Ohmov zakon: otkriven odnos struje i napona

Ohmov zakon ključno je pravilo za analizu električnih krugova, opisuje odnos između tri ključne fizičke veličine: napona, struje i otpora. Predstavlja da je struja proporcionalna naponu preko dvije točke, pri čemu je konstanta proporcionalnosti otpor.

Odnos definiran Ohmovim zakonom općenito je izražen u tri jednaka oblika:

ja = V / R
R = V / ja
V = IR

s tim da su ove varijable definirane u vodiču između dvije točke na sljedeći način:

• ja predstavlja električna struja, u jedinicama ampera.
• V predstavlja napon mjereno preko vodiča u voltima, i
• R predstavlja otpor vodiča u ohima.

Jedan od načina da se to konceptualno razmišlja jest da se kao struja, ja, teče preko otpornika (ili čak preko nesavršenog vodiča koji ima neki otpor), R, tada struja gubi energiju. Stoga će energija prije nego što pređe preko vodiča biti veća od energije nakon što ona pređe preko vodiča, a ta razlika u električnom smislu predstavljena je u razlici napona, V, preko vodiča.

Razlika napona i struje između dviju točaka može se mjeriti, što znači da je i sam otpor izvedena količina koja se ne može izravno eksperimentalno izmjeriti. Međutim, kad ubacimo neki element u strujni krug koji ima poznatu vrijednost otpora, tada ste u mogućnosti koristiti taj otpor zajedno s izmjerenim naponom ili strujom za identifikaciju druge nepoznanice količina.

Vodio njemački fizičar i matematičar Georg Simon Ohm (16. ožujka 1789. - 6. srpnja 1854. god. C.E.) istraživanja električne energije u 1826. i 1827., objavljujući rezultate koji su postali poznati kao Ohmov zakon u 1827. Mogao je izmjeriti struju galvanometrom i pokušao s nekoliko različitih podešavanja kako bi utvrdio svoju razliku napona. Prva je bila voltajska gomila, slično originalnim baterijama koje je 1800. stvorio Alessandro Volta.

U potrazi za stabilnijim izvorom napona, kasnije je prešao na termoparove, koji stvaraju razliku napona na temelju temperaturne razlike. Ono što je zapravo izravno izmjerio je da je struja proporcionalna razlici temperature između dva električna spajanja, ali budući da je razlika napona bila izravno povezana s temperaturom, to znači da je struja bila proporcionalna naponu razlika.

Jednostavno rečeno, ako udvostručite temperaturnu razliku, udvostručili ste napon i također udvostručili struju. (Pod pretpostavkom, naravno da se vaš termoelement ne topi ili tako nešto. Postoje praktična ograničenja gdje bi se to moglo pokvariti.)

Ohm zapravo nije bio prvi koji je istraživao ovakav odnos, usprkos prvom objavljivanju. Prethodni rad britanskog znanstvenika Henryja Cavendisha (10. listopada 1731. - 24. veljače 1810. C.E.) u 1780-ih su prouzročile komentare u njegovim časopisima koji su, čini se, ukazivali na isto odnos. Bez da je ovo objavljeno ili na drugi način objavljeno drugim znanstvenicima njegovog vremena, Cavendishovi rezultati nisu bili poznati, što je ostavio otvor Ohmu da otkrije ovo otkriće. Zbog toga ovaj članak nije naslovljen Cavendish's Law. Te su rezultate kasnije objavili 1879 James Clerk Maxwell, ali u tom je trenutku kredit već uspostavljen za Ohma.

Drugi način predstavljanja Ohmovog zakona razvio je Gustav Kirchhoff (od Kirchoffovi zakoni slave), i ima oblik:

J = σE

odakle ove varijable predstavljaju:

• J predstavlja gustoću struje (ili električnu struju po jedinici površine presjeka) materijala. Ovo je vektorska količina koja predstavlja vrijednost u vektorskom polju, što znači da sadrži i veličinu i smjer.
• sigma predstavlja vodljivost materijala koja ovisi o fizičkim svojstvima pojedinog materijala. Vodljivost je uzajamna otpornosti materijala.
• E predstavlja električno polje na tom mjestu. To je također vektorsko polje.

Izvorna formulacija Ohmovog zakona u osnovi je an idealizirani model, koji ne uzimaju u obzir pojedinačne fizičke razlike unutar žica ili električnog polja koje se kreće kroz njega. Za većinu osnovnih programa krugova ovo je pojednostavljenje savršeno u redu, ali kad se pozabavimo detaljnijim ili radom s preciznijim elementima sklopova, možda je važno je uzeti u obzir kako se trenutni odnos razlikuje u različitim dijelovima materijala, i tu dolazi ova općenitija inačica jednadžbe igra.