Napětí vs. proud: Jaké jsou podobnosti a rozdíly?

Pokud jste ve fyzice elektřiny nováčkem, pojmy jakoNapětíazesilovačese může zdát téměř zaměnitelné na základě způsobu, jakým jsou používány. Ve skutečnosti se však jedná o velmi rozdílné veličiny, i když jsou úzce spjaty s tím, jak spolupracují v elektrickém obvodu, jak to popisuje Ohmův zákon.

Ve skutečnosti jsou „zesilovače“ mírou elektrického proudu (který se měří vampéry) a napětí je termín, který znamená elektrický potenciál (měřeno vvoltů), ale pokud jste se nedozvěděli podrobnosti, je pochopitelné, že byste je mohli navzájem zmást.

Abychom pochopili rozdíl - a nikdy je znovu nezaměňovali - potřebujete pouze základní nátěr o tom, co znamenají a jak souvisí s elektrickým obvodem.

Napětí je dalším výrazem pro rozdíl elektrického potenciálu mezi dvěma body a lze jej jednoduše definovat jako energii elektrického potenciálu na jednotku náboje.

Stejně jako gravitační potenciál je potenciální energie, kterou má objekt na základě své polohy v a gravitační pole, elektrický potenciál je potenciální energie, kterou má nabitý objekt na základě své polohy v elektrické pole. Napětí to konkrétně popisuje na jednotku elektrického náboje, a proto lze psát:

KdePROTIje napětí,E​_el je elektrická potenciální energie aqje elektrický náboj. Protože jednotkou pro elektrickou potenciální energii je joule (J) a jednotkou pro elektrický náboj je coulomb (C), jednotkou napětí je volt (V), kde 1 V = 1 J / C, nebo slovy, jeden volt se rovná jednomu joulu na coulomb.

To vám říká, že pokud necháte náboj 1 coulomba projít potenciálním rozdílem (tj. Napětím) 1 V, bude získat 1 J energie, nebo naopak, bude trvat jeden joule energie k pohybu coulombu náboje přes potenciální rozdíl 1 PROTI. Napětí se také někdy označuje jakoelektromotorická síla(EMF).

Rozdíl napětí (nebo potenciální rozdíl) mezi dvěma body, například na obou stranách prvku v elektrický obvod, lze měřit paralelním připojením voltmetru k prvku, který vás zajímá v. Jak název napovídá, voltmetr měří napětí mezi dvěma body obvodu, ale pokud používáte jeden, musí být připojenparalelněaby nedošlo k rušení odečtu napětí nebo poškození zařízení.

Elektrický proud, který se někdy označuje jako intenzita proudu (protože má jednotku ampéru), je rychlost toku elektrického náboje za bod v obvodu. Elektrický náboj je nesen elektrony, záporně nabitými částicemi, které obklopují jádro atomu, takže množství proudu vám skutečně říká rychlost toku elektronů. Jednoduchá matematická definice elektrického proudu je:

KdeJáje proud (v ampérech),qje elektrický náboj (v coulombech) atje uplynulý čas (v sekundách). Jak ukazuje tato rovnice, definice ampéru (A) je 1 A = 1 C / s nebo tok elektrického náboje 1 coulomb za sekundu. Pokud jde o elektrony, je to asi 6,2 × 10¹⁸ elektrony (asi šest miliard miliard) tekoucí kolem referenčního bodu za sekundu pro proudový tok pouze 1 A.

Proud lze měřit v elektrickém obvodu zapojením ampérmetru do série - to znamená v cesta hlavního proudu - s částí obvodu, kterou chcete měřit množství proudu přes.

Pokud se stále snažíte porozumět rolím, hrají rozdíl napětí a elektrický proud v elektrickém obvodu by měla objasnit široce používaná analogie mezi elektřinou a vodou věci. K reprezentaci napětí v elektrickém obvodu lze použít dva různé scénáře: buď vodovodní potrubí stékající z kopce, nebo vodní nádrž naplněná výstupním výtokem dole.

U vodovodu s jedním koncem na vrcholu kopce a druhým koncem dole by měla být vaše intuice řeknu vám, že by jí voda protékala rychleji, kdyby byl kopec vyšší a pomalejší, kdyby byl kopec nižší. Například pro nádrž na vodu, pokud by byly dvě nádrže na vodu naplněné na různé úrovně, byste to očekávali tím více naplněná nádrž, aby uvolňovala vodu z výstupu rychleji, než ta naplněná do nižší úroveň.

Ať už je to potenciál z výšky kopce (kvůli gravitačnímu potenciálu) nebo potenciál vytvořené tlakem vody v nádrži, oba tyto příklady vyjadřují klíčový fakt o napětí rozdíly. Čím větší je potenciál, tím rychleji bude proudit voda (tj. Proud).

Samotný tok vody je analogický s elektrickým proudem. Pokud jste měřili vodu tekoucí kolem jediného bodu na potrubí za sekundu, je to jako proudový proud v okruhu, s výjimkou vody namísto elektrického náboje ve formě elektronů. Pokud je tedy vše ostatní stejné, vede vysoké napětí k vysokému proudu a naopak. Poslední částí obrázku je odpor, který je analogický tření mezi stěnami potrubí a voda nebo fyzická překážka umístěná v potrubí částečně blokující vodu tok.

Jak ukazuje tabulka, elektrický proud a napětí mají více rozdílů, než mají podobnosti, ale existují i ​​některé podobnosti. Největší rozdíl mezi nimi je skutečnost, že popisují úplně různá množství, takže jakmile pochopíte základy toho, co každý z nich je, je nepravděpodobné, že byste si je spletli s jedním další.

Rozdíl napětí a elektrický proud jsou navzájem přímo úměrné v souladu s Ohmovým zákonem, jednou z nejdůležitějších rovnic ve fyzice elektrických obvodů. Rovnice souvisí s napětím (tj. Potenciálním rozdílem vytvořeným baterií nebo jiným zdrojem energie) proudu v obvodu a odporu proti toku proudu vytvářeného složkami obvod.

Ohmův zákon stanoví:

KdePROTIje napětí,Jáje elektrický proud aRje odpor (měřený v ohmech, Ω). Z tohoto důvodu se Ohmův zákon někdy označuje jako rovnice napětí, proudu a odporu. Pokud v této rovnici znáte jakékoli dvě veličiny, můžete ji znovu uspořádat a najít druhou množství, což je užitečné při řešení většiny problémů s elektronikou, se kterými se ve fyzice setkáte třída.

Stojí za zmínku, že Ohmův zákon nenívždyplatné, a nejde tedy o „opravdový“ zákon fyziky, ale o užitečnou aproximaci toho, co se nazýváohmickýmateriály. Lineární vztah, který implikuje mezi proudem a napětím, neplatí pro věci, jako je vlákno žárovka, kde zvýšení teploty způsobí zvýšení odporu a ovlivní tak lineární vztah. Ve většině případů (a určitě většiny problémů s fyzikou, které se vás zeptají na napětí a elektrický proud), však může být použit bez problémů.

Ohmův zákon se primárně používá k propojení napětí s proudem a odporem; existuje však rozšíření zákona, které vám umožňuje použít stejná množství k výpočtu elektrického výkonu rozptýleného v obvodu, kde je výkonPje rychlost přenosu energie ve wattech (kde 1 W = 1 J / s). Nejjednodušší forma této rovnice je:

Takže slovy, síla se rovná proudu vynásobenému napětím. Jedná se tedy o klíčovou oblast, ve které jsou rozdíly napětí a elektrického proudu podobné: Oba sdílejí přímo úměrný vztah s výkonem rozptýleným v obvodu. Pokud neznáte proud, můžete použít nové uspořádání Ohmova zákona (I = V / R) k vyjádření moci jako:

Nebo pomocí standardní formy Ohmova zákona můžete vyměnit napětí a napsat:

Změnou uspořádání těchto rovnic můžete také vyjádřit napětí, odpor nebo proud z hlediska výkonu a jiné veličiny.

Kirchhoffovy zákony jsou dva z dalších nejdůležitějších zákonů pro elektrické obvody a jsou obzvláště užitečné, když analyzujete obvod s více komponentami.

Kirchhoffův první zákon se někdy nazývá současný zákon, protože uvádí, že celkový proud proudící do křižovatky se rovná proudu tekoucímu z něj - v podstatě ten náboj je konzervovaný.

Kirchhoffův druhý zákon se nazývá napěťový zákon a uvádí, že pro každou uzavřenou smyčku v obvodu se součet všech napětí musí rovnat nule. Podle zákona o napětí považujete baterii za kladné napětí a poklesy napětí na libovolné součásti považujete za záporné napětí.

V kombinaci s Ohmovým zákonem lze tyto dva zákony použít k vyřešení v podstatě jakéhokoli problému, který by pravděpodobně narazil na elektrické obvody.

Představte si, že máte obvod zahrnující 12 V baterii a dva rezistory zapojené do série s odpory 30 Ω a 15 Ω. Celkový odpor obvodu je dán součtem těchto dvou odporů, tedy 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Všimněte si, že když jsou rezistory uspořádány paralelně, vztah zahrnuje reciproční, ale to není důležité porozumění vztahu mezi napěťovým rozdílem a proudem, takže tento jednoduchý příklad bude prozatím stačit účely.

Jaký je elektrický proud protékající obvodem? Než budete číst dál, zkuste sami použít Ohmův zákon.

Následující forma Ohmova zákona:

Umožňuje vypočítat:

Nyní, když známe proud v obvodu, jaký je pokles napětí na odporu 15 Ω? K řešení této otázky lze použít Ohmův zákon ve standardní formě. Vkládání hodnotJá= 0,27 A aR= 15 Ω dává:

Pro účely použití Kirchhoffových zákonů to bude záporné napětí (tj. Pokles napětí). Na závěr můžete ukázat, že celkové napětí kolem uzavřené smyčky bude rovno nule? Pamatujte, že baterie má kladné napětí a všechny poklesy napětí jsou záporné.