Ohms lov forsøg: mål U og I, tegn grafen og find modstanden

Er forsøget med Ohms lov et elevforsøg?

Ja. Forsøget bruger ingen kemikalier og rammer derfor ikke H-sætningslisten i VEJ 9111 (afsnit 2.2.1); risikoen er fysisk og afhænger af din strømkilde. Afsnit 2.1.2 gælder stadig: skolen skal sørge for, at eleverne kan udføre øvelserne «sikkerheds- og sundhedsmæssigt fuldt forsvarligt i forhold til elevernes alder, indsigt, arbejdsevne og øvrige forudsætninger», og du skal instruere, når eleverne bruger nyt udstyr. Brug kun batterier eller skolens lavspændingsforsyning, aldrig stikkontakten.

Siden har ikke fundet en dansk skolegrænse i volt. Bekendtgørelse om sikkerhed for udførelse og drift af elektriske installationer (BEK nr. 1082 af 12/7/2016) definerer SELV uden en talværdi. Til sammenligning anbefaler den britiske ASE ikke over 40 V på åbne terminaler i skolen og helst 25 V, og Store norske leksikon nævner op til 50 V vekselspænding eller 120 V jævnspænding som ekstra lav spænding. Eksemplet her holder sig til 1-5 V; skolens sikkerhedsansvarlige godkender dit valg. Læs mere under sikkerhed i faglokalet.

Hvad skal du bruge til forsøget med Ohms lov?

Du skal bruge to multimetre, en modstand, en spændingskilde og ledninger. Værdierne nedenfor er et eksempel, som du selv justerer.

• Modstand: eksempel 100 Ω med ±5 % tolerance og mindst 0,5 W, så eksemplets 5 V er sikre. Det er en E24-værdi; E12-serien har ±10 % (Wikipedia). 5 V over 100 Ω giver 0,25 W (0,26 W ved 95 Ω), så en 0,25 W-modstand er for svag. Med en modstand på 0,6 W er grænsen U = √(0,6 W · 100 Ω) ≈ 7,7 V (beregnet).
• Spændingskilde: en lavspændingsforsyning, eller 1-3 batterier i serie (4 batterier giver ca. 6 V, og det er 0,36 W i en 100 Ω-modstand). Nominelt 1,5 V pr. celle giver 1,5 / 3,0 / 4,5 V, men mål spændingen med voltmeter, for cellens spænding under belastning er ikke slået op her.
• Instrumenter: to multimetre, ét til strøm og ét til spænding. Har du kun ét, må du måle i to omgange, hvilket tager længere tid og giver mere fejl.
• Ledninger og krokodillenæb.
• Glødepære som sammenligningskomponent.
• Millimeterpapir eller regneark til grafen.

Spændingstrinene (1, 2, 3, 4 og 5 V) er valgt til eksemplet. Ingen kilde foreskriver dem.

Hvad er hypotesen og variablene i Ohms lov-forsøget?

I Ohms lov-forsøget er den uafhængige variabel spændingen U, den afhængige er strømmen I, og temperaturen er den skjulte variabel, du skal holde konstant.

Eksempel på en hypotese, der kan afprøves: «Hvis spændingen over modstanden fordobles, fordobles strømmen også, fordi …» Eleven skriver selv begrundelsen. «Ohms lov er rigtig» kan ikke afprøves, for den siger ikke, hvad eleven skal måle, eller hvad der skal ske.

Hvordan måler du Ohms lov trin for trin?

Du kobler en modstand i serie med et amperemeter, sætter et voltmeter parallelt over modstanden og aflæser U og I ved flere spændinger.

1. Tegn kredsløbsdiagrammet (figur 1), og lad læreren godkende det, før noget tændes. Ingen ledninger på net.
2. Byg kredsløbet med modstanden i serie med amperemeteret.
3. Sæt voltmeteret parallelt over modstanden.
4. Vælg det højeste måleområde på begge instrumenter, så de ikke overbelastes.
5. Kobl strømkilden til. Aflæs U og I, og skriv dem i måleskemaet.
6. Hæv spændingen ét trin ad gangen (eksemplet bruger 1, 2, 3, 4 og 5 V fra en lavspændingsforsyning; med batterier bliver trinene ca. 1,5, 3,0 og 4,5 V), og aflæs igen.
7. Kobl fra mellem aflæsningerne, hvis modstanden bliver varm, og mål igen, når den er kølet af.
8. Gentag hele rækken med glødepæren, men gå ikke over pærens mærkespænding.
9. Tegn U-I-grafen med U på y-aksen og I på x-aksen. Tegn en ret linje, der går tættest muligt gennem punkterne. Forbind ikke prikkerne.
10. Find linjens hældning, og sammenlign den med modstandens angivne værdi.

Hvordan tegner du U-I-grafen og finder modstanden?

Hældningen på den rette linje gennem punkterne er modstanden R, når U står på y-aksen og I på x-aksen. Står I på y-aksen, er hældningen i stedet 1/R med enheden S (siemens). Vælg én konvention i klassen, og brug den hele vejen.

Regnestykke for 1 V og 100 Ω: I = U / R = 1 V / 100 Ω = 0,010 A = 10 mA, og P = U · I = 10 mW. Hældningen i eksemplet er ΔU / ΔI = (5,0 − 1,0) V / (50,0 − 10,0) mA = 4,0 V / 0,040 A = 100 Ω. En rigtig 100 Ω-modstand med ±5 % tolerance ligger mellem 95 og 105 Ω. Dine egne målinger vil afvige; det er pointen med fejlkilderne.

Ifølge dansk Wikipedia er sammenhængen mellem spænding og strøm lineær for en modstand, og artiklen nævner dioder som ikke-lineære. Glødepæren forventes at give en krum kurve, fordi tråden bliver varm; siden angiver ingen tal for pæren.

Hvad fortæller grafen om din opstilling?

Grafens form peger på, hvad eleven skal undersøge i sin opstilling. Tabellen viser mulige årsager at undersøge, ikke resultater: mønstrene er ikke prøvet af med målinger på fysik.dk.

Hvilke fejlkilder påvirker målingen?

De fejlkilder, der oftest flytter linjen, er forkert kobling, opvarmning af modstanden og nulfejl.

Måleskema til eleverne

Eleverne udfylder ét skema til modstanden og ét til glødepæren; kolonnen U / I giver det, de skal sammenligne.

Sætningsstartere til evalueringen: «Hældningen er … og betyder …», «Linjen går / går ikke gennem (0, 0), og det fortæller mig, at …» og «Pæren adskiller sig fra modstanden ved …».

Hvad spørger eleverne om ved Ohms lov-forsøget?

Elever spørger oftest om, om R = U / I er en lov, og hvorfor voltmeteret sidder parallelt; svarene nedenfor kan bruges direkte i timen.

Er R = U / I en lov eller en definition?

R = U / I er måden at regne modstanden ud på. Ohms lov er udsagnet om, at sammenhængen mellem U og I er lineær for en modstand, altså U = R · I. Dansk Wikipedia skriver, at navnet «lov» er misvisende, fordi sammenhængen ikke gælder generelt.

Gælder Ohms lov for alle komponenter?

Nej. Dioder er ikke-lineære (dansk Wikipedia), og glødepæren forventes at give en krum kurve, fordi tråden bliver varm. Lex.dk nævner, at loven gælder ved fastholdt, normal temperatur.

Hvorfor skal voltmeteret sidde parallelt?

Fordi du vil måle spændingen over modstanden, altså forskellen mellem dens to ender. Voltmeteret skal derfor have forbindelse til begge ender, mens amperemeteret skal have strømmen igennem sig, altså sidde i serie.

Bliver strømmen brugt op i modstanden?

Nej. I et seriekredsløb er strømmen den samme før og efter modstanden. Det er energien, der omsættes, og ikke strømmen, der forsvinder.

Hvor kan du læse videre?

Læs, hvad Ohms lov er, og se mere om serie og parallel i elektriske kredsløb. Sikkerhedsreglerne står under reglerne i VEJ 9111, flere øvelser finder du i forsøgsbanken, og forsøget hører under Fælles Mål-kompetencerne Undersøgelse og Modellering: grafen er en model, og eleverne skal vurdere, hvor langt den rækker.

Hvilke kilder bygger siden på?

fysik.dk har ikke selv målt data til dette forsøg. Tabellen med strømme er beregnet ud fra U = R · I, og resten er hentet fra kilderne nedenfor.

• Dansk Wikipedia, Ohms lov — lineær sammenhæng, dioder
• lex.dk, Ohms lov — U = R · I, fastholdt temperatur
• Wikipedia, E series of preferred numbers — E12 ±10 %, E24 ±5 %
• Weber State University, CEET 1140 Lab 2 — 100 Ω, 5 %, 1-5 V (procedure uden data)
• AT-vejledning VEJ nr. 9111 — afsnit 2.1.2 og 2.2.1
• BEK nr. 1082 af 12/7/2016 — SELV uden talværdi
• Store norske leksikon, ELV — norsk talværdi
• ASE, skolevejledning — britisk, 40 V og 25 V