Định luật Ohm

Định luật Ohm là một nguyên lý cơ bản trong vật lý mô tả mối quan hệ giữa dòng điện, điện áp và điện trở. Theo định luật này, dòng điện chảy qua một vật dẫn là tỉ lệ thuận với điện áp giữa hai điểm của vật dẫn, và tỉ lệ này không đổi với một điện trở cho trước. Phát biểu toán học của định luật Ohm có dạng:

$I=\frac{U}{R}$

I là cường độ dòng điện (đơn vị: ampere). U (hoặc V) là điện áp (đơn vị: volt) áp dụng vào vật dẫn. R là điện trở của vật dẫn (đơn vị: ohm). Trong định luật Ohm, điện trở R không phụ thuộc vào cường độ dòng điện và luôn là một hằng số.

Định luật Ohm được đặt tên theo nhà khoa học Đức Georg Ohm và được công bố lần đầu trên một bài báo vào năm 1827, mô tả các thử nghiệm về điện áp và cường độ dòng điện trong một mạch điện đơn giản với nhiều dây có độ dài khác nhau. Ông đưa ra một phương trình phức tạp hơn so với trước để giải thích kết quả thực nghiệm của mình (xem phần Lịch sử dưới đây). Phương trình này là dạng hiện đại của định luật Ohm.

Trong vật lý, thuật ngữ định luật Ohm cũng được sử dụng để chỉ các dạng tổng quát khác của định luật Ohm gốc. Ví dụ đơn giản như sau:

$J=\mathrm{\sigma <!--\; \sigma \; -->}E$,

Ở đây J là mật độ dòng tại một vị trí cụ thể trong vật liệu dẫn điện, E là trường điện tại vị trí đó, và σ (Sigma) là một tham số liên quan đến vật liệu được gọi là độ dẫn. Đây là một biến thể khác của Định luật Ohm do Gustav Kirchhoff viết.

Định luật Ohm áp dụng cho toàn bộ mạch điện: cường độ dòng điện trong mạch điện kín tỉ lệ thuận với điện áp đưa vào từ nguồn điện và tỉ lệ nghịch với tổng điện trở của mạch.

Lịch sử phát triển

Định luật Ohm là một trong những định luật quan trọng nhất trong lĩnh vực điện học, được sáng lập bởi nhà vật lý học người Đức Georg Ohm (1789 - 1854). 

Ohm nghiên cứu về các tính chất của điện trở từ năm 1825 đến 1826, và công bố kết quả nghiên cứu này vào năm 1827 trong cuốn sách Die galvanische Kette, mathematisch bearbeitet ('Nghiên cứu toán học về mạch điện'). Ông đã lấy cảm hứng từ công trình nghiên cứu về lý thuyết truyền nhiệt của Fourier để giải thích nghiên cứu của mình.

Ohm được dạy toán từ nhỏ bởi cha mình và rèn luyện kỹ năng thủ công, điều này là nền tảng cho việc ông chế tạo các thiết bị thí nghiệm để tiến hành nghiên cứu. Năm 1811, ông nhận bằng tiến sĩ tại Đại học Bilett Island.

Trước thời kỳ Ohm, người ta chưa có ý niệm rõ ràng về cường độ dòng điện, điện áp và khái niệm điện trở. Với hoàn cảnh kinh tế khó khăn, ông đã làm gia sư và giáo viên trung học. Sau khi mất việc giảng dạy, ông hầu như đã mất cơ hội trở thành một nhà vật lý lỗi lạc của thời đại. Trong thời gian rảnh rỗi, ông đã thiết kế và chế tạo các thiết bị thí nghiệm để tiến hành nghiên cứu khoa học. Dựa trên phương pháp của Coulomb, ông đã tạo ra máy đo lực của dòng điện để đo cường độ dòng điện, đồng thời đưa ra định nghĩa về sức điện động và cải thiện khái niệm về cường độ dòng điện và điện trở. Bằng cách so sánh tỉ lệ nhiệt phát ra trong dây dẫn khi có dòng điện chạy qua, ông đã phát hiện ra các quy luật tương ứng. Sau nhiều thí nghiệm và nghiên cứu kỹ lưỡng, ông đã công bố định luật Ohm vào năm 1826. Tuy nhiên, dù sau khi công bố, định luật của ông không được giới khoa học chú ý và thậm chí bị nghi ngờ. Ở Đức, chỉ có số ít nhà khoa học như Sweig mới thừa nhận ông. Sweig đã giúp ông công bố và viết thư khuyến khích rằng, 'Xin ngài hãy tin rằng khi mây đen tan đi, ánh sáng sẽ chiếu sáng và niềm vui sẽ đến'. Tuy nhiên, ông bị gió lớn 'thổi tan đám mây đen' từ Anh. Hội Khoa học Hoàng gia Anh đã trao cho ông huy chương Kapply, một vinh dự lớn đối với các nhà khoa học thời đó.

Phạm vi ứng dụng

Định luật Ohm được hình thành dựa trên các thí nghiệm nghiên cứu. Trong hầu hết các thí nghiệm với nhiều vật liệu khác nhau, Ohm đã thấy rằng cường độ dòng điện gần như tỷ lệ thuận với điện trường. Đa số các kim loại và các vật liệu dẫn điện khác tuân thủ định luật Ohm một cách gần đúng. Điều này đơn giản hơn so với phương trình Maxwell.

Định luật Ohm đã được kiểm chứng trên nhiều quy mô lớn về chiều dài. Vào đầu thế kỷ 20, dự đoán rằng định luật Ohm có thể áp dụng cho quy mô nguyên tử, nhưng các thí nghiệm thực tế không như kỳ vọng. Năm 2012, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng định luật Ohm vẫn hoạt động trên dây dẫn silicon nhỏ chỉ rộng bốn nguyên tử và dày một nguyên tử.

Dạng vi phân

Ở dạng vi phân, định luật Ohm liên quan giữa điện trường E, mật độ dòng điện j, và điện trở suất ρ:

E = j ρ

Dòng xoay chiều

Với dòng điện xoay chiều, một thiết bị Ohm sẽ tuân theo định luật Ohm như sau:

V = I Z

với Z là trở kháng tại tần số của hiệu điện thế, không phụ thuộc vào độ lớn của hiệu điện thế.