Veranderingen in de natuur ondervinden tegenwerking of wrijving, denk aan luchtweerstand bij fietsen. Dat geldt ook voor een elektrische stroom, daar noemen we dit de elektrische weerstand en de formule waarmee we die kunnen berekenen heet de wet van Ohm.
De wet van Ohm
Wat hierboven staat is een formulering uit de losse pols die is bedoeld om een idee te krijgen waar het om gaat. We kunnen ook veel preciezer zijn.
De wet van Ohm luidt: ‘De stroomsterkte door een geleider is recht evenredig met het potentiaalverschil tussen de uiteinden. (bron: Wikimedia).
Dit betekent dat de verhouding (anders gezegd het quotiënt) van spanning en stroomsterkte constant is. Deze constante noemen we de weerstand van de geleider. Deze weerstand is een materiaaleigenschap, een uniek kenmerk van bijvoorbeeld een metaal. Het is niet de spanning die de weerstand bepaalt, maar het materiaal waar de stroom doorheen loopt.
Deze woorden kunnen we kort noteren in een formule, die luidt U = I • R
Hierin is I de gemeten stroomsterkte in een materiaal, aangegeven in de eenheid Ampère (A), en U de aangelegde spanning in Volt (V). De evenredigheidconstante R is dan dus de weerstand, met als eenheid Ohm, aangegeven met een omega Ω. En deze R geeft aan hoeveel moeite de stroom moet doen om door het materiaal te komen.
We kunnen de wet van Ohm ook grafisch weergeven, zoals in figuur 1. Volt (de spanning) duwt of stuwt de stroom vooruit, Ohm (de weerstand) probeert dat te voorkomen en Amp is uiteindelijk de stroom die daaraan ontkomt.
Figuur 1: Cartoon weergave van de wet van Ohm.
Weerstand als component
Weerstand kan ook duiden op een elektrische component, een onderdeel van een schakeling, zie figuur 2. Je kent deze vast wel van practicum. De waarde van de weerstand (in Ohm) kun je aflezen uit de kleurringen. Die vind je in tabel 17a van Binas.
Figuur 2: Weerstanden als elektronisch component, bron Wikimedia.
Niet altijd constant
De waarde van de weerstand R in een materiaal is niet altijd gelijk. Sommige materialen voldoen niet aan de wet van Ohm. Een weerstaand gemaakt van zulke materialen noemen we een niet-Ohmse weerstand. Dit in tegenstelling tot Ohmse weerstanden, zoals die in figuur 2, die hebben wel een vaste waarde. Een zeer bekend voorbeeld van een niet-ohmse weerstand vind je in een gloeilamp. Als daar een grote stroom doorheen loopt zal hij warmer worden (het is immers een gloeilamp) en bij die hoge temperatuur is de weerstand van het spiraaldraadje groter. Strikt genomen is de weerstand in een materiaal nooit constant, want hij is altijd afhankelijk van de temperatuur van het materiaal. In materialen waar bijvoorbeeld die kleurrijke componenten van figuur 2 van gemaakt worden, is de variatie echter klein genoeg om de waarde van R in goede benadering als constant te beschouwen.
Ook voor niet-ohmse weerstanden kun je de formule I= U • R gebruiken, nu alleen niet als de wet van Ohm, maar als de formule van Ohm. Die bepaalt nu op ieder moment de waarde van de variabele weerstand en is niet langer de altijd gelijkblijvende weerstand.
Er zijn nog meer oorzaken van verandering van weerstand in een materiaal, zoals druk en licht. Hierop zijn specifieke sensoren gebaseerd. Bijvoorbeeld een LDR. Deze afkorting staat voor light dependent resistor, oftewel een lichtafhankelijke weerstand. De hoeveelheid licht die erop valt, bepaalt hoe groot de weerstand is.
Empirische wet
De ontdekker van wet over weerstand was Georg Ohm, een onderzoeker die leefde van 1789 tot 1854 in Duitsland, zie figuur 3.
Figuur 3: Georg Simon Ohm, Duits natuurkundige. Bron: Wikimedia.
Ohm vermoedde dat een elektrische stroom afhangt van het soort materiaal, net als een warmtestroom niet alleen bepaald werd door een temperatuurverschil maar ook door het soort materiaal. Hij deed veel experimenten met stroom door draden van verschillende lengtes, diameters en materialen. En daaruit leidde hij de wet af. Het is dus een wet die ontstaan is door metingen en niet door de wiskundige afleiding, dat noemen we een emprische wet. Empirisch betekent uit onderzoek.
Geleiding
Nog een leuk feitje. We werken ook veel met het begrip geleiding, dat het omgekeerde is van weerstand. Ook in formule: G = 1/R. Hoe groter dit getal, hoe makkelijker de stroom door de weerstand kan. De eenheid van geleiding is tegenwoordig de Siemens, maar oorspronkelijk heette die Mho, wat het omgekeerde van Ohm is. Grappig toch?