Νόμος του Ohm: αποκαλύφθηκε η σχέση τρέχουσας τάσης

Ο νόμος του Ohm αποτελεί βασικό κανόνα για την ανάλυση ηλεκτρικών κυκλωμάτων, περιγράφοντας τη σχέση μεταξύ τριών βασικών φυσικών μεγεθών: τάση, ρεύμα και αντίσταση. Αντιπροσωπεύει ότι το ρεύμα είναι ανάλογο προς την τάση σε δύο σημεία, με τη σταθερά της αναλογικότητας να είναι η αντίσταση.

Η σχέση που ορίζεται από τον νόμο του Ohm εκφράζεται γενικά σε τρεις ισοδύναμες μορφές:

Εγώ = V / R
R = V / Εγώ
V = IR

με αυτές τις μεταβλητές να ορίζονται σε έναν αγωγό μεταξύ δύο σημείων με τον ακόλουθο τρόπο:

• Εγώ αντιπροσωπεύει το ηλεκτρικό ρεύμα, σε μονάδες αμπέρ.
• V αντιπροσωπεύει το Τάση μετρούμενη κατά μήκος του αγωγού σε volts, και
• R αντιπροσωπεύει την αντίσταση του αγωγού σε ohms.

Ένας τρόπος να σκεφτούμε αυτό εννοιολογικά είναι ότι ως ρεύμα, Εγώ, ρέει σε μια αντίσταση (ή ακόμα και σε έναν μη τέλειο αγωγό, ο οποίος έχει κάποια αντίσταση), R, τότε το ρεύμα χάνει ενέργεια. Η ενέργεια πριν από τη διέλευση του αγωγού θα είναι επομένως υψηλότερη από την ενέργεια μετά τη διέλευση του αγωγού και αυτή η διαφορά στο ηλεκτρικό αντιπροσωπεύεται στη διαφορά τάσης,

Η διαφορά τάσης και το ρεύμα μεταξύ δύο σημείων μπορεί να μετρηθεί, πράγμα που σημαίνει ότι η ίδια η αντίσταση είναι μια παραγόμενη ποσότητα που δεν μπορεί να μετρηθεί άμεσα πειραματικά. Ωστόσο, όταν εισάγουμε κάποιο στοιχείο σε ένα κύκλωμα που έχει μια γνωστή αντίσταση, τότε είσαι μπορεί να χρησιμοποιήσει αυτή την αντίσταση μαζί με μια μετρούμενη τάση ή ρεύμα για να αναγνωρίσει το άλλο άγνωστο ποσότητα.

Ο γερμανικός φυσικός και μαθηματικός Georg Simon Ohm (16 Μαρτίου 1789 - 6 Ιουλίου 1854 Κ.Α.) διεξήγαγε έρευνα στον τομέα της ηλεκτρικής ενέργειας το 1826 και το 1827, δημοσίευση των αποτελεσμάτων που έγινε γνωστό ως Νόμος του Ohm 1827. Ήταν σε θέση να μετρήσει το ρεύμα με γαλβανόμετρο, και προσπάθησε μερικές διαφορετικές ρυθμίσεις για να καθορίσει τη διαφορά τάσης του. Το πρώτο ήταν ένα βολταϊκό σωρό, παρόμοιο με τις αρχικές μπαταρίες που δημιουργήθηκαν το 1800 από τον Alessandro Volta.

Στην αναζήτηση μιας πιο σταθερής πηγής τάσης, αργότερα μετατράπηκε σε θερμοστοιχεία, τα οποία δημιουργούν μια διαφορά τάσης που βασίζεται σε διαφορά θερμοκρασίας. Αυτό που πραγματικά μετρήθηκε άμεσα ήταν ότι το ρεύμα ήταν ανάλογο με τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των δύο ηλεκτρικών συνδέσεων, αλλά επειδή η διαφορά τάσης σχετίζεται άμεσα με τη θερμοκρασία, αυτό σημαίνει ότι το ρεύμα ήταν ανάλογο με την τάση διαφορά.

Με απλά λόγια, εάν διπλασιάσατε τη διαφορά θερμοκρασίας, διπλασιάσατε την τάση και επίσης διπλασιάσατε το ρεύμα. (Υποθέτοντας, βεβαίως, ότι το θερμοστοιχείο δεν λιώνει ή κάτι τέτοιο. Υπάρχουν πρακτικά όρια όπου αυτό θα καταρρεύσει.)

Ο Ohm δεν ήταν στην πραγματικότητα ο πρώτος που διερεύνησε αυτό το είδος σχέσης, παρά την πρώτη δημοσίευση. Προηγούμενη εργασία του Βρετανού επιστήμονα Henry Cavendish (10 Οκτωβρίου 1731 - 24 Φεβρουαρίου, 1810 C.E.) στο Το 1780 είχε ως αποτέλεσμα να κάνει σχόλια στα περιοδικά του που φαινόταν να δείχνουν το ίδιο σχέση. Χωρίς να δημοσιεύεται ή να διαβιβάζεται με άλλο τρόπο σε άλλους επιστήμονες της εποχής του, τα αποτελέσματα του Cavendish δεν ήταν γνωστά, αφήνοντας το άνοιγμα για το Ohm να κάνει την ανακάλυψη. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο το άρθρο αυτό δεν έχει το δικαίωμα του νόμου του Cavendish. Αυτά τα αποτελέσματα δημοσιεύθηκαν αργότερα το 1879 από το James Clerk Maxwell, αλλά από εκείνο το σημείο η πίστωση είχε ήδη καθοριστεί για το Ohm.

Ένας άλλος τρόπος για την εκπροσώπηση του νόμου του Ohm αναπτύχθηκε από τον Gustav Kirchhoff (του Οι νόμοι του Kirchoff φήμη) και λαμβάνει τη μορφή:

J = σμι

όπου αυτές οι μεταβλητές αντιπροσωπεύουν:

• J αντιπροσωπεύει την πυκνότητα ρεύματος (ή το ηλεκτρικό ρεύμα ανά μονάδα επιφανείας διατομής) του υλικού. Αυτή είναι μια διανυσματική ποσότητα που αντιπροσωπεύει μια τιμή σε ένα πεδίο διάνυσμα, που σημαίνει ότι περιέχει τόσο ένα μέγεθος όσο και μια κατεύθυνση.
• το sigma αντιπροσωπεύει την αγωγιμότητα του υλικού, η οποία εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες του μεμονωμένου υλικού. Η αγωγιμότητα είναι η αμοιβαία αντίσταση του υλικού.
• μι αντιπροσωπεύει το ηλεκτρικό πεδίο στη θέση αυτή. Είναι επίσης ένα πεδίο διάνυσμα.

Η αρχική διατύπωση του νόμου του Ohm είναι βασικά ένα εξιδανικευμένο μοντέλο, το οποίο δεν λαμβάνει υπόψη τις μεμονωμένες φυσικές παραλλαγές εντός των συρμάτων ή το ηλεκτρικό πεδίο που κινείται διαμέσου αυτού. Για τις περισσότερες εφαρμογές βασικών κυκλωμάτων, αυτή η απλούστευση είναι απολύτως ωραία, αλλά όταν βρεθεί σε περισσότερες λεπτομέρειες ή λειτουργεί με πιο ακριβή στοιχεία κυκλώματος, μπορεί να είναι είναι σημαντικό να εξεταστεί ο τρόπος με τον οποίο η τρέχουσα σχέση είναι διαφορετική σε διαφορετικά μέρη του υλικού, και εκεί έρχεται αυτή η πιο γενική εκδοχή της εξίσωσης παίζω.