Τάση: Ορισμός, Εξίσωση, Μονάδες (w / Παραδείγματα)

Φανταστείτε το νερό να ρέει προς τα κάτω μέσω ενός συστήματος σωλήνων. Η διαίσθησή σας πρέπει να σας πει ποιοι παράγοντες θα κάνουν τη ροή του νερού πιο γρήγορη και τι θα την καθιστούσε πιο αργή. Όσο υψηλότερο είναι το λόφο, τόσο πιο γρήγορα θα είναι το ρεύμα και όσο περισσότερα εμπόδια στο σωλήνα, τόσο πιο αργή θα ρέει.

Όλα αυτά οφείλονται σε έναπιθανή ενεργειακή διαφορά​ ​μεταξύ της κορυφής του λόφου και του πυθμένα, επειδή το νερό έχει βαρυτική δυναμική ενέργεια στην κορυφή του λόφου και καμία από τη στιγμή που φτάνει στον πυθμένα.

Αυτή είναι μια μεγάλη αναλογία για ηλεκτρικάΤάση. Με τον ίδιο τρόπο, όταν υπάρχει διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ δύο σημείων σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, το ηλεκτρικό ρεύμα ρέει από το ένα μέρος του κυκλώματος στο άλλο.

Όπως και στο παράδειγμα του νερού, η δυνητική ενεργειακή διαφορά μεταξύ των δύο σημείων (που δημιουργείται από την κατανομή του ηλεκτρικού φορτίου) είναι αυτό που δημιουργεί την τρέχουσα ροή. Φυσικά, οι φυσικοί έχουν ακριβέστερους ορισμούς από αυτό και οι εξισώσεις μάθησης όπως ο νόμος του Ohm σας δίνουν μια καλύτερη κατανόηση της τάσης.

Η τάση είναι το όνομα που δίνεται σε μια διαφορά ενέργειας ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ δύο σημείων και ορίζεται ως η ενέργεια ηλεκτρικού δυναμικού ανά μονάδα φόρτισης. Παρόλοηλεκτρικό δυναμικόείναι ένας πιο ακριβής όρος, το γεγονός ότι η μονάδα SI του ηλεκτρικού δυναμικού είναι το volt (V) σημαίνει ότι αναφέρεται συνήθως ως τάση, ειδικά όταν οι άνθρωποι μιλούν για την πιθανή διαφορά μεταξύ των ακροδεκτών μιας μπαταρίας ή άλλων τμημάτων του α κύκλωμα.

Ο ορισμός μπορεί να γραφτεί μαθηματικά ως:

ΟπουΒείναι η πιθανή διαφορά,μι​_Ελ είναι η ηλεκτρική ενέργεια δυναμικού (σε joules) καιεείναι η χρέωση (σε coulombs). Από αυτό, θα πρέπει να μπορείτε να δείτε ότι 1 V = 1 J / C, που σημαίνει ότι ένα βολτ ορίζεται ως ένα joule ανά coulomb (δηλαδή, ανά μονάδα φόρτισης). Μερικές φορές, θα δείτεμιχρησιμοποιείται ως σύμβολο της τάσης, επειδή ένας άλλος όρος για την ίδια ποσότητα είναι «ηλεκτροκινητική δύναμη» (EMF), αλλά πολλές πηγές χρησιμοποιούνΒγια να ταιριάζει με την καθημερινή χρήση του όρου.

Το βολτ πήρε το όνομά του από τον Ιταλό φυσικό Alessandro Volta, ο οποίος είναι πιο γνωστός για την εφεύρεση της πρώτης ηλεκτρικής μπαταρίας (που ονομάζεται «βολταϊκός σωρός»).

Ωστόσο, η παραπάνω εξίσωση δεν είναι η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη εξίσωση για τάση, επειδή το μεγαλύτερο μέρος της Όταν συναντήσετε τον όρο θα περιλαμβάνει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα και την πιο χρήσιμη εξίσωση για αυτό είναιΟ νόμος του Ωμ. Αυτό σχετίζεται με την τάση με τη ροή ρεύματος στο κύκλωμα και την αντίσταση στη ροή ρεύματος από τα καλώδια και τα εξαρτήματα του κυκλώματος και έχει τη μορφή:

ΟπουΒείναι η πιθανή διαφορά στα βολτ (V) ·Εγώείναι η τρέχουσα ροή, με μια μονάδα του αμπέρ ή του ενισχυτή για βραχυκύκλωμα (A). καιΡείναι η αντίσταση στα ωμ (Ω). Με μια ματιά, αυτή η εξίσωση σας λέει ότι για την ίδια αντίσταση, υψηλότερες τάσεις παράγουν υψηλότερα ρεύματα (ανάλογα με την αύξηση του ύψους του λόφος στην εισαγωγή) και για την ίδια τάση, η ροή ρεύματος μειώνεται για υψηλότερες αντιστάσεις (ανάλογα με τα εμπόδια στους σωλήνες στο παράδειγμα). Εάν δεν υπάρχει διαφορά τάσης, δεν θα ρέει ρεύμα.

Διαφορετικά στοιχεία ενός κυκλώματος θα έχουν διαφορετικάπτώση τάσηςκαι μπορείτε να χρησιμοποιήσετε τον νόμο του Ohm για να μάθετε τι θα είναι. Σύμφωνα με τον νόμο περί τάσης του Kirchhoff, ωστόσο,το άθροισμα της τάσης που πέφτει γύρω από κάθε πλήρη βρόχο σε ένα κύκλωμα πρέπει να είναι ίσο με το μηδέν​.

Η τάση σε ένα στοιχείο ενός ηλεκτρικού κυκλώματος μπορεί να μετρηθεί με ένα βολτόμετρο ή ένα πολύμετρο, με το τελευταίο να περιέχει ένα βολτόμετρο αλλά και άλλα εργαλεία όπως ένα αμπερόμετρο (για τη μέτρηση του ρεύματος). Συνδέετε το βολτόμετρο παράλληλα στο στοιχείο που μετράται για να προσδιορίσετε την πτώση τάσης μεταξύ των δύο σημείων - μην το συνδέσετε ποτέ σε σειρά!

Τα αναλογικά βολτόμετρα λειτουργούν χρησιμοποιώντας ένα γαλβανόμετρο (μια συσκευή μέτρησης μικρών ηλεκτρικών ρευμάτων) σε σειρά με μια αντίσταση υψηλών ωμ, με το γαλβανόμετρο να περιέχει ένα πηνίο σύρματος σε μαγνητικό πεδίο. Όταν ένα ρεύμα ρέει μέσω του σύρματος, δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο αλληλεπιδρά με το υπάρχον μαγνητικό πεδίο για να περιστρέψει το πηνίο, το οποίο στη συνέχεια μετακινεί το δείκτη στη συσκευή για να υποδείξει το Τάση.

Επειδή η περιστροφή του πηνίου είναι ανάλογη με το ρεύμα και το ρεύμα είναι με τη σειρά του ανάλογα με την τάση (σύμφωνα με τον νόμο του Ohm), όσο περισσότερο περιστρέφεται το πηνίο, τόσο μεγαλύτερη είναι η τάση μεταξύ τα δύο σημεία. Αυτό είναι πιο περίπλοκο εάν μετράτε εναλλασσόμενο ρεύμα και όχι συνεχές ρεύμα, αλλά διαφορετικά σχέδια το καθιστούν επίσης δυνατό.

Πρέπει να συνδέσετε ένα βολτόμετρο παράλληλα, επειδή δύο παράλληλα στοιχεία κυκλώματος έχουν την ίδια τάση μεταξύ τους. Ένα βολτόμετρο πρέπει να έχει υψηλή αντίσταση, διότι αυτό το εμποδίζει να τραβάει πολύ μεγάλο ρεύμα από το κύριο κύκλωμα και έτσι να παρεμβαίνει στο αποτέλεσμα. Επιπλέον, τα βολτόμετρα δεν είναι κατασκευασμένα για να αντλούν μεγάλα ρεύματα, οπότε αν συνδέσετε ένα σε σειρά, θα μπορούσε εύκολα να σπάσει ή να ανατινάξει μια ασφάλεια.

Η εκμάθηση της εργασίας με ηλεκτρικό δυναμικό περιλαμβάνει την εκμάθηση της χρήσης του νόμου του Ohm και την εκμάθηση της εφαρμογής του νόμου περί τάσης του Kirchhoff για τον προσδιορισμό της πτώσης τάσης σε διαφορετικά στοιχεία σε ένα κύκλωμα. Το απλούστερο πράγμα είναι να εφαρμόσετε το νόμο του Ohm σε ένα ολόκληρο κύκλωμα.

Εάν ένα κύκλωμα τροφοδοτείται από μια μπαταρία 12-V και έχει συνολικά 70 ohms αντίσταση, ποιο ρεύμα ρέει μέσω του κυκλώματος;

Εδώ, πρέπει απλώς να αναδιατάξετε τον νόμο του Ohm για να δημιουργήσετε μια έκφραση για το ηλεκτρικό ρεύμα. Ο νόμος ορίζει:

Το μόνο που χρειάζεται να κάνετε είναι να χωρίσετε και τις δύο πλευρέςΡκαι αντιστρέψτε για να λάβετε:

Η εισαγωγή τιμών δίνει:

Έτσι, το ρεύμα είναι 0,1714 A, ή 171,4 milliamps (mA).

Αλλά τώρα φανταστείτε ότι αυτή η αντίσταση 70 Ω χωρίζεται σε τρεις διαφορετικές αντιστάσεις σε σειρά, με τιμές 20 Ω, 10 Ω και 40 Ω. Ποια είναι η πτώση τάσης σε κάθε στοιχείο;

Και πάλι, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε το νόμο του Ohm για να δείτε κάθε στοιχείο με τη σειρά του, σημειώνοντας το συνολικό ηλεκτρικό ρεύμα γύρω από το κύκλωμα των 0,1714 A. Χρησιμοποιώντας V = IR για καθεμία από τις τρεις αντιστάσεις με τη σειρά:

Για τον πρώτο:

Το δεύτερο:

Και το τρίτο:

Σύμφωνα με τον νόμο περί τάσης του Kirchhoff, αυτές οι τρεις πτώσεις τάσης πρέπει να προσθέσουν έως και 12 V:

Αυτό ισούται με 12 V έως δύο δεκαδικά ψηφία, με την μικρή ασυμφωνία να οφείλεται σε σφάλματα στρογγυλοποίησης.

Στη συζήτηση για τον τρόπο μέτρησης της τάσης παραπάνω, σημειώθηκε ότι οι πτώσεις τάσης σε παράλληλα εξαρτήματα σε ένα κύκλωμα είναι οι ίδιες. Αυτό εξηγείται απόΟ νόμος περί τάσης του Kirchhoff, ο οποίος αναφέρει ότι το άθροισμα όλων των τάσεων (η θετική τάση από την πηγή ισχύος και η τάση πέφτει από τα εξαρτήματα) σε κλειστό βρόχο πρέπει να είναι ίσο με μηδέν​.

Για ένα παράλληλο κύκλωμα, με πολλαπλούς κλάδους, μπορείτε να δημιουργήσετε έναν τέτοιο βρόχο που να περιλαμβάνει οποιονδήποτε από τους παράλληλους κλάδους και την μπαταρία. Ανεξάρτητα από το εξάρτημα σε κάθε κλάδο, η τάση πέφτει σε κάθε κλάδοπρέπειΕπομένως, ισούται με την τάση που παρέχεται από την μπαταρία (αγνοώντας την πιθανότητα άλλων εξαρτημάτων σε σειρά, για απλότητα). Αυτό ισχύει για όλους τους κλάδους και έτσι τα παράλληλα εξαρτήματα θα έχουν πάντα ίσες πτώσεις τάσης μεταξύ τους.

Ο νόμος του Ohm μπορεί επίσης να επεκταθεί σε σχέση με την εξουσία (Π), που είναι ο ρυθμός παροχής ενέργειας σε joules ανά δευτερόλεπτο (watt,Δ), και αποδεικνύεται ότι P = IV.

Για ένα στοιχείο κυκλώματος όπως μια λάμπα, αυτό δείχνει ότι η ισχύς που διαχέει (δηλαδή, μετατρέπεται σε φως) εξαρτάται από την τάση που διασχίζει, με υψηλότερες τάσεις που οδηγούν σε υψηλότερη απόδοση ισχύος. Σύμφωνα με τη συζήτηση των παράλληλων εξαρτημάτων στην προηγούμενη ενότητα, πολλοί λαμπτήρες τοποθετημένοι σε παράλληλη λάμψη φωτεινότεροι από τους ίδιους λαμπτήρες εν σειρά, επειδή η πλήρης τάση της μπαταρίας πέφτει σε κάθε λαμπτήρα όταν συνδέεται παράλληλα, ενώ μόνο το ένα τρίτο του συμβαίνει όταν είναι συνδεδεμένοι σε σειρά.