Elektrischer Strom fließt durch eine Glühbirne. Thurtell / iStock
Der elektrische Strom, der die Ventilatoren und Wasserkocher in unseren Häusern antreibt, richtet sich nach dem Ohmschen Gesetz, einer Grundregel des elektrischen Flusses, die von gegeben wurde. Georg Ohm im Jahr 1827 . Die breite Anwendbarkeit dieses Gesetzes kann durch die Tatsache verstanden werden, dass es, obwohl es vor fast 200 Jahren formuliert wurde, bis heute gilt und für fast alle von uns in unserem täglichen Leben relevant ist.
Unabhängig davon, ob Sie Ihre Raumheizung einschalten oder Ihr Bügeleisen auf Baumwolle einstellen, das Ohmsche Gesetz ermöglicht es Ihnen, den gewünschten Stromfluss für Ihre genauen Anforderungen zu erreichen. In der Welt der Physik wird dieses Gesetz berücksichtigteine wichtige und wichtige Methode, um die Menge an elektrischem Strom zu bestimmen, die durch einen Leiter fließt.
Was ist das Ohmsche Gesetz?
Das Ohmsche Gesetz erklärt die Beziehung zwischen Strom, Spannung und Widerstand. Es besagt, dass unter konstanten Temperatur- und physikalischen Bedingungen die Menge des elektrischen Stroms I durch einen Metallleiter in einem Stromkreis direkt proportional zur Spannung V ist. Ohm drückte diese Entdeckung in Form einer einfachen Gleichung aus, die beschreibt, wie Spannung, Strom und Widerstand zusammenhängen :
V ∝ I
V = IR
I = V / R oder R = V / I
Hier ist V = Spannung Volt,
I = Strom Ampere
und R = Widerstand Ohm
Dieses Gesetz kann leicht mit der Analogie von verstanden werden Beobachtung des Wasserflusses durch ein Rohr. Wenn mehr Wasserdruck angelegt wird, tritt mehr Wasser aus dem Rohr aus. Wenn bei einem bestimmten Widerstandswert mehr Spannung an einen Leiter angelegt wird, fließt mehr Strom. Das Ohmsche Gesetz bedeutet auch, dass, wennWenn wir die Werte von zwei beliebigen Werten für Spannung, Strom oder Widerstand in einem Stromkreis kennen, können wir den dritten bestimmen.
Ableiten des Ohmschen Gesetzes aus dem Drude-Modell
Im Jahr 1900 kam Paul Drude mit dem Drude-Modell was die Erklärung der Bewegung von Elektronen in einem Festkörper wie einem Metall vereinfacht. Das Modell verwendete klassische Mechanik, um den Festkörper als feste Anordnung von Kernen in einem "Meer" ungebundener Elektronen zu behandeln, und die kinetische Theorie der Gase zur Abschätzung der Driftgeschwindigkeit.
Drude verwendete die folgende Formel, um die durchschnittliche Driftgeschwindigkeit von Elektronen zu berechnen und die Leitfähigkeit einer Reihe nichtvalenter Metalle zu approximieren :
p = −eEτ
Hier ist p = durchschnittlicher Impuls
−e = Ladung des Elektrons
τ = durchschnittliche Zeit zwischen dem
Die Stromdichte erwies sich als direkt proportional zum elektrischen Feld, da sowohl die Stromdichte als auch der Impuls proportional zur Driftgeschwindigkeit waren. Durch Anwendung des Ohmschen Gesetzes auf sein Modell der Elektronenbewegung konnte Drude Modelle erstellen, die die elektronischen Transporteigenschaften von Metallen vorhersagen.
Die Geschichte hinter dem Ohmschen Gesetz
1827 wurde das Ohmsche Gesetz in Georg Ohms Buch eingeführt Die galvanische Kette, mathematisch ausgearbeitet , aber obwohl dieses Gesetz für die Physik der Elektrizität so grundlegend ist, wurde es von anderen Wissenschaftlern und Kritikern zu dieser Zeit nicht gut aufgenommen. Der damalige deutsche Bildungsminister berücksichtigt Georg Ohms Ergebnisse als Häresien und sagte das, " ... ein Physiker, der sich zu solchen Häresien bekannte, war es nicht wert, Wissenschaft zu unterrichten. "
In den folgenden Jahren lebte Ohm in Armut und unterrichtete privat in Berlin, bis er 1833 zum Direktor der Polytechnischen Schule in Nürnberg ernannt wurde. 1841 erkannte die Royal Society in London die Bedeutung seiner Entdeckung an und verlieh ihm den CopleyMedaille. Im folgenden Jahr nahmen sie ihn als Mitglied auf.
1849, nur 5 Jahre vor seinem Tod, wurde Ohms Lebenstraum verwirklicht, als er eine Professur für Experimentalphysik an der Universität München erhielt.
Das Ohmsche Gesetz wurde weithin akzeptiert und erwies sich neben der Wissenschaft der Elektrizität auch als nützlich. Anwendungen für den Entwurf eines Telegraphensystems im Vergleich zum vorherigen Gesetz von Peter Barlow der zuvor fälschlicherweise zu dem Schluss gekommen war, dass die Strommenge proportional zur Querschnittsfläche des Leiters war.
Sogar die modernen Theorien, die Elektromagnetismus und elektrische Schaltkreise definieren, stimmen mit dem Ohmschen Gesetz überein. Überraschenderweise das Gesetz funktioniert sogar auf atomarer Ebene; elektrischer Strom durch Siliziumdrähte aus 5 Atomen fließt immer noch nach der im Ohmschen Gesetz angegebenen Beziehung.
Aktuelle Trends
Die von Georg Ohm abgeleiteten Gesetze sind immer noch Gegenstand von Diskussionen und Experimenten unter Wissenschaftlern auf der ganzen Welt. Jedes Jahr werden zahlreiche Forschungsarbeiten durchgeführt, die entweder von Ohms Prinzipien inspiriert sind oder versuchen, ihrer Wirkung zu entkommen.
2019 ein Experiment wurde durchgeführt von Forschern der University of California, Berkeley, zur Verbesserung der Ionenleitung in Lithium-Ionen-Batterien. In diesem Experiment wurde eine aktualisierte Version des Ohmschen Gesetzes zur Analyse der Strommenge durch binäre Elektrolyte vorgeschlagen, bei der ein Gleichstrompotential zum Antreiben verwendet wurdeStrom.
Dieses Experiment wurde durchgeführt, um die Lithium-Ionen-Batterietechnologie voranzutreiben, die die aktuelle Generation von Elektrofahrzeugen, Laptops, Smartphones, Luft- und Raumfahrtgeräten und sogar einige militärische Technologien antreibt.
Im Mai 2020 ein weiteres so interessantes Experiment wurde von einer Gruppe von Wissenschaftlern der Graduiertenuniversität des Okinawa-Instituts für Wissenschaft und Technologie OIST durchgeführt.
Während das Ohmsche Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der Elektronen bei gleicher Verteilung des Widerstands auf zwei Pfade gleichmäßig auf dieselben Pfade verteilt, führte die Quantendynamik-Einheit am OIST Experimente durch, um Abweichungen in der Bewegung von Elektronen festzustellen, wenn sie sich in Flüssigkeit statt in Flüssigkeit befindenfestes Medium.
Die von den Wissenschaftlern der Quantum Dynamics Unit durchgeführten Experimente enthüllten einige aufregende Details zum Verhalten von Riplopolarons in schwerer Flüssigkeit eingeschlossene Elektronen und stellten fest, dass in bestimmten Situationen die Bewegungen der Elektronen eher der Impulserhaltung als der Ohmschen folgtenGesetz.
Interessante Fakten zum Ohmschen Gesetz
Die Anwendung des Ohmschen Gesetzes basierend auf V = IR ist nur auf Stromkreise mit Gleichstrom DC beschränkt und funktioniert nicht, wenn Wechselstrom AC durch den Stromkreis fließt.
Dieses Gesetz bezieht sich auch auf das Design und die Funktionsweise moderner elektronischer Geräte wie Smartphones, Laptops und Ladegeräte, die mit Gleichstrom betrieben werden. Es ermöglicht Ingenieuren, eine ausreichende Stromversorgung über diese Geräte zu berechnen.
Die Widerstandseinheit wird nach Georg Ohm als Ohm Ω bezeichnet. zu Ehren seiner Beiträge auf dem Gebiet der Physik.
Dieses populäre Gesetz der Physik soll zuerst vom englischen Physiker entdeckt worden sein Henry Cavendish der seine wissenschaftlichen Erkenntnisse über elektrischen Strom nie veröffentlicht hat. Später, als Ohm seine eigenen Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen Spannung und Strom durchführte, stieß er auf ähnliche Entdeckungen und veröffentlichte das Gesetz unter seinem Namen.
Ein Gleichstrom-Amperemeter zur Messung des Gleichstromwerts über ein Gleichstromgerät folgt ebenfalls diesem Gesetz.
Sicherungen und Widerstände, die den Stromfluss behindern und als Sicherheitskomponenten in elektronischen Geräten dienen, funktionieren gemäß den im Ohmschen Gesetz genannten Formeln.