الجهد مقابل التيار: ما هي أوجه التشابه والاختلاف؟

إذا كنت جديدًا في فيزياء الكهرباء ، فتعبيرات مثلالجهد االكهربىوأمبيرقد تبدو قابلة للتبديل تقريبًا بناءً على طريقة استخدامها. لكنها في الواقع كميات مختلفة تمامًا ، على الرغم من ارتباطها الوثيق بكيفية عملها معًا في دائرة كهربائية ، كما هو موصوف في قانون أوم.

حقًا ، "أمبير" هي مقياس للتيار الكهربائي (الذي يقاس بـأمبير) ، والجهد مصطلح يعني الجهد الكهربائي (يقاس بـفولت) ، ولكن ما لم تكن قد تعلمت التفاصيل ، فمن المفهوم أنه يمكنك الخلط بين الاثنين.

لفهم الاختلاف - وعدم خلطهم مرة أخرى - تحتاج فقط إلى كتاب تمهيدي أساسي حول ما تعنيه وكيفية ارتباطها بدائرة كهربائية.

الجهد هو مصطلح آخر لفرق الجهد الكهربائي بين نقطتين ، ويمكن تعريفه ببساطة على أنه طاقة الوضع الكهربائي لكل وحدة شحنة.

تمامًا كما أن جهد الجاذبية هو الطاقة الكامنة التي يمتلكها الجسم بحكم موقعه داخل أ مجال الجاذبية ، الكمون الكهربائي هو الطاقة الكامنة التي يمتلكها الجسم المشحون بحكم موقعه في الحقل الكهربائي. يصف الجهد على وجه التحديد هذا لكل وحدة شحنة كهربائية ، وبالتالي يمكن كتابتها:

أينالخامسهو الجهده​_el

يخبرك هذا أنه إذا سمحت لشحنة مقدارها 1 كولوم بالمرور عبر فرق جهد (أي جهد) بمقدار 1 فولت ، فسوف اكتساب 1 J من الطاقة ، أو بالعكس ، سوف يستغرق الأمر جولًا واحدًا من الطاقة لتحريك كولوم من الشحنة من خلال فرق محتمل قدره 1 الخامس. يشار إلى الفولتية أحيانًا باسمالقوة الدافعة الكهربائية(EMF).

فرق الجهد (أو فرق الجهد) بين نقطتين ، على سبيل المثال على جانبي عنصر في دائرة كهربائية ، يمكن قياسها عن طريق توصيل الفولتميتر بالتوازي مع العنصر الذي تهتم به في. كما يوحي الاسم ، يقيس الفولتميتر الجهد بين نقطتين على الدائرة ، ولكن عندما تستخدم واحدة ، يجب توصيلهابالتوازيلتجنب التداخل مع قراءة الجهد أو تلف الجهاز.

التيار الكهربائي ، والذي يشار إليه أحيانًا باسم التيار (نظرًا لأنه يحتوي على وحدة الأمبير) ، هو معدل تدفق الشحنة الكهربائية بعد نقطة في الدائرة. تحمل الإلكترونات الشحنة الكهربائية ، وهي الجسيمات سالبة الشحنة التي تحيط بنواة الذرة ، لذا فإن مقدار التيار يخبرك حقًا بمعدل تدفق الإلكترونات. التعريف الرياضي البسيط للتيار الكهربائي هو:

أينأناهو التيار (بالأمبير) ،فهي الشحنة الكهربائية (في كولوم) ورهو الوقت المنقضي (بالثواني). كما توضح هذه المعادلة ، فإن تعريف الأمبير (A) هو 1 A = 1 C / s ، أو تدفق شحنة كهربائية مقدارها 1 كولوم في الثانية. من حيث الإلكترونات ، هذا حوالي 6.2 × 10¹⁸ تتدفق الإلكترونات (حوالي ستة مليارات مليار) عبر النقطة المرجعية في الثانية لتدفق تيار يبلغ 1 أ فقط.

يمكن قياس التيار في دائرة كهربائية عن طريق توصيل مقياس التيار الكهربائي على التوالي - وهذا يعني في مسار التيار الرئيسي - مع قسم الدائرة الذي تريد قياس مقدار التيار عبر.

إذا كنت لا تزال تكافح لفهم الأدوار التي يلعبها فرق الجهد والتيار الكهربائي داخل الدائرة الكهربائية ، يجب أن يساعد القياس المستخدم على نطاق واسع بين الكهرباء والماء في التوضيح أشياء. يمكن استخدام سيناريوهين مختلفين لتمثيل الجهد في دائرة كهربائية: إما أنبوب ماء يجري أسفل التل ، أو خزان مياه مملوء بفوهة خرج في الأسفل.

بالنسبة لأنبوب الماء الذي يكون أحد طرفيه أعلى التل والطرف الآخر في الأسفل ، يجب أن يكون الحدس الخاص بك يخبرك أن الماء سيتدفق عبره بشكل أسرع إذا كان التل أعلى وأبطأ إذا كان التل أقل. بالنسبة لمثال خزان المياه ، إذا كان هناك خزانان للمياه مملوءان بمستويات مختلفة ، فستتوقع الخزان المملوء أكثر لإخراج الماء من المخرج بمعدل أسرع من الخزان المملوء إلى الأقل مستوى.

سواء كان ذلك من ارتفاع التل (بسبب الجاذبية المحتملة) أو الجهد الناتج عن ضغط الماء في الخزان ، كلا المثالين ينقلان حقيقة أساسية حول الجهد اختلافات. كلما زادت الإمكانات ، زادت سرعة تدفق الماء (أي التيار).

تدفق الماء نفسه مماثل للتيار الكهربائي. إذا قمت بقياس تدفق الماء بعد نقطة واحدة على الأنبوب في الثانية ، فهذا يشبه تدفق التيار في الدائرة ، باستثناء الماء بدلاً من الشحنات الكهربائية على شكل إلكترونات. لذلك إذا كان كل شيء آخر متساويًا ، فإن الجهد العالي يؤدي إلى تيار مرتفع ، والعكس صحيح. الجزء الأخير من الصورة هو المقاومة ، وهو ما يماثل الاحتكاك بين جدران الأنبوب والماء ، أو عائق مادي يوضع في الأنبوب يسد الماء جزئيًا تدفق.

كما يوضح الجدول ، فإن التيار الكهربائي والجهد لهما اختلافات أكثر من أوجه التشابه بينهما ، ولكن هناك بعض أوجه التشابه أيضًا. الاختلاف الأكبر بين الاثنين هو حقيقة أنهما يصفان كميات مختلفة تمامًا ، لذلك بمجرد فهمك لأساسيات كل منها ، فمن غير المرجح أن تخلط بينها وبين واحد اخر.

يتناسب فرق الجهد والتيار الكهربائي طرديًا مع بعضهما البعض بما يتماشى مع قانون أوم ، وهو أحد أهم المعادلات في فيزياء الدوائر الكهربائية. تتعلق المعادلة بالجهد (أي فرق الجهد الناتج عن البطارية أو مصدر طاقة آخر) للتيار في الدائرة ومقاومة تدفق التيار الناتج عن مكونات دائرة كهربائية.

ينص قانون أوم على:

أينالخامسهو الجهدأناهو التيار الكهربائي ورهي المقاومة (تقاس بالأوم ، Ω). لهذا السبب ، يُشار إلى قانون أوم أحيانًا باسم معادلة الجهد والتيار والمقاومة. إذا كنت تعرف أي كميتين في هذه المعادلة ، يمكنك إعادة ترتيب المعادلة لإيجاد الأخرى الكمية ، مما يجعلها مفيدة في حل معظم مشاكل الإلكترونيات التي ستواجهها في الفيزياء صف دراسي.

من الجدير بالذكر أن قانون أوم ليس كذلكدائماصالح ، وبالتالي فهو ليس قانونًا "حقيقيًا" للفيزياء ، ولكنه تقريب مفيد لما يسمىأوممواد. العلاقة الخطية التي تشير إليها بين التيار والجهد لا تنطبق على أشياء مثل الخيوط المصباح ، حيث تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى زيادة المقاومة وبالتالي تؤثر على الخطي صلة. ومع ذلك ، في معظم الحالات (وبالتأكيد سيتم سؤالك عن معظم المشكلات الفيزيائية التي تتضمن الجهد والتيار الكهربائي) يمكن استخدامها دون مشاكل.

يستخدم قانون أوم بشكل أساسي لربط الجهد بالتيار والمقاومة ؛ ومع ذلك ، هناك امتداد للقانون يسمح لك باستخدام نفس الكميات لحساب الطاقة الكهربائية المشتتة في الدائرة ، حيث الطاقةصهو معدل نقل الطاقة بالواط (حيث 1 W = 1 J / s). أبسط شكل من أشكال هذه المعادلة هو:

في الكلمات ، القوة تساوي التيار مضروبًا في الجهد. ومن ثم ، فهذه منطقة رئيسية يتشابه فيها فرق الجهد والتيار الكهربائي: كلاهما يشتركان في علاقة تناسبية مباشرة مع الطاقة المشتتة في الدائرة. إذا كنت لا تعرف التيار ، يمكنك استخدام إعادة ترتيب لقانون أوم (I = V / R) للتعبير عن القوة على النحو التالي:

أو باستخدام النموذج القياسي لقانون أوم ، يمكنك استبدال الجهد وكتابة:

من خلال إعادة ترتيب هذه المعادلات ، يمكنك أيضًا التعبير عن الجهد أو المقاومة أو التيار من حيث القوة وكمية أخرى.

تعد قوانين كيرشوف اثنين من أهم القوانين الأخرى للدوائر الكهربائية ، وهما مفيدان بشكل خاص عندما تقوم بتحليل دائرة بها مكونات متعددة.

يسمى قانون كيرشوف الأول أحيانًا القانون الحالي ، لأنه ينص على أن إجمالي التيار التدفق في تقاطع يساوي التيار المتدفق منه - هذه الشحنة هي في الأساس محفوظ.

يسمى قانون كيرشوف الثاني قانون الجهد ، وينص على أنه بالنسبة لأي حلقة مغلقة في الدائرة ، يجب أن يساوي مجموع كل الفولتية صفرًا. بالنسبة لقانون الجهد ، أنت تعامل البطارية كجهد موجب وتعامل انخفاض الجهد عبر أي مكون كجهد سالب.

بالاقتران مع قانون أوم ، يمكن استخدام هذين القانونين لحل أي مشكلة يحتمل أن تواجهها تتعلق بالدوائر الكهربائية.

تخيل أن لديك دائرة تشتمل على بطارية 12 فولت ومقاومين ، متصلين في سلسلة ، بمقاومات 30 Ω و 15. يتم الحصول على المقاومة الإجمالية للدائرة من خلال مجموع هاتين المقاومات ، لذلك 30 Ω + 15 Ω = 45. لاحظ أنه عندما يتم ترتيب المقاومات بالتوازي ، فإن العلاقة تنطوي على تبادلات ، لكن هذا ليس مهمًا فهم العلاقة بين فرق الجهد والتيار ، لذا فإن هذا المثال البسيط سيكون كافياً في الوقت الحاضر المقاصد.

ما هو التيار الكهربائي المتدفق عبر الدائرة؟ حاول تطبيق قانون أوم بنفسك قبل مواصلة القراءة.

الشكل التالي من قانون أوم:

يسمح لك بحساب:

الآن ، بمعرفة التيار خلال الدائرة ، ما هو انخفاض الجهد عبر المقاوم 15 Ω؟ يمكن استخدام قانون أوم في الشكل القياسي لمعالجة هذا السؤال. إدخال قيمأنا= 0.27 أ ور= 15 Ω يعطي:

لأغراض استخدام قوانين كيرشوف ، سيكون هذا جهدًا سالبًا (أي انخفاض الجهد). كتمرين أخير ، هل يمكنك إظهار أن الجهد الكلي حول الحلقة المغلقة سيكون صفراً؟ تذكر أن الجهد الكهربائي للبطارية موجب وأن جميع حالات انخفاض الجهد سلبية.