Ohmsches Gesetz Leitfaden

PhysikAnfängerLesezeit: 3 Min

Übersicht

Das Ohmsche Gesetz ist die Grundlage der Schaltungsanalyse und beschreibt die quantitative Beziehung zwischen Strom, Spannung und Widerstand in einem Leiter. Durch diese interaktive Simulation wirst du die Formel $V = IR$ persönlich verifizieren und erforschen, wie Spannung und Widerstand gemeinsam die Stromstärke bestimmen.

Hintergrund

Im Jahr 1826 entdeckte der deutsche Physiker Georg Simon Ohm diese grundlegende quantitative Beziehung durch umfangreiche Experimente. Obwohl seine Erkenntnisse zunächst ignoriert wurden, erwiesen sie sich später als einer der wichtigsten Grundsteine der Elektrotechnik. Das Ohmsche Gesetz gilt nicht nur für einzelne Widerstände, sondern dient auch als Ausgangspunkt für die Analyse komplexer Schaltungsnetzwerke.

Schlüsselkonzepte

Spannung ( $V$ )

V \text{ (Volt, V)}

Der 'Druck', der Ladungen zum Fließen bringt, bereitgestellt durch eine Energiequelle. Eine höhere Spannung liefert mehr Antriebskraft für die Ladungsbewegung. In Schaltplänen wird sie typischerweise durch Batterien dargestellt.

Widerstand ( $R$ )

R \; (\Omega)

Der Widerstand, den ein Leiter dem Stromfluss entgegensetzt. Der Widerstand wird durch das Material, die Länge und die Querschnittsfläche des Leiters bestimmt und ändert sich nicht mit der Spannung.

Stromstärke ( $I$ )

I \text{ (Ampere, A)}

Die Ladungsmenge, die pro Zeiteinheit durch den Querschnitt eines Leiters fließt. Die Stromrichtung ist als die Richtung der Bewegung positiver Ladungen definiert. In der Simulation wird dies durch die Fließgeschwindigkeit der Lichtpunkte dargestellt.

Formeln & Herleitung

Ohmsches Gesetz

I = \frac{V}{R}

Die Stromstärke in einem Leiter ist direkt proportional zur anliegenden Spannung und umgekehrt proportional zu seinem Widerstand. Diese Formel gilt nur für lineare Widerstände.

Abgeleitete Formeln

V = IR \quad \text{oder} \quad R = \frac{V}{I}

Gegeben zwei beliebige Parameter, kann der dritte berechnet werden. Hinweis:

R = V/I

wird nur zur Berechnung des Widerstandswerts verwendet; der Widerstand selbst ändert sich nicht mit der Spannung.

Experimentier-Schritte

1
Erkundung der Beziehung Stromstärke-Spannung
Halte den Widerstandsschieber bei $500\Omega$ konstant. Erhöhe die Spannung schrittweise von $1.5V$ auf $9.0V$ . Beobachte den Trend der Stromstärke ( $I$ ) im Datenpanel. Du wirst feststellen: Wenn der Widerstand konstant ist, gilt: Je höher die Spannung, desto ____ ist die Stromstärke? (Hinweis: Notiere die Werte bei verschiedenen Spannungen und prüfe, ob sie proportional sind).
2
Erkundung der Beziehung Stromstärke-Widerstand
Halte die Spannung bei $4.5V$ konstant. Erhöhe den Widerstand von $100\Omega$ auf $2000\Omega$ . Achte auf die Geschwindigkeit der blauen Punkte im Stromkreis. Du wirst feststellen: Wenn die Spannung konstant ist, gilt: Je höher der Widerstand, desto ____ ist die Stromstärke? (Hinweis: Wenn sich der Widerstand verdoppelt, was passiert mit der Stromstärke?).
3
Beobachtung von Extremfällen
Versuche, die Spannung auf das Maximum ( $9.0V$ ) und den Widerstand auf das Minimum ( $100\Omega$ ) einzustellen. Beachte die Warnung 'Hohe Stromstärke'. Wenn die Stromstärke $25mA$ überschreitet, können Komponenten in realen Schaltkreisen aufgrund schneller Wärmeentwicklung beschädigt werden.
4
Änderung der Flussrichtung
Schalte die Taste 'Flussrichtung' um, um den Unterschied zwischen 'Konventioneller Stromrichtung' und 'Elektronenfluss' zu sehen. Überlegung: Warum verwenden wir in der Schaltungsanalyse üblicherweise die Richtung von Plus nach Minus?

Lernergebnisse

Das Ohmsche Gesetz und seine physikalische Bedeutung genau verstehen und formulieren können
Die Methode der Variablenkontrolle sicher anwenden können, um elektrische Experimente zu entwerfen und durchzuführen
Die Anwendung von $V=IR$ und den abgeleiteten Formeln in der grundlegenden Schaltungsanalyse beherrschen
Wissenschaftliches Denken durch die Vorhersage von Experimentaldaten basierend auf physikalischen Gesetzen entwickeln

Praxisanwendungen

Haushaltsgeräte: Dimmer oder Lautstärkeregler passen die Stromstärke durch Ändern eines variablen Widerstands an.
Schaltungssicherheit: Sicherungen sind basierend auf der Wärmewirkung des Stroms konzipiert und brennen automatisch durch, wenn die Stromstärke zu hoch wird (bestimmt durch $V/R$ ).
Sensortechnik: Drucksensoren in elektronischen Waagen funktionieren durch Änderung des Widerstands infolge von Verformung.
Schnellladen: Mobilgeräte erhalten eine höhere Stromstärke ( $I$ ) und Leistung ( $P$ ), indem sie die Ladespannung ( $V$ ) erhöhen, wenn der Widerstand ( $R$ ) begrenzt ist.
Multimeter-Messung: Verwendet eine bekannte interne Spannung und die gemessene Stromstärke, um einen unbekannten Widerstand zu berechnen.

Häufige Irrtümer

Irrtum

Der Widerstand hängt von Spannung und Stromstärke ab (

R = V/I

, also ändert sich R, wenn sich V ändert).

Richtig

Der Widerstand ist eine intrinsische Eigenschaft des Leiters, wie die Körpergröße einer Person; er ändert sich nicht damit, wie schnell man rennt (Stromstärke) oder wie stark man geschoben wird (Spannung). Die Formel

R = V/I

bietet lediglich eine Möglichkeit, den Widerstand zu messen.

Irrtum

Solange Spannung vorhanden ist, muss auch Strom fließen.

Richtig

Nicht ganz. Genauso wie Wasserdruck existiert, auch wenn der Wasserhahn geschlossen ist. Strom erfordert: 1. Spannung (Energiequelle); 2. Einen geschlossenen Stromkreis.

Weiterführende Literatur

Wikipedia - Ohm's Law

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