Напрежение: определение, уравнение, единици (с примери)

Представете си как водата тече надолу през система от тръби. Вашата интуиция трябва да ви подскаже кои фактори биха накарали водата да тече по-бързо и какво би я накарала да тече по-бавно. Колкото по-висок е хълмът, толкова по-бързо ще бъде токът и колкото повече препятствия в тръбата, толкова по-бавно ще тече.

Всичко това се дължи на aпотенциална енергийна разлика​ ​между върха на хълма и дъното, тъй като водата има гравитационна потенциална енергия в горната част на хълма и нито една, докато достигне дъното.

Това е чудесна аналогия за електрическитеволтаж. По същия начин, когато има електрическа потенциална разлика между две точки на електрическа верига, електрическият ток преминава от една част на веригата в друга.

Подобно на примера с водата, разликата в потенциалната енергия между двете точки (създадена от разпределението на електрическия заряд) е това, което създава текущия поток. Разбира се, физиците имат по-точни дефиниции от това и изучаването на уравнения като закона на Ом ви дава по-добро разбиране на напрежението.

Напрежението е името, дадено на разликата в електрическата потенциална енергия между две точки и се определя като електрическата потенциална енергия на единица заряд. Макар чеелектрически потенциале по-точен термин, фактът, че единицата за електрически потенциал SI е волта (V), означава, че той обикновено се нарича напрежение, особено когато хората говорят за потенциалната разлика между клемите на батерията или други части на a верига.

Определението може да бъде написано математически като:

КъдетоVе потенциалната разлика,Е.​_ел е електрическата потенциална енергия (в джаули) иqе зарядът (в кулони). От това бихте могли да видите, че 1 V = 1 J / C, което означава, че един волт се определя като един джаул за кулон (т.е. за единица заряд). Понякога ще видитеЕ.използва се като символ за напрежение, тъй като друг термин за същото количество е „електромоторна сила“ (EMF), но много източници използватVда съответства на ежедневната употреба на термина.

Волтът носи името си от италианския физик Алесандро Волта, който е най-известен с изобретяването на първата електрическа батерия (наречена „волтаична купчина“).

Горното уравнение обаче не е най-често използваното уравнение за напрежение, тъй като повечето от когато срещнете термина, той ще включва електрическа верига и най-полезното уравнение за това еЗаконът на Ом. Това свързва напрежението с текущия поток във веригата и съпротивлението на потока на тока от проводниците и компонентите на веригата и има формата:

КъдетоVе потенциалната разлика във волта (V);Азе текущият поток, с единица от ампера или усилвателя за кратко (A); иRе съпротивлението в ома (Ω). С един поглед това уравнение ви казва, че за едно и също съпротивление по-високите напрежения произвеждат по-високи токове (аналогично на увеличаването на височината на във въведението) и за същото напрежение потокът на тока се намалява за по-високи съпротивления (аналогично на препятствията на тръбите в пример). Ако няма разлика в напрежението, няма да тече ток.

Различните компоненти на веригата ще имат различниспадане на напрежениетои можете да използвате закона на Ом, за да разберете какви ще бъдат те. В съответствие със закона за напрежението на Kirchhoff,сумата от спада на напрежението около който и да е пълен контур във веригата трябва да бъде равна на нула​.

Напрежението върху елемент в електрическа верига може да бъде измерено с волтметър или мултиметър, като последният съдържа волтметър, но също така и други инструменти като амперметър (за измерване на тока). Свързвате волтметъра паралелно през измервания елемент, за да определите спада на напрежението между двете точки - никога не го свързвайте последователно!

Аналоговите волтметри работят с галванометър (устройство за измерване на малки електрически токове) последователно с резистор с висок ом, като галванометърът съдържа намотка от проводник в магнитно поле. Когато токът тече през проводника, той създава магнитно поле, което взаимодейства със съществуващото магнитно поле, за да накара намотката да се завърти, което след това премества показалеца на устройството, за да посочи волтаж.

Тъй като въртенето на намотката е пропорционално на тока, а токът е на свой ред пропорционално на напрежението (по закона на Ом), колкото повече бобината се върти, толкова по-голямо е напрежението между тях двете точки. Това е по-сложно, ако измервате променлив ток, а не постоянен ток, но различните конструкции правят и това възможно.

Трябва да свържете волтметър успоредно, тъй като два паралелни елемента на веригата имат еднакво напрежение върху тях. Волтметърът трябва да има високо съпротивление, защото това му пречи да изтегли твърде голям ток от основната верига и по този начин да попречи на резултата. Освен това волтметрите не са конструирани за изтегляне на големи токове, така че ако свържете един последователно, той лесно може да се счупи или да изгори предпазител.

Да се ​​научим да работим с електрически потенциал включва да се научим да използваме закона на Ом и да се научим да прилагаме закона на напрежението на Kirchhoff за определяне на спада на напрежението в различни елементи във веригата. Най-простото нещо, което трябва да направите, е да приложите закона на Ом върху цяла верига.

Ако една верига се захранва от 12-V батерия и има общо 70 ома съпротивление, какъв е токът, протичащ през веригата?

Тук просто трябва да пренаредите закона на Ом, за да създадете израз за електрически ток. Законът гласи:

Всичко, което трябва да направите, е да разделите двете страни наRи обратно, за да получите:

Вмъкването на стойности дава:

Така че токът е 0,1714 A, или 171,4 милиампера (mA).

Но сега си представете, че тези 70 Ω съпротивление са разделени на три различни резистора последователно, със стойности от 20 Ω, 10 Ω и 40 Ω. Какъв е спадът на напрежението във всеки компонент?

Отново можете да използвате закона на Ом, за да разгледате всеки компонент от своя страна, отбелязвайки общия електрически ток около веригата от 0,1714 А. Използване на V = IR за всеки от трите резистора от своя страна:

За начало:

Секундата:

И третото:

Според закона за напрежението на Kirchhoff тези три спада на напрежението трябва да добавят до 12 V:

Това се равнява на 12 V до два знака след десетичната запетая, като лекото несъответствие се дължи на грешки в закръгляването.

В дискусията за това как да се измери напрежението по-горе беше отбелязано, че падането на напрежението в паралелните компоненти във веригата е еднакво. Това се обяснява сЗакон за напрежението на Kirchhoff, който гласи, че сумата от всички напрежения (положителното напрежение от източника на захранване и напрежението от компонентите) в затворен кръг трябва да бъде равна на нула​.

За паралелна верига с множество клонове можете да създадете такава верига, включваща всеки един от паралелните клонове и батерията. Независимо от компонента на всеки клон, падането на напрежението в който и да е клонтрябва даследователно да бъде равно на напрежението, осигурено от батерията (пренебрегвайки възможността за други компоненти последователно, за простота). Това важи за всички клонове и така паралелните компоненти винаги ще имат еднакви спада на напрежението в тях.

Законът на Ом също може да бъде разширен, за да се отнася до властта (P), което е скоростта на подаване на енергия в джаули в секунда (ватове,W) и се оказва, че P = IV.

За компонент на верига, като крушка, това показва, че мощността, която тя разсейва (т.е. се превръща в светлина), зависи от напрежението в нея, като по-високите напрежения водят до по-висока изходна мощност. В съответствие с обсъждането на паралелни компоненти в предишния раздел, множество електрически крушки, разположени паралелно, светят по-ярко от същите крушки последователно, тъй като пълното напрежение на батерията пада във всяка крушка, когато е свързано паралелно, докато само една трета от това се случва, когато са свързани серия.