuorovaikutukset, diffuusio ja materiaalin rakenne selittävät resistiivisuuden, mutta periaate I = V/R pätee käytännössä monissa sähkö- ja elektroniikkalaskelmissa.
Esimerkki laskusta
Jos tiedät jännitteen ja resistanssin, virta voidaan laskea muotoa I = V / R. Esimerkiksi jännite V = 12 V ja resistanssi R = 4 Ω antavat virran:
- I = 12 V / 4 Ω = 3 A.
Vastaavasti, jos tiedetään virta ja resistanssi, jännite saadaan V = I·R. Jos I = 2 A ja R = 10 Ω, niin V = 20 V.
Teho (P)
Sähkönsiirrossa kiinnostaa usein myös teho, joka kulutetaan komponentissa. Teho P on jännitteen ja virran tulo:
- P = V·I
- käyttäen Ohmin lakia voidaan johtaa myös P = I^2·R ja P = V^2 / R
Esimerkki: jos V = 12 V ja R = 4 Ω, niin I = 3 A ja P = V·I = 12 V · 3 A = 36 W.
Sarja- ja rinnankytkentä
Useita vastuksia yhdistettäessä kokonaisresistanssi määräytyy kytkennän mukaan:
- Sarjakytkennässä: R_yht = R1 + R2 + ... + Rn.
- Rinnankytkennässä: 1 / R_yht = 1 / R1 + 1 / R2 + ... + 1 / Rn.
Näitä kaavoja käytetään usein, kun lasketaan jännite- ja virtajakautumia piireissä Ohmin lain avulla.
Mittaaminen ja merkintätavat
Virtaa mitataan ampeerimittarilla (ammeter), jännitettä voltimittarilla (voltmeter) ja resistanssia yleismittarilla (ohmimittaus). Mittausperiaatteet huomioivat usein mittalaitteen sisäisen resistanssin: voltimittari liitetään piiriin rinnan mitattavan kohteen kanssa (suuri sisäinen resistanssi), ampeerimittari sarjaan (pieni sisäinen resistanssi).
Lisäksi on hyvä huomioida passiivinen merkintätapa (passive sign convention): jännite- ja virta-arvoilla on merkitystä sähkön tehon laskemisessa (esimerkiksi, voiko komponentti luovuttaa vai vastaanottaa tehoa).
Yhteenveto
- Ohmin laki antaa peruskaavat: I = V / R, V = I·R ja R = V / I.
- Se pätee parhaiten ohmisille materiaaleille ja tilanteissa, joissa olosuhteet (esim. lämpötila) pysyvät vakiona.
- Tehoa lasketaan kaavoilla P = V·I = I^2·R = V^2 / R.
- Monissa käytännön sovelluksissa on huomioitava komponenttien ei-lineaarisuus ja lämpötilariippuvuus.
Ohmin laki on perustyökalu sähkötekniikassa ja elektroniikassa — sen avulla voidaan analysoida piirejä, mitoittaa komponentteja ja ymmärtää, miten jännite, virta ja resistanssi vaikuttavat toisiinsa käytännössä.
Virta, jännite ja vastus
Jännite
Jännite on se, kuinka paljon energiaa on piirin kahden pisteen välillä. Näillä kahdella pisteellä on erilaiset varaukset, toinen on korkeampi ja toinen matalampi. Näiden kahden latauspisteen välinen ero on se, miten mittaamme jännitteen. Yksikkö "voltti" on ensimmäisen kemiallisen pariston luoneen italialaisen fyysikon Alessandro Voltan nimi. V-kirjain tarkoittaa jännitettä.
Nykyinen
Virta on se, kuinka nopeasti varaus virtaa. Mitä suurempi varaus, sitä nopeampi virta. Virta liittyy virtapiirissä virtaaviin elektroneihin. Virta mittaa, kuinka nopeasti elektronit kulkevat. Virran yksikkö on "ampeeri", ja yleensä ihminen kirjoittaa sen muodossa "ampeeria". Kirjain "I" voi edustaa virtaa.
Vastus
Resistanssi kertoo, kuinka paljon piiri vastustaa varauksen virtausta. Näin varmistetaan, ettei varaus virtaa liian nopeasti ja vahingoita komponentteja. Piirissä hehkulamppu voi olla vastus. Jos elektronit virtaavat hehkulampun läpi, hehkulamppu syttyy. Jos vastus on suuri, lamppu himmenee. Vastuksen yksikkö on "Ω", jota kutsutaan nimellä omega ja lausutaan "ohm", se on Ohmin lain keksijän nimi.
Miten virta, jännite ja vastus liittyvät toisiinsa?
Virta, jännite ja resistanssi liittyvät toisiinsa, mitä kutsutaan "Ohmin laiksi". Ohm määrittelee resistanssin yksiköksi "1 Ohm" resistanssiksi kahden pisteen välillä johtimessa, jossa 1 voltin käyttö työntää 1 ampeerin tai 6,241×10^18 elektronia.
Etsi kaikki piirin arvot
Esimerkiksi tiedemies tietää, että jännitteen arvo on 20V. Vastus tiedetään, joka hehkulampussa on 10 Ω. Nyt on löydettävä toinen tuntematon muuttuja, joka on virta. Sen ratkaisemiseen voidaan käyttää Ohmin lain kaavaa. Kun tiedetään kaksi muuttujaa, V (jännite) ja R (vastus), jäljelle jää vain I (virta).
20V= 10Ω * I
I = 2A
Ongelmassa tutkija saa aina riittävästi tietoa ratkaistakseen muut arvot, ainoa asia, joka tutkijan on painettava mieleen, on Ohmin lain kaava. Sitten sitä käytetään sen kanssa, mitä on annettu, tuntemattoman osan ratkaisemiseksi. Yllä olevassa esimerkissä virta on 2 ampeeria.
Kysymyksiä ja vastauksia
K: Mikä on Ohmin laki?
A: Ohmin lain mukaan sähköpiirissä vastuksen läpi kulkeva virta on riippuvainen jännite-erosta ja vastuksen kahden puolen välisestä sähkövastuksesta, kunhan johtimen fysikaaliset olosuhteet ja lämpötila pysyvät vakiona.
K: Miten Ohmin laki voidaan kirjoittaa?
V: Ohmin laki voidaan kirjoittaa kolmella tavalla riippuen siitä, mikä muuttuja on sijoitettu yhtäsuuruusmerkin vasemmalle puolelle: I = V/R, V = IR tai R = V/I.
K: Mitä tarkoittaa I?
V: I tarkoittaa virtaa ampeereina.
K: Mitä tarkoittaa V?
V: V tarkoittaa potentiaalieroa voltteina.
K: Mitä tarkoittaa R?
V: R tarkoittaa resistanssia, joka mitataan ohmeina.
Etsiä