To bevaringslover gjør alt arbeidet: ladning bevares i hvert knutepunkt (KCL: ΣI = 0), energi bevares rundt hver sløyfe (KVL: ΣV = 0). Ohms lov P = V·I = I²R = V²/R kobler dem til hastigheten energien leveres eller spres med.
Ohms lov — V, I, R, to av gangen
Tre størrelser og én likning. Gi panelet to av dem, og det returnerer den tredje pluss effekten. Standardeksempelet (I = 2 A, R = 50 Ω) gir V = 100 V og P = 200 W — et lite loddebolt på 100 W som går for fullt. Forholdet er lineært for en ohmsk leder: metaller ved konstant temperatur, karbonfilmmotstander og noen få andre følger V = IR med R omtrent konstant. Halvledere, glødetråder og termistorer gjør ikke det — motstanden deres avhenger av spenning, strøm eller temperatur, og likningen fungerer fortsatt punkt for punkt, men R er ikke lenger ett enkelt tall. Den følgesvennen P = V·I er universell og gjelder alltid for likestrømskretser.
Motstander i serie — strømmen er den samme
Komponenter i serie deler én bane; den samme strømmen går gjennom alle, og motstandene legges direkte sammen: Req = ΣRi. Standardeksempelet (100 + 220 + 330 + 470 Ω) gir 1 120 Ω; med en kilde på 12 V bærer sløyfen I = 12/1120 ≈ 10,71 mA, og de fire spenningsfallene blir 1,07 V, 2,36 V, 3,54 V, 5,04 V — den kjente spenningsdelerregelen, Vi = I · Ri. Seriekobling er skjør på en måte: åpne én motstand og sløyfen brytes, og alle enhetene slukkes. De klassiske kjedene med julelys var lærebokeksemplet før man gikk over til shuntkoblede design som holder resten tent når én pære går.
Motstander i parallell — spenningen er den samme
Komponenter i parallell får alle samme spenning; konduktansene (reciproke motstander) legges sammen: 1/Req = Σ(1/Ri). Standardeksempelet (100, 200, 300 Ω) gir Req ≈ 54,55 Ω; med 12 V påtrykt er total strøm Itotal ≈ 0,22 A, og grenene trekker henholdsvis 120 mA, 60 mA og 40 mA — den minste motstanden tar alltid den største andelen, i omvendt forhold. To praktiske merknader: en parallellkobling er alltid mindre enn den minste enkeltmotstanden, og det er intuisjonen bak at batterier koblet i parallell øker kapasiteten, ikke spenningen. I husinstallasjoner er hvert uttak parallelt med alle de andre, så en utløst sikring i ett rom slukker ikke resten av bygningen.
Kondensatorenergi — lagret, ikke forbrukt
En kondensator skiller ladninger, samler dem på to plater og lagrer energi i det elektriske feltet mellom dem. Regnskapet er Q = C·V for ladning og E = ½C·V² for energi. Standardeksempelet (100 μF ved 12 V) gir Q = 1 200 μC og E = 7,2 mJ. Å doble spenningen firedobler energien; å doble kapasitansen gir bare en dobling — spenningen er spaken, og derfor lader kamerablitser, defibrillatorer og railguns opp til høy spenning i stedet for bare å bruke en større kondensator. I likestrøm i steady state går det ingen strøm gjennom en kondensator (den er en åpen krets); i vekselstrøm slipper samme element gjennom strøm proporsjonal med frekvensen, og det er grunnlaget for alle filtre, koblinger og tidskretser. Ladingen følger V(t) = V0(1 − e−t/RC): RC-tidskonstanten setter takten, og etter 5τ er kondensatoren praktisk talt full.
Coulombs lov — det omvendte kvadratet i kjernen
To punktladninger føler en kraft langs linjen mellom dem med størrelse F = k·|q1q2|/(εr·r²), tiltrekkende for motsatte fortegn og frastøtende for like fortegn; Coulomb-konstanten k = 8,988×109 N·m²/C² er fastlagt av geometrien i tomt rom. Standardeksempelet (q1 = +5 μC, q2 = −3 μC, r = 0,1 m, vakuum) gir F ≈ 13,48 N, tiltrekkende — et moderat, vektbærende trekk fra små ladninger, fordi mikrocoulomb er store ladninger i SI-enheter. Den dielektriske konstanten εr (80 for vann, 3,5 for papir, 7 for glass) deler kraften, og det er derfor de samme ladningene trekker svakere inne i materie; molekylære dipoler polariseres og skjermer feltet.
Elektrisk effekt — P = VI = I²R = V²/R
De tre formene er algebraisk identiske, og å velge riktig en hindrer at man bruker feil en. P = V·I når både V og I er kjent; P = I²R når strøm og motstand er kjent — dette er formen som forklarer hvorfor tynne ledninger overopphetes ved kortslutning; P = V²/R når spenning og motstand er kjent — formen som forklarer hvorfor en brødrister på 120 V trekker 10 A fra et nikromelement på 14 Ω. Standardeksempelet (V = 12 V, I = 2 A) gir P = 24 W. En glødepære på 60 W ved 120 V trekker 0,5 A gjennom en glødetråd på 240 Ω; de samme 60 W ved 12 V (en bilpære) trekker 5 A gjennom 2,4 Ω — valg av spenning er valg av strøm er valg av ledningstykkelse.
Vanlige misforståelser
- Spenningen "brukes opp" over en motstand. Spenning er energien per coulomb som leveres av kilden; den samme totalen spres over alle motstandene i en sløyfe. Å si "12 V falt over motstanden" betyr egentlig "kilden leverte 12 V verdi energi til hver coulomb som passerer den motstanden".
- Parallelle motstander gir en større total motstand. Det motsatte: parallell kobling reduserer alltid den ekvivalente motstanden, fordi hver ekstra gren er en ny vei strømmen kan ta. Req < min(Ri) er regelen.
- Strømmen forbrukes av lasten. Strømmen er den samme overalt i en seriesløyfe og summeres i hvert parallelt knutepunkt; ladning bevares (KCL). En strøm på 2 A som går inn i en vifte, går også ut av den med 2 A.
- En kondensator "holder på strøm". Den holder ladning. Når den er full, stopper likestrømmen. Energien lagres i feltet, ikke i ladningsbærerne.
Relaterte verktøy: Mekanikk for de underliggende kraftbegrepene, Formelreferanse for algebraen, og Konstanter for ε0 og Coulomb-konstanten.
