Ohms lag: det nuvarande spänningsförhållandet avslöjat

Ohms lag är en nyckelregel för analys av elektriska kretsar, som beskriver förhållandet mellan tre fysiska viktiga mängder: spänning, ström och motstånd. Det representerar att strömmen är proportionell mot spänningen över två punkter, varvid proportionalitetskonstanten är motståndet.

Förhållandet som definieras av Ohms lag uttrycks i allmänhet i tre likvärdiga former:

jag = V / R
R = V / jag
V = IR

med dessa variabler definierade över en ledare mellan två punkter på följande sätt:

• jag representerar elektrisk ström, i enheter av ampere.
• V representerar Spänning uppmätt över ledaren i volt, och
• R representerar ledarens motstånd i ohm.

Ett sätt att tänka på detta konceptuellt är det som en ström, jag, flyter över ett motstånd (eller till och med över en icke perfekt ledare, som har viss motstånd), R, då förlorar strömmen energi. Energin innan den korsar ledaren kommer därför att vara högre än energin efter att den passerar ledaren, och denna skillnad i elektrisk representeras i spänningsskillnaden, V, över konduktorn.

Spänningsskillnaden och strömmen mellan två punkter kan mätas, vilket innebär att motståndet i sig är en härledd mängd som inte kan mätas direkt experimentellt. Men när vi sätter in något element i en krets som har ett känt motståndsvärde, är du det kunna använda det motståndet tillsammans med en uppmätt spänning eller ström för att identifiera den andra okända kvantitet.

Den tyska fysikern och matematikern Georg Simon Ohm (16 mars 1789 - 6 juli 1854 C.E.) forskning om el 1826 och 1827 och publicerade resultaten som blev kända som Ohms lag i 1827. Han kunde mäta strömmen med en galvanometer och försökte ett par olika inställningar för att fastställa sin spänningsskillnad. Den första var en voltaisk hög som liknade de ursprungliga batterierna som skapades 1800 av Alessandro Volta.

När han letade efter en mer stabil spänningskälla bytte han senare till termoelement, vilket skapar en spänningsskillnad baserad på en temperaturskillnad. Vad han faktiskt direkt mätte var att strömmen var proportionell mot temperaturskillnaden mellan de två elektriska kopplingarna, men eftersom spänningsskillnaden var direkt relaterad till temperaturen, betyder detta att strömmen var proportionell mot spänningen skillnad.

Enkelt uttryckt, om du fördubblat temperaturskillnaden, fördubblade du spänningen och fördubblade också strömmen. (Antagande, naturligtvis, att din termoelement inte smälter eller något. Det finns praktiska gränser där detta skulle gå sönder.)

Ohm var faktiskt inte den första som hade undersökt denna typ av relation, trots publicering först. Tidigare arbete av den brittiska forskaren Henry Cavendish (10 oktober 1731 - 24 februari 1810 C.E.) i 1780-talet hade lett till att honom kommenterade i sina tidskrifter som tycktes indikera detsamma relation. Utan att detta publicerades eller på annat sätt kommunicerats till andra forskare på hans tid, var Cavendishs resultat inte kända, vilket lämnade öppningen för Ohm för att upptäcka. Det är därför denna artikel inte har rubriken Cavendish's Law. Dessa resultat publicerades senare 1879 av James Clerk Maxwell, men vid den tidpunkten hade krediten redan fastställts för Ohm.

Ett annat sätt att representera Ohms lag utvecklades av Gustav Kirchhoff (av Kirchoffs lagar berömmelse), och har formen av:

J = σE

där dessa variabler står för:

• J representerar strömtätheten (eller elektrisk ström per enhetsarea i tvärsnitt) för materialet. Detta är en vektorkvantitet som representerar ett värde i ett vektorfält, vilket innebär att den innehåller både en magnitude och en riktning.
• sigma representerar materialets konduktivitet, vilket är beroende av de fysiska egenskaperna hos det enskilda materialet. Konduktiviteten är det ömsesidiga materialets resistivitet.
• E representerar det elektriska fältet på den platsen. Det är också ett vektorfält.

Den ursprungliga formuleringen av Ohms lag är i princip en idealiserad modell, som inte tar hänsyn till de individuella fysiska variationerna i ledningarna eller det elektriska fältet som rör sig genom det. För de flesta grundläggande kretsapplikationer är denna förenkling helt fin, men när man går mer i detalj eller arbetar med mer exakta kretselement kan det vara viktigt att överväga hur det aktuella förhållandet är olika inom olika delar av materialet, och det är där denna mer allmänna version av ekvationen kommer in i spela.