La llei d'Ohm és una de les lleis fonamentals de la física i l'enginyeria elèctrica. Va ser formulada pel físic alemany Georg Simon Ohm el 1827 i descriu la relació entre el corrent elèctric, el voltatge i la resistència en un circuit elèctric.
En aquest article abordarem la definició, explicarem la fórmula i explicarem les característiques i conceptes fonamentals relacionats amb aquesta llei.
Definició de la llei d'Ohm
La llei d'Ohm és una llei a l'electricitat que estableix que: “la força d'un corrent continu és directament proporcional a la diferència de potencial i inversament proporcional a la resistència del circuit.”
Fórmula de la llei d'Ohm
En termes matemàtics, la llei d'Ohm s'aplica mitjançant l'equació:
On:
-
R és la resistència elèctrica. Per resistència ens referim a l'obstacle que el corrent troba al seu camí, com més alt sigui, més difícil serà que el corrent el travessi. La unitat de mesura de la resistència són els ohms, simbolitzats per la lletra grega omega (Ω).
-
I és la intensitat d'un corrent elèctric que travessa un conductor expersat a Amperios (A).
-
V és el voltatge. Per voltatge, en canvi, ens referim a la diferència de potencial entre un punt respecte a un altre expressat en Volts (V).
La intensitat de corrent de les càrregues elèctriques és directament proporcional al voltatge aplicat i inversament proporcional a la resistència.
Per al voltatge, en canvi, com més gran sigui, més gran serà la força d'atracció que genera per moure les càrregues, per la qual cosa per al mateix valor resistiu serà directament proporcional al corrent.
Què és el triangle de la llei d'Ohm?
El triangle de la llei d'Ohm és un truc per recordar la fórmula.
Per obtenir la fórmula del triangle hem de tapar amb la mà la variable que volem obtenir. Si els dos elements restants queden un a sobre de l'altre es divideixen, si queden en línia es multipliquen.
Les tres possibles combinacions són:
-
I = V/R
-
V = I · R
-
R= V/I
Components clau de la llei d'Ohm
Per comprendre completament la llei d'Ohm, és essencial analitzar els tres components principals involucrats: voltatge, corrent i resistència.
Voltatge
El voltatge, també conegut com a diferència de potencial o tensió, és la força que impulsa els electrons a moure's a través d'un conductor. És una mesura de lenergia potencial elèctrica per unitat de càrrega.
Quan hi ha una diferència de potencial entre dos punts en un circuit, els electrons flueixen des del punt de més potencial al punt de menor potencial. Aquest flux delectrons és el que anomenem corrent elèctric.
El voltatge es mesura en volts (V), i una manera de visualitzar-ho és pensar en un sistema hidràulic. Si considerem laigua en una canonada, el voltatge seria equivalent a la pressió que empeny laigua a través de la canonada. Com més gran sigui la pressió, més gran serà el flux d'aigua.
Resistència
La resistència és una mesura de loposició al flux de corrent en un conductor. Es mesura en ohms (Ω), i el valor depèn del material, la forma i la temperatura del conductor. Els conductors amb alta resistència dificulten el pas del corrent, mentre que els conductors amb baixa resistència permeten que el corrent flueixi fàcilment.
La resistència està influenciada per factors com ara la longitud i l'àrea transversal del conductor. Segons la llei de resistència dels materials, la resistència és directament proporcional a la longitud del conductor i inversament proporcional a la seva àrea transversal. Els materials conductors, com ara el coure i l'alumini, tenen baixa resistència, mentre que els materials no conductors, com la fusta i el plàstic, tenen alta resistència.
Corrent elèctric
El corrent elèctric és el flux delectrons a través dun conductor. Es mesura en amperes (A), i es pot comparar amb la quantitat d'aigua que flueix a través d'una canonada. En un circuit elèctric, el corrent és el flux net de càrrega mitjançant una àrea transversal del conductor per unitat de temps.
Hi ha dos tipus principals de corrent: corrent continu (CC) i corrent altern (CA). Al corrent continu, els electrons flueixen en una direcció constant, mentre que en el corrent altern, els electrons canvien de direcció periòdicament.
La llei d'Ohm s'aplica als dos tipus de corrent, però en sistemes de corrent altern, factors com la impedància (una combinació de resistència, capacitància i inductància) també tenen un paper important.
Explicació de la llei d'Ohm amb un exemple
Per comprendre millor la llei d'Ohm, recorrerem a un exemple hidràulic simple:
Imaginem-nos una mànega connectada al dipòsit d'un camió de bombers.
-
Voltatge (V). El voltatge equival a la potència de la bomba daigua del camió. La bomba dʻaigua "aplica un voltatge" al circuit.
-
Resistència (R). La resistència del circuit elèctric és equivalent a la resistència que ofereix la mànega (diàmetre). Si la mànega té un diàmetre gran, l'aigua fluirà amb més facilitat que si el diàmetre és petit. A l'exemple del circuit elèctric, el concepte de la resistència és equivalent però s'expressa a Ohmis (Ω).
-
Intensitat de corrent (I). En el nostre exemple, la intensitat és la quantitat de molècules daigua que flueixen per una secció de la mànega per unitat de temps. En un circuit elèctric, l'equivalent de les molècules són les càrregues elèctriques.
En aquest símil, és fàcil comprendre, que si augmentem la capacitat de bomba (voltatge) augmentarà el cabal d'aigua (intensitat). De la mateixa manera, si utilitzem una mànega més petita (més resistència), el cabal també disminuirà.
Limitacions de la llei
Tot i que la Llei d'Ohm és extremadament útil, té algunes limitacions. La limitació principal és que només s'aplica a materials i components que es comporten de manera lineal, és a dir, aquells que tenen una relació lineal entre voltatge i corrent. Aquests materials es denominen "ohmics", i la seva resistència és constant independentment del voltatge i el corrent.
Tot i això, no tots els materials es comporten de manera ohmica. Els semiconductors, com el silici, tenen una relació no lineal entre voltatge i corrent, cosa que significa que la seva resistència canvia amb el voltatge aplicat. Els dispositius com els díodes i els transistors no segueixen la Llei d'Ohm de manera estricta, ja que el comportament és més complex.
A més, en circuits de corrent altern (CA) on hi ha capacitància i inductància, la Llei d'Ohm s'ha de modificar per tenir en compte la impedància, que és l'oposició total al flux de corrent, incloent-hi la resistència, la capacitància i la inductància.
La llei d'Ohm i la potència elèctrica
De vegades es fa servir la fórmula de la potència elèctrica aplicant la llei d'Ohm.
La fórmula de potència és la següent (amb unitat de watts):
P = V · I, (potència = voltatge x corrent)
i les seves variants: V = P / I i I = P/V,
Les dues variants es poden substituir a la fórmula de la llei d'Ohm. Per exemple, si partim de la fórmula per calcular el voltatge i substituïm tenim la fórmula següent:
V = (P / V) · R
Aïllant la potència ens queda de la manera següent:
V² · R = P
Història de la llei d'Ohm
La Llei d'Ohm va ser descoberta i publicada per Georg Simon Ohm al seu llibre Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet el 1827. Encara que el seu descobriment ara és àmpliament reconegut com un avenç fonamental en la física i l'enginyeria elèctrica, en el seu temps no va ser rebut amb tant entusiasme.
Molts científics contemporanis no van comprendre plenament el significat del seu treball, i Ohm no va rebre el reconeixement immediat que es mereixia.
El context històric en què Ohm va formular la seva llei és important per comprendre la magnitud del seu descobriment. A principis del segle XIX, els científics començaven a explorar les propietats de l'electricitat i el magnetisme, però els fonaments d'aquests fenòmens no estaven ben compresos. Les primeres investigacions sobre electricitat estaven en gran mesura centrades en fenòmens electrostàtics (càrregues elèctriques en repòs), i la comprensió del corrent elèctric (càrregues en moviment) era rudimentària.
Ohm va dur a terme una sèrie dexperiments curosos utilitzant filferros conductors i diferents fonts de voltatge per mesurar la relació entre el corrent que fluïa a través dels conductors i el voltatge aplicat. A partir d'aquests experiments, va formular la llei que duu el seu nom, la qual descrivia la relació entre aquests tres elements de manera matemàtica.
Tot i la resistència inicial de la comunitat científica, el treball d'Ohm va establir les bases per al desenvolupament de la teoria elèctrica i va tenir un impacte durador en l'enginyeria i la tecnologia. En reconeixement a les seves contribucions, la unitat de resistència elèctrica al Sistema Internacional d'Unitats (SI) va ser nomenada en honor seu: l'ohmi (Ω).