Spænding vs strøm: Hvad er ligheder og forskelle?

Hvis du er ny inden for elektricitetens fysik, vil udtryk somspændingogforstærkerekan næsten virke udskiftelige baseret på den måde, de bruges på. Men i virkeligheden er de meget forskellige størrelser, selvom de er tæt forbundet med, hvordan de arbejder sammen i et elektrisk kredsløb, som beskrevet i Ohms lov.

Virkelig er "forstærkere" et mål for elektrisk strøm (som måles iampere), og spænding er et udtryk, der betyder elektrisk potentiale (målt ivolt), men medmindre du har lært detaljerne, er det forståeligt, at du kan få de to forvirrede med hinanden.

For at forstå forskellen - og aldrig få dem blandet igen - har du bare brug for en grundlæggende primer om, hvad de mener, og hvordan de relaterer sig til et elektrisk kredsløb.

Spænding er et andet udtryk for den elektriske potentialeforskel mellem to punkter, og den kan simpelthen defineres som den elektriske potentielle energi pr. Enhedsopladning.

Ligesom tyngdepotentialet er den potentielle energi, som et objekt har i kraft af sin position inden for a gravitationsfelt, elektrisk potentiale er den potentielle energi, en ladet genstand har i kraft af sin position i en elektrisk felt. Spænding beskriver specifikt dette pr. Enhed af elektrisk ladning, og så kan det skrives:

HvorVer spændingen,E​_el er den elektriske potentielle energi ogqer den elektriske ladning. Da enheden for elektrisk potentiel energi er joule (J) og enheden for elektrisk ladning er coulomb (C), spændingsenheden er volt (V), hvor 1 V = 1 J / C, eller med ord, en volt er lig med en joule pr. coulomb.

Dette fortæller dig, at hvis du tillader en ladning på 1 coulomb at passere en potentiel forskel (dvs. en spænding) på 1 V, vil den få 1 J energi eller omvendt vil det tage en joule energi at flytte en coulomb af ladning gennem en potentiel forskel på 1 V. Spænding kaldes også undertidenElektromotorisk kraft(EMF).

Spændingsforskellen (eller potentiel forskel) mellem to punkter, såsom på hver side af et element i et elektrisk kredsløb, kan måles ved at tilslutte et voltmeter parallelt med det element, du er interesseret i i. Som navnet antyder, måler et voltmeter spændingen mellem to punkter på kredsløbet, men når du bruger et, skal det være tilsluttetparalleltfor at undgå interferens med spændingsaflæsningen eller beskadigelse af enheden.

Elektrisk strøm, som undertiden kaldes strømstyrken (da den har ampereenheden), er strømningshastigheden af ​​elektrisk ladning forbi et punkt i et kredsløb. Den elektriske ladning bæres af elektroner, de negativt ladede partikler, der omgiver atomets kerne, så mængden af ​​strøm virkelig fortæller dig strømmen af ​​elektroner. En simpel matematisk definition af elektrisk strøm er:

Hvorjeger strømmen (i ampere),qer den elektriske ladning (i coulombs) ogter den forløbne tid (i sekunder). Som denne ligning viser, er definitionen af ​​en ampere (A) 1 A = 1 C / s eller en strøm af en elektrisk ladning på 1 coulomb pr. Sekund. Med hensyn til elektroner handler det om 6,2 × 10¹⁸ elektroner (ca. seks milliarder milliarder), der flyder forbi referencepunktet per sekund for en strøm på kun 1 A.

Strøm kan måles i et elektrisk kredsløb ved at forbinde et amperemeter i serie - hvilket betyder i stien til hovedstrømmen - med den del af kredsløbet, du vil måle strømmen igennem.

Hvis du stadig kæmper for at forstå rollerne, spiller spændingsforskellen og den elektriske strøm inden for et elektrisk kredsløb, bør en udbredt analogi mellem elektricitet og vand hjælpe med at afklare ting. To forskellige scenarier kan bruges til at repræsentere spændingen i et elektrisk kredsløb: enten et vandrør, der løber ned ad en bakke, eller en vandtank fyldt op med en udløbstud i bunden.

For vandrøret med den ene ende øverst på en bakke og den anden ende i bunden, skal din intuition fortælle dig, at vand ville strømme gennem det hurtigere, hvis bakken var højere og langsommere, hvis den var lavere. For eksempel på vandtanken, hvis der var to vandtanke fyldt til forskellige niveauer, ville du forvente den mere fyldte tank for at frigive vand fra udløbet i en hurtigere hastighed end den, der er fyldt til en lavere niveau.

Uanset om det er potentialet fra bakkens højde (på grund af tyngdepotentiale) eller potentialet skabt af vandtrykket i tanken, formidler begge disse eksempler en nøglefakta om spænding forskelle. Jo større potentiale er, desto hurtigere flyder vandet (dvs. strømmen).

Selve vandstrømmen er analog med elektrisk strøm. Hvis du målte vandet, der flyder forbi et enkelt punkt på røret pr. Sekund, er det som strømmen i et kredsløb, undtagen med vand i stedet for elektrisk ladning i form af elektroner. Så hvis alt andet er ens, fører en høj spænding til en høj strøm og omvendt. Den sidste del af billedet er modstand, som er analog med friktionen mellem væggene i røret og vandet eller en fysisk forhindring placeret i røret, der delvis blokerer vandet flyde.

Som tabellen viser, har elektrisk strøm og spænding flere forskelle, end de gør ligheder, men der er også nogle ligheder. Den største forskel mellem de to er, at de beskriver forskellige mængder fuldstændigt, så Når du først har forstået det grundlæggende i, hvad hver enkelt er, vil du sandsynligvis ikke forveksle dem med en en anden.

Spændingsforskel og elektrisk strøm er direkte proportionale med hinanden i tråd med Ohms lov, en af ​​de vigtigste ligninger i fysiske elektriske kredsløb. Ligningen vedrører spændingen (dvs. potentialforskellen skabt af batteriet eller en anden strømkilde) til strømmen i kredsløbet og modstanden mod strømmen skabt af komponenterne i kredsløb.

Ohms lov siger:

HvorVer spændingen,jeger den elektriske strøm ogRer modstanden (målt i ohm, Ω). Af denne grund kaldes Ohms lov undertiden spænding, strøm og modstandsligning. Hvis du kender to størrelser i denne ligning, kan du omarrangere ligningen for at finde den anden mængde, hvilket gør det nyttigt at løse de fleste elektronikproblemer, du støder på i fysik klasse.

Det er værd at bemærke, at Ohms lov ikke er detaltidgyldig, og som sådan er det ikke en "ægte" fysiklov, men en nyttig tilnærmelse til hvad der kaldesohmiskmaterialer. Det lineære forhold, det indebærer mellem strøm og spænding, holder ikke for ting som en glødetråd pære, hvor stigningen i temperatur forårsager en stigning i modstand og således påvirker den lineære forhold. I de fleste tilfælde (og bestemt de fleste fysiske problemer, du bliver spurgt om spænding og elektrisk strøm), kan den dog bruges uden problemer.

Ohms lov bruges primært til at relatere spænding til strøm og modstand; der er dog en udvidelse af loven, der giver dig mulighed for at bruge de samme størrelser til at beregne den elektriske effekt, der spredes i et kredsløb, hvor strømmenPer energioverførselshastigheden i watt (hvor 1 W = 1 J / s). Den enkleste form for denne ligning er:

Så med ord er strøm lig med strøm ganget med spænding. Derfor er dette et nøgleområde, hvor spændingsforskel og elektrisk strøm er ens: De deler begge et direkte forholdsmæssigt forhold til den spredte effekt i et kredsløb. Hvis du ikke kender strømmen, kan du bruge en omarrangering af Ohms lov (I = V / R) til at udtrykke magt som:

Eller ved hjælp af standardformen for Ohms lov kan du udskifte spænding og skrive:

Ved at omarrangere disse ligninger kan du også udtrykke spænding, modstand eller strøm med hensyn til effekt og en anden størrelse.

Kirchhoffs love er to af de andre vigtigste love for elektriske kredsløb, og de er især nyttige, når du analyserer et kredsløb med flere komponenter.

Kirchhoffs første lov kaldes undertiden den nuværende lov, fordi den siger, at den samlede strøm strømmer ind i et kryds er lig med strømmen, der strømmer ud af det - i det væsentlige er ladningen bevaret.

Kirchhoffs anden lov kaldes spændingsloven, og den siger, at for enhver lukket sløjfe i et kredsløb skal summen af ​​alle spændinger være lig med nul. I henhold til spændingsloven behandler du batteriet som en positiv spænding og behandler spændingsfaldene over enhver komponent som en negativ spænding.

I kombination med Ohms lov kan disse to love bruges til at løse stort set ethvert problem, du sandsynligvis støder på med elektriske kredsløb.

Forestil dig, at du har et kredsløb, der involverer et 12-V batteri og to modstande, serieforbundne, med modstande på 30 Ω og 15 Ω. Den samlede modstand for kredsløbet er givet af summen af ​​disse to modstande, så 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Bemærk, at når modstande er arrangeret parallelt, involverer forholdet gensidige, men dette er ikke vigtigt for forståelse af forholdet mellem spændingsforskel og strøm, så dette enkle eksempel er tilstrækkeligt for nuværende formål.

Hvad er den elektriske strøm, der strømmer gennem kredsløbet? Prøv at anvende Ohms lov selv, før du læser videre.

Følgende form for Ohms lov:

Giver dig mulighed for at beregne:

Ved nu at kende strømmen gennem kredsløbet, hvad er spændingsfaldet over 15-Ω modstanden? Ohms lov i standardformularen kan bruges til at løse dette spørgsmål. Indsættelse af værdierne forjeg= 0,27 A ogR= 15 Ω giver:

Med henblik på at bruge Kirchhoffs love vil dette være en negativ spænding (dvs. et spændingsfald). Kan du som en sidste øvelse vise, at den samlede spænding omkring den lukkede sløjfe vil være lig med nul? Husk, at batteriet har en positiv spænding, og at alle spændingsfald er negative.