Představte si, že voda teče z kopce soustavou potrubí. Vaše intuice by vám měla říci, jaké faktory způsobí, že voda bude proudit rychleji a co ji zpomalí. Čím vyšší kopec, tím rychlejší bude proud a čím více překážek v potrubí, tím pomaleji protéká.
To vše je způsobeno arozdíl potenciální energie mezi vrcholem kopce a dnem, protože voda má gravitační potenciální energii na vrcholu kopce a žádnou, dokud nedosáhne dna.
To je velká analogie pro elektrický proudNapětí. Stejným způsobem, když existuje rozdíl elektrického potenciálu mezi dvěma body v elektrickém obvodu, proudí elektrický proud z jedné části obvodu do druhé.
Stejně jako v příkladu s vodou je rozdíl v potenciální energii mezi dvěma body (vytvořený distribucí elektrického náboje) tím, co vytváří tok proudu. Fyzici samozřejmě mají přesnější definice než toto a učení rovnic, jako je Ohmův zákon, vám pomůže lépe porozumět napětí.
Definice Voltage
Napětí je název rozdílu elektrické potenciální energie mezi dvěma body a je definován jako elektrická potenciální energie na jednotku náboje. Ačkoli
elektrický potenciálje přesnější termín, skutečnost, že jednotka SI elektrického potenciálu je volt (V), znamená, že se běžně označuje jako napětí, zvláště když lidé hovoří o potenciálním rozdílu mezi svorkami baterie nebo jiných částí a obvod.Definici lze zapsat matematicky jako:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
KdePROTIje potenciální rozdíl,Eel je elektrická potenciální energie (v joulech) aqje náboj (v coulombech). Z toho byste měli vidět, že 1 V = 1 J / C, což znamená, že jeden volt je definován jako jeden joule na coulomb (tj. Na jednotku poplatku). Někdy uvidíteEpoužívá se jako symbol napětí, protože dalším výrazem pro stejnou veličinu je „elektromotorická síla“ (EMF), ale mnoho zdrojů používáPROTIaby odpovídaly každodennímu používání tohoto výrazu.
Volt dostává své jméno od italského fyzika Alessandra Volty, který je nejlépe známý pro vynález první elektrické baterie (nazývané „voltaická hromada“).
Rovnice pro napětí
Výše uvedená rovnice však není nejčastěji používanou rovnicí pro napětí, protože většina z čas, kdy narazíte na termín, bude zahrnovat elektrický obvod a nejužitečnější rovnici pro tohle jeOhmův zákon. To souvisí s napětím s tokem proudu v obvodu a odporem k toku proudu z vodičů a komponent obvodu a má formu:
V = IR
KdePROTIje potenciální rozdíl ve voltech (V);Jáje proudový proud, s jednotkou ampéru nebo krátce zesilovač (A); aRje odpor v ohmech (Ω). Na první pohled vám tato rovnice říká, že pro stejný odpor produkují vyšší napětí vyšší proudy (analogicky se zvyšováním výšky v úvodu) a pro stejné napětí je tok proudu snížen pro vyšší odpory (analogicky k překážkám v potrubí v příklad). Pokud není žádný rozdíl napětí, neprotéká žádný proud.
Různé komponenty obvodu se budou lišitpoklesy napětía můžete pomocí Ohmova zákona zjistit, jaké budou. V souladu s Kirchhoffovým zákonem o napětí všaksoučet poklesů napětí kolem jakékoli úplné smyčky v obvodu musí být roven nule.
Jak měřit napětí v obvodu
Napětí napříč prvkem v elektrickém obvodu lze měřit voltmetrem nebo multimetrem, přičemž tento multimetr obsahuje voltmetr, ale také další nástroje, jako je ampérmetr (pro měření proudu). Voltmetr připojíte paralelně k měřenému prvku, abyste určili pokles napětí mezi dvěma body - nikdy jej nepřipojujte do série!
Analogové voltmetry pracují pomocí galvanometru (zařízení pro měření malých elektrických proudů) v sérii s vysokoohmovým odporem, přičemž galvanometr obsahuje cívku drátu v magnetickém poli. Když proud protéká drátem, vytváří magnetické pole, které interaguje s existujícím magnetické pole, aby se cívka otočila, která poté pohybuje ukazatelem na zařízení a indikuje Napětí.
Protože otáčení cívky je úměrné proudu a proud je zase na řadě úměrné napětí (podle Ohmova zákona), čím více se cívka otáčí, tím větší je napětí mezi nimi dva body. To je komplikovanější, pokud měříte střídavý proud než stejnosměrný, ale také to umožňují různé konstrukce.
Musíte paralelně připojit voltmetr, protože dva paralelně zapojené prvky obvodu mají na nich stejné napětí. Voltmetr musí mít vysoký odpor, protože mu tak brání v odběru příliš velkého proudu z hlavního obvodu a tím ovlivnění výsledku. Voltmetry navíc nejsou konstruovány tak, aby odebíraly velké proudy, takže pokud zapojíte jeden do série, může to snadno rozbít nebo vyhodit pojistku.
Příklady napětí
Naučit se pracovat s elektrickým potenciálem zahrnuje naučit se používat Ohmův zákon a naučit se aplikovat Kirchhoffův zákon napětí pro stanovení úbytků napětí napříč různými prvky v obvodu. Nejjednodušší je použít Ohmův zákon na celý obvod.
Pokud je obvod napájen 12 V baterií a má celkový odpor 70 ohmů, jaký proud protéká obvodem?
Zde jednoduše potřebujete znovu uspořádat Ohmův zákon, abyste vytvořili výraz pro elektrický proud. Zákon stanoví:
V = IR
Vše, co musíte udělat, je rozdělit obě stranyRa obráceně získáte:
I = \ frac {V} {R}
Vkládání hodnot dává:
\ begin {zarovnáno} I & = \ frac {1 \ text {V}} {70 \ text {Ω}} \\ & = 0,1714 \ text {A} \ end {zarovnáno}
Proud je tedy 0,1714 A nebo 171,4 miliampérů (mA).
Ale teď si představte, že tento 70 Ω odporu je rozdělen na tři různé odpory v sérii s hodnotami 20 Ω, 10 Ω a 40 Ω. Jaký je pokles napětí napříč každou komponentou?
Opět můžete použít Ohmův zákon, abyste se postupně podívali na každou komponentu, přičemž si všimnete celkového elektrického proudu kolem obvodu 0,1714 A. Postupné použití V = IR pro každý ze tří rezistorů:
Pro prvního:
\ begin {zarovnaný} V_1 & = 0,1714 \ text {A} × 20 \ text {Ω} \\ & = 3,428 \ text {V} \ end {zarovnaný}
Druhý:
\ begin {zarovnáno} V_2 & = 0,1714 \ text {A} × 10 \ text {Ω} \\ & = 1,714 \ text {V} \ end {zarovnáno}
A třetí:
\ begin {zarovnáno} V_3 & = 0,1714 \ text {A} × 40 \ text {Ω} \\ & = 6,856 \ text {V} \ end {zarovnáno}
Podle Kirchhoffova zákona o napětí by tyto tři poklesy napětí měly přidat až 12 V:
\ begin {zarovnáno} V_1 + V_2 + V_3 & = 3,428 \ text {V} + 1,714 \ text {V} + 6,856 \ text {V} \\ & = 11,998 \ text {V} \ end {zarovnáno}
To se rovná 12 V na dvě desetinná místa, s mírnou nesrovnalostí kvůli chybám zaokrouhlování.
Klesá napětí napříč paralelními komponentami
V diskusi o tom, jak měřit napětí výše, bylo zjištěno, že poklesy napětí na paralelních součástech v obvodu jsou stejné. To vysvětlujeKirchhoffův zákon napětí, který říká, že součet všech napětí (kladné napětí ze zdroje energie a pokles napětí ze součástí) v uzavřené smyčce se musí rovnat nule.
Pro paralelní obvod s více větvemi můžete vytvořit takovou smyčku včetně kterékoli z paralelních větví a baterie. Bez ohledu na komponentu na každé větvi pokles napětí na kterékoli větvimusíproto se musí rovnat napětí dodávanému baterií (pro zjednodušení ignorování možnosti dalších komponent v sérii). To platí pro všechny větve, a tak paralelní komponenty budou mít vždy stejný pokles napětí napříč.
Napětí a výkon v žárovkách
Ohmův zákon lze také rozšířit tak, aby se týkal moci (P), což je rychlost dodávky energie v joulech za sekundu (watt,Ž) a ukázalo se, že P = IV.
U součásti obvodu, jako je žárovka, to ukazuje, že energie, kterou rozptýlí (tj. Změní se na světlo), závisí na napětí na ní, přičemž vyšší napětí vede k vyššímu výstupnímu výkonu. V souladu s diskusí o paralelních součástech v předchozí části více žárovek uspořádaných v paralelních žárovkách svítí jasněji než stejné žárovky sériově, protože plné napětí baterie klesá na každé žárovce při paralelním připojení, zatímco pouze třetina při připojení série.
