Spannung vs. Strom: Was sind die Ähnlichkeiten und Unterschiede?

Wenn Sie neu in der Physik der Elektrizität sind, werden Begriffe wieStromspannungundAmperekönnen aufgrund ihrer Verwendung fast austauschbar erscheinen. In Wirklichkeit handelt es sich jedoch um sehr unterschiedliche Größen, obwohl sie durch ihr Zusammenwirken in einem elektrischen Stromkreis eng miteinander verbunden sind, wie es das Ohmsche Gesetz beschreibt.

Tatsächlich sind „Ampere“ ein Maß für den elektrischen Strom (der in gemessen wird).Ampere), und Spannung ist ein Begriff, der elektrisches Potenzial (gemessen inVolt), aber wenn Sie die Details nicht kennen, ist es verständlich, dass Sie die beiden miteinander verwechseln können.

Um den Unterschied zu verstehen – und sie nie wieder zu verwechseln – brauchen Sie nur eine grundlegende Einführung in ihre Bedeutung und ihren Bezug zu einem Stromkreis.

Spannung ist ein anderer Begriff für die elektrische Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten und kann einfach als elektrische potenzielle Energie pro Ladungseinheit definiert werden.

So wie das Gravitationspotential die potentielle Energie ist, die ein Objekt aufgrund seiner Position innerhalb von a. hat Gravitationsfeld, elektrisches Potential ist die potentielle Energie, die ein geladenes Objekt aufgrund seiner Position in einem elektrisches Feld. Spannung beschreibt dies spezifisch pro Einheit elektrischer Ladung und kann daher geschrieben werden:

WoVist die Spannung,E​_el ist die elektrische potentielle Energie undqist die elektrische Ladung. Da die Einheit für die elektrische potentielle Energie das Joule (J) und die Einheit für die elektrische Ladung das Coulomb. ist (C), die Einheit der Spannung ist das Volt (V), wobei 1 V = 1 J/C, oder in Worten, ein Volt entspricht einem Joule pro coulomb.

Dies sagt Ihnen, dass, wenn Sie eine Ladung von 1 Coulomb durch eine Potenzialdifferenz (d. h. eine Spannung) von 1 V passieren lassen, dies 1 J Energie gewinnen, oder umgekehrt, es wird ein Joule Energie benötigt, um ein Coulomb Ladung durch eine Potentialdifferenz von 1. zu bewegen V. Spannung wird manchmal auch als bezeichnetelektromotorische Kraft(EMF).

Die Spannungsdifferenz (oder Potenzialdifferenz) zwischen zwei Punkten, z. B. auf beiden Seiten eines Elements in ein elektrischer Stromkreis, kann gemessen werden, indem ein Voltmeter parallel zum interessierenden Element angeschlossen wird im. Wie der Name schon sagt, misst ein Voltmeter die Spannung zwischen zwei Punkten im Stromkreis, aber wenn Sie einen verwenden, muss er angeschlossen seinparallel zuum Störungen der Spannungsmessung oder Schäden am Gerät zu vermeiden.

Elektrischer Strom, der manchmal auch als Ampere bezeichnet wird (da er die Einheit Ampere hat), ist die Geschwindigkeit des elektrischen Ladungsflusses an einem Punkt in einem Stromkreis. Die elektrische Ladung wird von Elektronen getragen, den negativ geladenen Teilchen, die den Kern eines Atoms umgeben. Die Stromstärke sagt Ihnen also wirklich die Geschwindigkeit des Elektronenflusses aus. Eine einfache mathematische Definition von elektrischem Strom ist:

Woichist der Strom (in Ampere),qist die elektrische Ladung (in Coulomb) undtist die verstrichene Zeit (in Sekunden). Wie diese Gleichung zeigt, ist die Definition eines Amperes (A) 1 A = 1 C/s oder ein Strom einer elektrischen Ladung von 1 Coulomb pro Sekunde. In Bezug auf Elektronen sind dies etwa 6,2 × 10¹⁸ Elektronen (etwa sechs Milliarden Milliarden) fließen pro Sekunde bei einem Stromfluss von nur 1 A am Referenzpunkt vorbei.

Strom kann in einem Stromkreis gemessen werden, indem ein Amperemeter in Reihe geschaltet wird – d.h Pfad des Hauptstroms – mit dem Abschnitt des Stromkreises, in dem Sie die Stromstärke messen möchten durch.

Wenn Sie immer noch Schwierigkeiten haben, die Rolle der Spannungsdifferenz und des elektrischen Stroms zu verstehen innerhalb eines Stromkreises soll eine weit verbreitete Analogie zwischen Strom und Wasser zur Klärung beitragen Dinge. Zwei verschiedene Szenarien können verwendet werden, um die Spannung in einem Stromkreis darzustellen: Entweder eine Wasserleitung, die einen Hügel hinunterführt, oder ein Wassertank, der mit einem Auslassstutzen an der Unterseite gefüllt ist.

Für die Wasserleitung mit einem Ende oben auf einem Hügel und das andere Ende unten sollte Ihre Intuition sagen Ihnen, dass das Wasser schneller durch sie fließen würde, wenn der Hügel höher wäre, und langsamer, wenn der Hügel niedriger wäre. Für das Wassertank-Beispiel würden Sie erwarten, dass zwei Wassertanks unterschiedlich gefüllt sind der stärker gefüllte Tank, um das Wasser schneller aus dem Auslass abzulassen als der, der zu einem niedrigeren gefüllt ist Niveau.

Sei es das Potenzial aus der Höhe des Hügels (aufgrund des Gravitationspotenzials) oder das Potenzial durch den Wasserdruck im Tank erzeugt, vermitteln diese beiden Beispiele eine wichtige Tatsache über die Spannung Unterschiede. Je größer das Potenzial, desto schneller fließt das Wasser (d. h. der Strom).

Der Wasserfluss selbst ist analog zum elektrischen Strom. Wenn Sie das Wasser, das pro Sekunde an einem einzigen Punkt des Rohres vorbeifließt, gemessen haben, ist dies wie der Stromfluss in einem Kreislauf, nur mit Wasser anstelle von elektrischer Ladung in Form von Elektronen. Wenn alles andere gleich ist, führt eine hohe Spannung zu einem hohen Strom und umgekehrt. Der letzte Teil des Bildes ist der Widerstand, der der Reibung zwischen den Wänden von entspricht das Rohr und das Wasser, oder ein physisches Hindernis im Rohr, das das Wasser teilweise blockiert blocking fließen.

Wie die Tabelle zeigt, weisen elektrische Ströme und Spannungen mehr Unterschiede als Ähnlichkeiten auf, aber es gibt auch einige Ähnlichkeiten. Der größte Unterschied zwischen den beiden ist die Tatsache, dass sie völlig unterschiedliche Größen beschreiben, also Sobald Sie die Grundlagen der einzelnen Elemente verstanden haben, werden Sie sie wahrscheinlich nicht mit einer verwechseln Ein weiterer.

Spannungsdifferenz und elektrischer Strom sind nach dem Ohmschen Gesetz, einer der wichtigsten Gleichungen in der Physik elektrischer Schaltungen, direkt proportional zueinander. Die Gleichung bezieht sich auf die Spannung (d. h. die Potenzialdifferenz, die von der Batterie oder einer anderen Stromquelle erzeugt wird) auf den Strom im Stromkreis und den Widerstand gegen den Stromfluss, der durch die Komponenten des Schaltkreis.

Das Ohmsche Gesetz besagt:

WoVist die Spannung,ichist der elektrische Strom undRist der Widerstand (gemessen in Ohm, ). Aus diesem Grund wird das Ohmsche Gesetz manchmal als Spannungs-, Strom- und Widerstandsgleichung bezeichnet. Wenn Sie zwei beliebige Größen in dieser Gleichung kennen, können Sie die Gleichung neu anordnen, um die andere zu finden Quantität, die es nützlich macht, die meisten elektronischen Probleme zu lösen, denen Sie in der Physik begegnen werden Klasse.

Es ist erwähnenswert, dass das Ohmsche Gesetz nichtimmergültig, und als solches ist es kein „echtes“ Gesetz der Physik, sondern eine nützliche Näherung für das, was sog.ohmschMaterialien. Die lineare Beziehung zwischen Strom und Spannung gilt nicht für Dinge wie ein Filament a Glühbirne, bei der die Temperaturerhöhung eine Widerstandserhöhung bewirkt und sich damit auf den linearen Beziehung. In den meisten Fällen (und sicherlich bei den meisten physikalischen Problemen, die Sie mit Spannung und elektrischem Strom stellen werden) kann es jedoch problemlos verwendet werden.

Das Ohmsche Gesetz wird hauptsächlich verwendet, um Spannung mit Strom und Widerstand in Beziehung zu setzen; Es gibt jedoch eine Erweiterung des Gesetzes, die es Ihnen erlaubt, die gleichen Größen zur Berechnung der elektrischen Verlustleistung in einem Stromkreis zu verwenden, wobei LeistungPist die Energieübertragungsrate in Watt (wobei 1 W = 1 J/s). Die einfachste Form dieser Gleichung ist:

In Worten, Leistung ist gleich Strom multipliziert mit Spannung. Daher ist dies ein Schlüsselbereich, in dem Spannungsdifferenz und elektrischer Strom ähnlich sind: Beide haben eine direkt proportionale Beziehung zur Verlustleistung in einem Stromkreis. Wenn Sie den Strom nicht kennen, können Sie eine Neuordnung des Ohmschen Gesetzes (I = V / R) verwenden, um die Leistung wie folgt auszudrücken:

Oder mit der Standardform des Ohmschen Gesetzes können Sie die Spannung ersetzen und schreiben:

Durch Umstellen dieser Gleichungen können Sie Spannung, Widerstand oder Strom auch in Form von Leistung und einer anderen Größe ausdrücken.

Die Kirchhoffschen Gesetze sind zwei der anderen wichtigsten Gesetze für elektrische Schaltungen und sie sind besonders nützlich, wenn Sie eine Schaltung mit mehreren Komponenten analysieren.

Das erste Kirchhoffsche Gesetz wird manchmal auch Stromgesetz genannt, weil es besagt, dass der Gesamtstrom der in eine Verbindung fließt, ist gleich dem Strom, der aus ihr fließt – im Wesentlichen ist diese Ladung konserviert.

Das zweite Kirchhoffsche Gesetz heißt Spannungsgesetz und besagt, dass für jede geschlossene Schleife in einem Stromkreis die Summe aller Spannungen gleich Null sein muss. Für das Spannungsgesetz behandeln Sie die Batterie als positive Spannung und die Spannungsabfälle an einer Komponente als negative Spannung.

In Kombination mit dem Ohmschen Gesetz können diese beiden Gesetze verwendet werden, um praktisch jedes Problem zu lösen, auf das Sie wahrscheinlich bei elektrischen Schaltungen stoßen.

Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Stromkreis mit einer 12-V-Batterie und zwei in Reihe geschalteten Widerständen mit Widerständen von 30 und 15 Ω. Der Gesamtwiderstand der Schaltung ergibt sich aus der Summe dieser beiden Widerstände, also 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Beachten Sie, dass bei Parallelschaltung von Widerständen die Beziehung Kehrwerte beinhaltet, dies ist jedoch nicht wichtig für Verständnis der Beziehung zwischen Spannungsdifferenz und Strom, daher wird dieses einfache Beispiel für den Moment ausreichen Zwecke.

Welcher Strom fließt durch den Stromkreis? Versuchen Sie, das Ohmsche Gesetz selbst anzuwenden, bevor Sie weiterlesen.

Die folgende Form des Ohmschen Gesetzes:

Ermöglicht die Berechnung von:

Wenn man nun den Strom durch die Schaltung kennt, wie groß ist der Spannungsabfall über dem 15-Ω-Widerstand? Um diese Frage zu beantworten, kann das Ohmsche Gesetz in der Standardform verwendet werden. Einfügen der Werte vonich= 0,27 A undR= 15 Ω ergibt:

Für die Zwecke der Anwendung der Kirchhoffschen Gesetze ist dies eine negative Spannung (d. h. ein Spannungsabfall). Können Sie als letzte Übung zeigen, dass die Gesamtspannung um die geschlossene Schleife gleich Null ist? Denken Sie daran, dass die Batterie eine positive Spannung hat und alle Spannungsabfälle negativ sind.