Ако сте нов във физиката на електричеството, термини катоволтажиусилвателиможе да изглежда почти взаимозаменяема въз основа на начина, по който се използват. Но в действителност те са много различни величини, въпреки че са тясно свързани с това как работят заедно в електрическа верига, както е описано от закона на Ом.
Наистина, "усилвателите" са мярка за електрически ток (който се измерва вампера), а напрежението е термин, който означава електрически потенциал (измерен вволта), но ако не сте научили подробностите, разбираемо е, че можете да объркате двамата помежду си.
За да разберете разликата - и никога повече да не ги бъркате - просто ви е необходим основен грунд за това какво означават и как са свързани с електрическа верига.
Какво е напрежение?
Напрежението е друг термин за електрическата потенциална разлика между две точки и може да бъде просто дефинирано като електрическа потенциална енергия на единица заряд.
Точно както гравитационният потенциал е потенциалната енергия, която обектът има по силата на своето положение в рамките на гравитационно поле, електрическият потенциал е потенциалната енергия, която един зареден обект има по силата на своето положение в електрическо поле. Напрежението конкретно описва това на единица електрически заряд и затова може да се запише:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
КъдетоVе напрежението,Е.ел е електрическата потенциална енергия иqе електрическият заряд. Тъй като единицата за електрическа потенциална енергия е джаулът (J), а единицата за електрически заряд е кулонът (C), единицата за напрежение е волта (V), където 1 V = 1 J / C, или с думи, един волт е равен на един джаул на кулон.
Това ви казва, че ако позволите заряд от 1 кулон да премине през потенциална разлика (т.е. напрежение) от 1 V, той ще спечелете 1 J енергия, или обратно, ще отнеме един джаул енергия, за да преместите кулон заряд през потенциална разлика от 1 V. Напрежението също понякога се наричаелектродвижеща сила(ЕМП).
Разликата в напрежението (или потенциалната разлика) между две точки, например от двете страни на елемент в електрическа верига, може да се измери чрез свързване на волтметър успоредно с елемента, който ви интересува в. Както подсказва името, волтметърът измерва напрежението между две точки на веригата, но когато използвате такава, тя трябва да бъде свързанапаралелноза да избегнете смущения в отчитането на напрежението или повреда на устройството.
Какво е актуално?
Електрическият ток, който понякога се нарича ампераж (тъй като има единица на ампера), е скоростта на потока на електрически заряд след точка във веригата. Електрическият заряд се носи от електрони, отрицателно заредените частици, които обграждат ядрото на атом, така че количеството ток наистина ви казва скоростта на потока на електроните. Една проста математическа дефиниция на електрически ток е:
I = \ frac {q} {t}
КъдетоАзе токът (в ампери),qе електрическият заряд (в кулони) иTе изминалото време (в секунди). Както показва това уравнение, дефиницията на ампер (A) е 1 A = 1 C / s или поток на електрически заряд от 1 кулон в секунда. По отношение на електроните това е около 6,2 × 1018 електрони (около шест милиарда милиарда), преминаващи през референтната точка в секунда за текущ поток от само 1 А.
Токът може да бъде измерен в електрическа верига чрез последователно свързване на амперметър - което означава в път на основния ток - с участъка на веригата искате да измерите количеството ток през.
Воден поток: аналогия
Ако все още се мъчите да разберете ролите, играят разликата в напрежението и електрическия ток в рамките на електрическа верига широко използваната аналогия между електричеството и водата трябва да помогне за изясняване нещата. Два различни сценария могат да се използват за представяне на напрежението в електрическа верига: или водопровод, минаващ по хълм, или резервоар за вода, запълнен с изходящ чучур в долната част.
За водопроводната тръба с единия край в горната част на хълма и другия край в долната част, вашата интуиция трябва ще ви кажа, че водата ще тече по-бързо, ако хълмът е по-висок и по-бавен, ако той е по-нисък. За примера с резервоара за вода, ако имаше два резервоара за вода, напълнени на различни нива, бихте очаквали по-напълненият резервоар да изпуска вода от изхода с по-бързи темпове от този, напълнен до по-нисък ниво.
Независимо дали става въпрос за потенциала от височината на хълма (поради гравитационния потенциал) или потенциала създадени от налягането на водата в резервоара, и двата примера предават ключов факт за напрежението разлики. Колкото по-голям е потенциалът, толкова по-бързо ще тече водата (т.е. токът).
Самият поток на водата е аналогичен на електрическия ток. Ако сте измервали водата, протичаща след една точка на тръбата в секунда, това е като текущия поток във верига, с изключение на водата вместо електрически заряд под формата на електрони. Така че, ако всичко останало е равно, високото напрежение води до голям ток и обратно. Последната част на картината е съпротивлението, което е аналогично на триенето между стените на тръбата и водата или физическа пречка, поставена в тръбата, частично блокираща водата поток.
Прилики и разлики
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {array} {c: c} \ text {Подобности} & \ text {Различия} \\ \ hline \ hline \ text {И двете се отнасят до електрически вериги} & \ text {Различни единици, напрежението е измерено във волта, където 1 V = 1 J / C} \\ & \ text {докато токът се измерва в ампери, където 1 A = 1 C / s} \\ \ hline \ text {И двете влияят върху това колко мощност се разсейва през верига element} & \ text {Токът се разпределя еднакво във всички компоненти, когато е последователно} \\ & \ text {докато спадът на напрежението на компонентите може да се различава} \\ \ hline \ text {И двата могат да се редуват полярност (напр. променлив} & \ text {Напрежението е равно на всички} \\ \ text {текущо или променливо напрежение) или директна полярност} & \ text {компоненти, свързани паралелно, докато токът се различава} \\ \ hline \ text {Те са право пропорционални един на друг в съответствие със закона на Ом} & \ text {Напрежението произвежда електрическо поле, докато токът произвежда магнитно поле} \\ \ hline & \ text {Напрежението предизвиква ток, докато токът е ефектът от напрежението} \\ \ hline & \ text {Токът тече само когато веригата е завършена, но разликите в напрежението остане} \ end {масив}
Както показва таблицата, електрическият ток и напрежението имат повече разлики, отколкото приликите, но има и някои прилики. Най-голямата разлика между двете е фактът, че те описват изцяло различни количества, така че след като разберете основите на това, което е всяко, едва ли ще ги объркате с едно друг.
Връзка между напрежението и тока
Разликата в напрежението и електрическият ток са право пропорционални един на друг в съответствие със закона на Ом, едно от най-важните уравнения във физиката на електрическите вериги. Уравнението свързва напрежението (т.е. потенциалната разлика, създадена от батерията или друг източник на захранване) към тока във веригата и съпротивлението на потока на тока, създаден от компонентите на верига.
Законът на Ом гласи:
V = IR
КъдетоVе напрежението,Азе електрическият ток иRе съпротивлението (измерено в ома, Ω). Поради тази причина законът на Ом понякога се нарича уравнение на напрежението, тока и съпротивлението. Ако знаете някакви две величини в това уравнение, можете да пренаредите уравнението, за да намерите другото количество, което го прави полезен при решаването на повечето проблеми с електрониката, които ще срещнете във физиката клас.
Заслужава да се отбележи, че законът на Ом не е такъввинагивалиден и като такъв не е „истински“ закон на физиката, а полезно приближение за това, което се наричаомическиматериали. Линейната връзка, която тя предполага между ток и напрежение, не се отнася за неща като нажежаема жичка крушка, където повишаването на температурата предизвиква увеличаване на съпротивлението и по този начин влияе на линейното връзка. Въпреки това, в повечето случаи (и със сигурност повечето физически проблеми, които ще ви бъдат зададени, включващи напрежение и електрически ток), той може да се използва без проблеми.
Закон за властта на Ом
Законът на Ом се използва предимно за свързване на напрежението към тока и съпротивлението; обаче има разширение на закона, което ви позволява да използвате същите величини за изчисляване на разсейваната електрическа мощност във верига, където мощносттаPе скоростта на пренос на енергия във ватове (където 1 W = 1 J / s). Най-простата форма на това уравнение е:
P = IV
Така с думи, мощността е равна на ток, умножен по напрежение. Следователно, това е ключова област, в която разликата в напрежението и електрическият ток са сходни: И двамата имат пряко пропорционална връзка с мощността, разсейвана във верига. Ако не знаете тока, можете да използвате пренареждане на закона на Ом (I = V / R), за да изразите мощност като:
\ начало {подравнено} P & = \ frac {V} {R} × V \\ & = \ frac {V ^ 2} {R} \ end {подравнено}
Или използвайки стандартната форма на закона на Ом, можете да замените напрежението и да напишете:
P = I ^ 2R
Чрез пренареждането на тези уравнения можете също да изразите напрежение, съпротивление или ток по отношение на мощността и друго количество.
Kirchhoff’s Voltage and Current Laws
Законите на Kirchhoff са два от другите най-важни закони за електрическите вериги и са особено полезни, когато анализирате схема с множество компоненти.
Първият закон на Кирхоф понякога се нарича действащ закон, тъй като гласи, че общият ток протичането в кръстовище е равно на тока, изтичащ от него - по същество този заряд е консервирани.
Вторият закон на Kirchhoff се нарича закон за напрежението и той гласи, че за всеки затворен контур във верига, сумата от всички напрежения трябва да бъде равна на нула. За закона за напрежението вие третирате батерията като положително напрежение и третирате падането на напрежението на който и да е компонент като отрицателно напрежение.
В комбинация със закона на Ом тези два закона могат да бъдат използвани за решаване на практически всеки проблем, който вероятно ще срещнете, включващ електрически вериги.
Напрежение и ток: Примерни изчисления
Представете си, че имате схема, включваща 12-V батерия и два резистора, свързани последователно, с съпротивления 30 Ω и 15 Ω. Общото съпротивление на веригата се дава от сумата на тези две съпротивления, така че 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Имайте предвид, че когато резисторите са разположени паралелно, връзката включва реципрочни знаци, но това не е важно за разбиране на връзката между разликата в напрежението и тока, така че този прост пример ще е достатъчен за сега цели.
Какъв е електрическият ток, протичащ през веригата? Опитайте се сами да приложите закона на Ом, преди да прочетете.
Следната форма на закона на Ом:
I = \ frac {V} {R}
Позволява ви да изчислите:
\ begin {align} I & = \ frac {12 \ text {V}} {45 \ text {Ω}} \\ & = 0.27 \ text {A} \ end {align}
Сега, знаейки тока през веригата, какъв е спадът на напрежението в 15-Ω резистор? Законът на Ом в стандартната форма може да се използва за справяне с този въпрос. Вмъкване на стойностите наАз= 0,27 А иR= 15 Ω дава:
\ начало {подравнено} V & = IR \\ & = 0,27 \ текст {A} × 15 \ текст {Ω} \\ & = 4,05 \ текст {V} \ край {подравнено}
За целите на използването на законите на Kirchhoff това ще бъде отрицателно напрежение (т.е. спад на напрежението). Като последно упражнение, можете ли да покажете, че общото напрежение около затворения контур ще бъде равно на нула? Не забравяйте, че батерията има положително напрежение и всички спадания на напрежението са отрицателни.