Tensione, corrente, resistenza.
La legge di Ohm è una delle poche equazioni che ingegneri professionisti, hobbisti dell'elettronica e studenti di fisica delle scuole superiori usano a un certo punto nella stessa settimana. Collega le tre quantità che definiscono il comportamento di un semplice circuito elettrico: tensione V (la "pressione" elettrica che spinge gli elettroni), corrente I (il tasso di flusso degli elettroni) e resistenza R (l'opposizione a quel flusso). Conoscendo due, puoi trovare la terza. Questa calcolatrice viene utilizzata per dimensionare resistori di caduta per LED, per verificare se una sezione di cavo può trasportare una determinata corrente senza surriscaldarsi, per calcolare la caduta di tensione su un sensore in un circuito microcontrollore, per stimare la potenza dissipata da un riscaldatore e per mille altri compiti nell'elettronica analogica, nei sistemi automobilistici e nel lavoro con la rete elettrica AC. È il fondamento su cui si basano le leggi di Kirchhoff, gli equivalenti di Thevenin e la maggior parte dei testi di analisi dei circuiti. Nonostante la sua semplicità, sbagliarla è la causa più comune di componenti bruciati nell'elettronica fai-da-te.
La legge di Ohm nella sua forma canonica è:
V = I × R
Si riorganizza in I = V / R e R = V / I a seconda di quali due quantità sono note. La tensione V è in volt (V), la corrente I in ampere (A) e la resistenza R in ohm (Ω). La potenza dissipata nell'elemento resistivo è data da:
P = V × I = I² × R = V² / R
Unità: potenza P in watt (W). Notare che la legge si applica strettamente solo ai materiali ohmici, che includono la maggior parte dei resistori, il filo di rame a temperatura costante e molti circuiti a bassi livelli di segnale. Non si applica senza modifiche ai semiconduttori (diodi, transistor), ai filamenti la cui resistenza cambia con la temperatura, o a qualsiasi elemento non lineare — questi necessitano della propria curva caratteristica.
Il pannello accetta due delle tre quantità: Tensione (V), Corrente (A) e Resistenza (Ω). Lascia vuoto l'incognita e la calcolatrice la deduce dalle altre due utilizzando la riorganizzazione appropriata. Il pannello dei risultati restituisce la quantità mancante più la potenza dissipata dall'elemento — importante perché superare la potenza nominale di un resistore lo fonde. Sono accettati prefissi di unità: "5k" per 5 kΩ, "10m" per 10 mA, "3,3" per 3,3 V.
Vuoi alimentare un tipico LED rosso da 5 mm da una batteria da 9 V. Il LED ha una tensione diretta di 2,0 V alla sua corrente nominale di 20 mA. Il resistore in serie con il LED deve far cadere i restanti 9 − 2 = 7 V a 20 mA. Con R = V / I: R = 7 / 0,020 = 350 Ω. Il valore comune più vicino è 360 Ω o 390 Ω; scegli 390 Ω per essere leggermente al di sotto della corrente nominale, il che estende la vita del LED. Potenza dissipata nel resistore: P = I² × R = (0,020)² × 390 = 0,156 W, ben all'interno della potenza nominale di 0,25 W di un comune resistore da un quarto di watt. Se invece usassi un resistore da 1/8 W, saresti appena entro il suo limite a temperatura ambiente e rischieresti un guasto man mano che il resistore si scalda.
Primo, usare valori DC per analisi AC. L'AC introduce quantità dipendenti dalla frequenza (impedenza, reattanza) che si riducono a semplice resistenza solo a DC o a frequenze molto basse. Secondo, ignorare il coefficiente di temperatura. La resistenza di un filo di rame aumenta di circa lo 0,4% per grado Celsius; un resistore di precisione cambia molto meno. I circuiti caldi deviano. Terzo, superare la potenza nominale del resistore. Un resistore da 1 W che riceve 2 W si scalderà molto, forse oltre i 300 °C, e alla fine carbonizzerà. Controlla sempre I² × R. Quarto, applicare direttamente la legge di Ohm a dispositivi non ohmici come LED o transistor — questi hanno una caduta di tensione diretta indipendente dalla corrente nel loro intervallo operativo. Usa la tensione diretta nominale del LED come costante nel calcolo del circuito, non come se fosse un resistore. Quinto, la trappola matematica con le unità: confondere milliampere con ampere. 100 mA sono 0,100 A, non 100 A, e la differenza tra i due è la differenza tra un circuito funzionante e una breadboard fusa.
Per la DC, la legge di Ohm come enunciata è esatta per qualsiasi conduttore ohmico a temperatura costante. Per l'AC, si generalizza in V = I × Z, dove Z è l'impedenza — un numero complesso che cattura sia la resistenza che la reattanza da induttori e condensatori, e che dipende dalla frequenza. La relazione di fase tra V e I nei circuiti AC — in anticipo, in ritardo o in fase — deriva dal segno della parte immaginaria di Z. Il fattore di potenza nei sistemi industriali trifase è il coseno dell'angolo di fase e conta finanziariamente perché la potenza reattiva costa alla rete ma non viene fatturata come lavoro. A tensioni molto alte o temperature molto basse, i materiali possono diventare non ohmici in modi sorprendenti; la legge di Ohm è uno dei modelli più semplici in fisica e uno dei più facili da infrangere cambiando scala o materiale. Per lavori di elettronica al di sotto di 1 GHz e per l'analisi elettrica quotidiana, la forma semplice qui data è ciò che richiede il 95% dei lavori pratici sui circuiti.