Ohms lov: det nuværende spændingsforhold afsløret

Ohms lov er en nøgleregel for analyse af elektriske kredsløb, der beskriver forholdet mellem tre fysiske centrale mængder: spænding, strøm og modstand. Det repræsenterer, at strømmen er proportional med spændingen over to punkter, hvor proportionalitetskonstanten er modstanden.

Forholdet defineret ved Ohms lov udtrykkes generelt i tre ækvivalente former:

jeg = V / R
R = V / jeg
V = IR

med disse variabler defineret på tværs af en leder mellem to punkter på følgende måde:

• jeg repræsenterer elektrisk strøm, i enheder af ampère.
• V repræsenterer spænding målt over lederen i volt, og
• R repræsenterer lederens modstand i ohm.

En måde at tænke på dette konceptuelt er, at som en strøm, jeg, flyder over en modstand (eller endda over en ikke-perfekt leder, der har en vis modstand), R, så mister strømmen energi. Energien, før den krydser lederen, vil derfor være højere end energien, efter at den krydser lederen, og denne forskel i elektrisk er repræsenteret i spændingsforskellen, V, på tværs af lederen.

Spændingsforskellen og strømmen mellem to punkter kan måles, hvilket betyder, at modstanden i sig selv er en afledt mængde, der ikke direkte kan måles eksperimentelt. Men når vi indsætter et element i et kredsløb, der har en kendt modstandsværdi, så er du det i stand til at bruge denne modstand sammen med en målt spænding eller strøm til at identificere den anden ukendte antal.

Den tyske fysiker og matematiker Georg Simon Ohm (16. marts 1789 - 6. juli 1854 C.E.) dirigerede forskning i elektricitet i 1826 og 1827 med offentliggørelse af de resultater, der blev kendt som Ohms lov i 1827. Han var i stand til at måle strømmen med et galvanometer og prøvede et par forskellige opsætninger for at bestemme sin spændingsforskel. Den første var en voltaisk bunke, svarende til de originale batterier oprettet i 1800 af Alessandro Volta.

Når han ledte efter en mere stabil spændingskilde, skiftede han senere til termoelementer, der skaber en spændingsforskel baseret på en temperaturforskel. Hvad han faktisk direkte målte, var, at strømmen var proportional med temperaturforskellen mellem de to elektriske forbindelser, men da spændingsforskellen var direkte relateret til temperaturen, betyder dette, at strømmen var proportional med spændingen forskel.

Enkelt sagt fordobler du spændingen og fordoblede også strømmen, hvis du fordoblet temperaturforskellen. (Antages naturligvis, at din termoelement ikke smelter eller noget. Der er praktiske grænser, hvor dette ville bryde sammen.)

Ohm var faktisk ikke den første, der havde undersøgt denne form for forhold, på trods af at han først offentliggjorde. Tidligere arbejde af den britiske forsker Henry Cavendish (10. oktober 1731 - 24. februar 1810 C.E.) i 1780'erne havde ført til, at han fremsatte kommentarer i hans tidsskrifter, der syntes at indikere det samme forhold. Uden at dette blev offentliggjort eller på anden måde formidlet til andre videnskabsfolk på hans tid, var Cavendishs resultater ikke kendte, hvilket forlod åbningen for Ohm for at finde opdagelsen. Derfor har denne artikel ikke titlen Cavendish's Law. Disse resultater blev senere offentliggjort i 1879 af James Clerk Maxwell, men på det tidspunkt var krediten allerede oprettet for Ohm.

En anden måde at repræsentere Ohms lov blev udviklet af Gustav Kirchhoff (af Kirchoffs love berømmelse), og har form af:

J = σE

hvor disse variabler står for:

• J repræsenterer strømtætheden (eller elektrisk strøm pr. enhedsareal i tværsnit) for materialet. Dette er en vektormængde, der repræsenterer en værdi i et vektorfelt, hvilket betyder, at den indeholder både en størrelse og en retning.
• sigma repræsenterer materialets ledningsevne, som er afhængig af de fysiske egenskaber af det enkelte materiale. Konduktiviteten er det gensidige forhold mellem materialets modstand.
• E repræsenterer det elektriske felt på det sted. Det er også et vektorfelt.

Den oprindelige formulering af Ohms lov er dybest set en idealiseret model, som ikke tager højde for de individuelle fysiske variationer i ledningerne eller det elektriske felt, der bevæger sig gennem det. For de fleste grundlæggende kredsløbsprogrammer er denne forenkling helt fin, men når man går nærmere i detaljer eller arbejder med mere præcise kredsløbselementer, kan det være vigtigt at overveje, hvordan det aktuelle forhold er forskelligt inden for forskellige dele af materialet, og det er her denne mere generelle version af ligningen kommer ind i Spil.