Εάν είστε νέοι στη φυσική του ηλεκτρισμού, οι όροι είναιΤάσηκαιενισχυτέςμπορεί να φαίνεται σχεδόν εναλλάξιμο με βάση τον τρόπο με τον οποίο χρησιμοποιούνται. Αλλά στην πραγματικότητα, είναι πολύ διαφορετικές ποσότητες, αν και συνδέονται στενά με το πώς συνεργάζονται σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, όπως περιγράφεται από τον νόμο του Ohm.
Πραγματικά, οι «ενισχυτές» είναι ένα μέτρο του ηλεκτρικού ρεύματος (το οποίο μετράται σεαμπέρ), και η τάση είναι ένας όρος που σημαίνει ηλεκτρικό δυναμικό (μετριέται σεβολτ), αλλά αν δεν έχετε μάθει τις λεπτομέρειες, είναι κατανοητό ότι θα μπορούσατε να τα συγχέετε μεταξύ τους.
Για να καταλάβετε τη διαφορά - και να μην τους αναμιχθείτε ξανά - χρειάζεστε μόνο ένα βασικό αστάρι για το τι σημαίνουν και πώς σχετίζονται με ένα ηλεκτρικό κύκλωμα.
Τι είναι η τάση;
Η τάση είναι ένας άλλος όρος για τη διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού μεταξύ δύο σημείων και μπορεί απλά να οριστεί ως η ενέργεια ηλεκτρικού δυναμικού ανά μονάδα φόρτισης.
Ακριβώς όπως το βαρυτικό δυναμικό είναι η δυνητική ενέργεια που έχει ένα αντικείμενο λόγω της θέσης του μέσα σε ένα βαρυτικό πεδίο, το ηλεκτρικό δυναμικό είναι η δυνητική ενέργεια που έχει ένα φορτισμένο αντικείμενο λόγω της θέσης του σε ένα ηλεκτρικό πεδίο. Η τάση το περιγράφει συγκεκριμένα ανά μονάδα ηλεκτρικού φορτίου και έτσι μπορεί να γραφτεί:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
ΟπουΒείναι η τάση,μιΕλ είναι το ηλεκτρικό δυναμικό καιεείναι το ηλεκτρικό φορτίο. Δεδομένου ότι η μονάδα ηλεκτρικής ενέργειας είναι το joule (J) και η μονάδα ηλεκτρικής φόρτισης είναι το coulomb (C), η μονάδα τάσης είναι το volt (V), όπου 1 V = 1 J / C, ή με λόγια, ένα volt είναι ίσο με ένα joule ανά κουλόμβ.
Αυτό σας λέει ότι εάν αφήσετε μια φόρτιση 1 coulomb να περάσει από μια πιθανή διαφορά (δηλαδή, μια τάση) 1 V, θα Κερδίστε 1 J ενέργειας, ή αντίστροφα, θα χρειαστεί ένα joule ενέργειας για να μετακινήσετε ένα coulomb φορτίου μέσω μιας πιθανής διαφοράς 1 V. Η τάση αναφέρεται επίσης μερικές φορές ωςηλεκτροκινητική δύναμη(EMF).
Η διαφορά τάσης (ή διαφορά δυναμικού) μεταξύ δύο σημείων, όπως και στις δύο πλευρές ενός στοιχείου στο ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, μπορεί να μετρηθεί συνδέοντας ένα βολτόμετρο παράλληλα με το στοιχείο που σας ενδιαφέρει σε. Όπως υποδηλώνει το όνομα, ένα βολτόμετρο μετρά την τάση μεταξύ δύο σημείων στο κύκλωμα, αλλά όταν χρησιμοποιείτε ένα, πρέπει να είναι συνδεδεμένοπαράλληλαγια αποφυγή παρεμβολών στην ένδειξη τάσης ή ζημιά στη συσκευή.
Τι είναι το τρέχον;
Το ηλεκτρικό ρεύμα, το οποίο μερικές φορές αναφέρεται ως ένταση ρεύματος (αφού έχει τη μονάδα του αμπέρ), είναι ο ρυθμός ροής του ηλεκτρικού φορτίου πέρα από ένα σημείο σε ένα κύκλωμα. Το ηλεκτρικό φορτίο μεταφέρεται από ηλεκτρόνια, τα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια που περιβάλλουν τον πυρήνα ενός ατόμου, έτσι η ποσότητα του ρεύματος σας λέει πραγματικά τον ρυθμό ροής των ηλεκτρονίων. Ένας απλός μαθηματικός ορισμός του ηλεκτρικού ρεύματος είναι:
I = \ frac {q} {t}
ΟπουΕγώείναι το ρεύμα (σε αμπέρ),εείναι το ηλεκτρικό φορτίο (σε coulombs) καιτείναι ο χρόνος που έχει παρέλθει (σε δευτερόλεπτα). Όπως δείχνει αυτή η εξίσωση, ο ορισμός του αμπέρ (A) είναι 1 A = 1 C / s ή μια ροή ηλεκτρικού φορτίου 1 coulomb ανά δευτερόλεπτο. Όσον αφορά τα ηλεκτρόνια, αυτό είναι περίπου 6,2 × 1018 ηλεκτρόνια (περίπου έξι δισεκατομμύρια δισεκατομμύρια) που ρέουν πέρα από το σημείο αναφοράς ανά δευτερόλεπτο για τρέχουσα ροή μόλις 1 A.
Το ρεύμα μπορεί να μετρηθεί σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα συνδέοντας ένα αμπερόμετρο σε σειρά - που σημαίνει στο διαδρομή του κύριου ρεύματος - με το τμήμα του κυκλώματος θέλετε να μετρήσετε την ποσότητα του ρεύματος διά μέσου.
Ροή νερού: μια αναλογία
Αν εξακολουθείτε να προσπαθείτε να κατανοήσετε τους ρόλους, η διαφορά τάσης και το ηλεκτρικό ρεύμα παίζουν εντός ενός ηλεκτρικού κυκλώματος, μια ευρέως χρησιμοποιούμενη αναλογία μεταξύ ηλεκτρικής ενέργειας και νερού θα πρέπει να διευκρινίσει πράγματα. Δύο διαφορετικά σενάρια μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αναπαράσταση της τάσης σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα: είτε ένας σωλήνας νερού που τρέχει κάτω από έναν λόφο, είτε μια δεξαμενή νερού γεμάτη με ένα στόμιο εξόδου στο κάτω μέρος.
Για το σωλήνα νερού με το ένα άκρο στην κορυφή ενός λόφου και το άλλο άκρο στο κάτω μέρος, η διαίσθησή σας πρέπει να σας πω ότι το νερό θα ρέει γρηγορότερα αν ο λόφος ήταν ψηλότερος και πιο αργός αν ήταν ο λόφος ήταν χαμηλότερος. Για παράδειγμα το δοχείο νερού, εάν υπήρχαν δύο δεξαμενές νερού γεμάτες σε διαφορετικά επίπεδα, θα περίμενε κανείς η πιο γεμάτη δεξαμενή για την απελευθέρωση νερού από την έξοδο με ταχύτερο ρυθμό από εκείνη που γεμίζει σε χαμηλότερο επίπεδο.
Είτε είναι το δυναμικό από το ύψος του λόφου (λόγω βαρυτικού δυναμικού) είτε του δυναμικού που δημιουργήθηκε από την πίεση του νερού στη δεξαμενή, και τα δύο αυτά παραδείγματα μεταφέρουν ένα βασικό γεγονός για την τάση διαφορές. Όσο μεγαλύτερη είναι η πιθανότητα, τόσο πιο γρήγορα θα ρέει το νερό (δηλαδή, το ρεύμα).
Η ίδια η ροή του νερού είναι ανάλογη με το ηλεκτρικό ρεύμα. Εάν μετρήσατε το νερό που ρέει μετά από ένα σημείο στο σωλήνα ανά δευτερόλεπτο, αυτό είναι όπως η ροή ρεύματος σε ένα κύκλωμα, εκτός από το νερό στη θέση του ηλεκτρικού φορτίου με τη μορφή ηλεκτρονίων. Έτσι, εάν όλα τα υπόλοιπα είναι ίδια, η υψηλή τάση οδηγεί σε υψηλό ρεύμα και το αντίστροφο. Το τελευταίο μέρος της εικόνας είναι η αντίσταση, η οποία είναι ανάλογη με την τριβή μεταξύ των τοιχωμάτων του ο σωλήνας και το νερό, ή μια φυσική απόφραξη τοποθετημένη στον σωλήνα που εμποδίζει μερικώς το νερό ροή.
Ομοιότητες και διαφορές
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {array} {c: c} \ text {Similarities} & \ text {Differences} \\ \ hline \ hline \ text {Και τα δύο αφορούν ηλεκτρικά κυκλώματα} & \ text {Διαφορετικές μονάδες, η τάση είναι μετρούνται σε βολτ, όπου 1 V = 1 J / C} \\ & \ text {ενώ το ρεύμα μετράται σε αμπέρ, όπου 1 A = 1 C / s} \\ \ hline \ text {Και οι δύο επηρεάζουν πόση ισχύς διασκορπίζεται ένα κύκλωμα element} & \ text {Το ρεύμα κατανέμεται εξίσου σε όλα τα στοιχεία όταν είναι σε σειρά} \\ & \ text {ενώ η πτώση τάσης στα εξαρτήματα μπορεί να διαφέρει} \\ \ hline \ text {Μπορεί και τα δύο να εναλλάσσονται πολικότητα (π.χ. εναλλασσόμενο} & \ κείμενο {Η πτώση τάσης είναι ίση σε όλα τα στοιχεία} \\ \ text {τρέχουσα ή εναλλασσόμενη τάση) ή άμεση πολικότητα} & \ text {στοιχεία συνδεδεμένα παράλληλα, ενώ το ρεύμα διαφέρει} \\ \ hline \ text {Είναι άμεσα αναλογικά μεταξύ τους σύμφωνα με το νόμο του Ohm} & \ text {Η τάση παράγει ηλεκτρικό πεδίο ενώ το ρεύμα παράγει μαγνητικό πεδίο} \\ \ hline & \ text {Η τάση προκαλεί ρεύμα, ενώ το ρεύμα είναι το αποτέλεσμα της τάσης} \\ \ hline & \ text {Το ρεύμα ρέει μόνο όταν το κύκλωμα είναι πλήρες, αλλά οι διαφορές τάσης παραμένει} \ end {array}
Όπως δείχνει ο πίνακας, το ηλεκτρικό ρεύμα και η τάση έχουν περισσότερες διαφορές από ό, τι κάνουν ομοιότητες, αλλά υπάρχουν και ορισμένες ομοιότητες. Η μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ των δύο είναι το γεγονός ότι περιγράφουν τελείως διαφορετικές ποσότητες Μόλις καταλάβετε τα βασικά στοιχεία του καθενός, είναι απίθανο να τα συγχέετε με ένα αλλο.
Σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος
Η διαφορά τάσης και το ηλεκτρικό ρεύμα είναι άμεσα ανάλογες μεταξύ τους σύμφωνα με τον νόμο του Ohm, μια από τις πιο σημαντικές εξισώσεις στη φυσική των ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Η εξίσωση σχετίζεται με την τάση (δηλαδή, τη διαφορά δυναμικού που δημιουργείται από την μπαταρία ή άλλη πηγή ισχύος) στο ρεύμα στο κύκλωμα και την αντίσταση στη ροή του ρεύματος που δημιουργείται από τα συστατικά του κύκλωμα.
Ο νόμος του Ohm αναφέρει:
V = IR
ΟπουΒείναι η τάση,Εγώείναι το ηλεκτρικό ρεύμα καιΡείναι η αντίσταση (μετρούμενη σε ohms, Ω). Για αυτόν τον λόγο, ο νόμος του Ohm αναφέρεται μερικές φορές ως εξίσωση τάσης, ρεύματος και αντίστασης. Εάν γνωρίζετε δύο ποσότητες σε αυτήν την εξίσωση, μπορείτε να τακτοποιήσετε ξανά την εξίσωση για να βρείτε την άλλη ποσότητα, γεγονός που το καθιστά χρήσιμο στην επίλυση των περισσότερων ηλεκτρονικών προβλημάτων που θα συναντήσετε στη φυσική τάξη.
Αξίζει να σημειωθεί ότι ο νόμος του Ohm δεν είναιπάνταέγκυρο, και ως εκ τούτου δεν είναι ένας «αληθινός» νόμος της φυσικής, αλλά μια χρήσιμη προσέγγιση για αυτό που ονομάζεταιωμικυλικά. Η γραμμική σχέση που συνεπάγεται μεταξύ ρεύματος και τάσης δεν ισχύει για πράγματα όπως ένα νήμα λαμπτήρα, όπου η αύξηση της θερμοκρασίας προκαλεί αύξηση της αντίστασης και έτσι επηρεάζει τη γραμμική σχέση. Ωστόσο, στις περισσότερες περιπτώσεις (και σίγουρα τα περισσότερα προβλήματα φυσικής που θα σας ζητηθούν σχετικά με την τάση και το ηλεκτρικό ρεύμα) μπορεί να χρησιμοποιηθεί χωρίς προβλήματα.
Ο νόμος για τη δύναμη του Ωμ
Ο νόμος του Ohm χρησιμοποιείται κυρίως για να συσχετίσει την τάση με το ρεύμα και την αντίσταση. Ωστόσο, υπάρχει μια επέκταση του νόμου που σας επιτρέπει να χρησιμοποιείτε τις ίδιες ποσότητες για να υπολογίσετε την ηλεκτρική ισχύ που διαλύεται σε ένα κύκλωμα, όπου η ισχύςΠείναι ο ρυθμός μεταφοράς ενέργειας σε watt (όπου 1 W = 1 J / s). Η απλούστερη μορφή αυτής της εξίσωσης είναι:
Ρ = IV
Έτσι, με λόγια, η ισχύς ισούται με το ρεύμα πολλαπλασιαζόμενο με την τάση. Ως εκ τούτου, αυτή είναι μια βασική περιοχή στην οποία η διαφορά τάσης και το ηλεκτρικό ρεύμα είναι παρόμοια: Και οι δύο μοιράζονται μια άμεσα αναλογική σχέση με την ισχύ που διασκορπίζεται σε ένα κύκλωμα. Εάν δεν γνωρίζετε το τρέχον, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια αναδιάταξη του νόμου του Ohm (I = V / R) για να εκφράσετε τη δύναμη ως:
\ begin {aligned} P & = \ frac {V} {R} × V \\ & = \ frac {V ^ 2} {R} \ end {στοίχιση}
Ή χρησιμοποιώντας την τυπική μορφή του νόμου του Ohm, μπορείτε να αντικαταστήσετε την τάση και να γράψετε:
P = I ^ 2R
Με την αναδιάταξη αυτών των εξισώσεων, μπορείτε επίσης να εκφράσετε τάση, αντίσταση ή ρεύμα σε όρους ισχύος και άλλης ποσότητας.
Τάση και ισχύοντες νόμοι του Kirchhoff
Οι νόμοι του Kirchhoff είναι δύο από τους άλλους πιο σημαντικούς νόμους για ηλεκτρικά κυκλώματα και είναι ιδιαίτερα χρήσιμοι όταν αναλύετε ένα κύκλωμα με πολλά στοιχεία.
Ο πρώτος νόμος του Kirchhoff ονομάζεται μερικές φορές ο τρέχων νόμος, επειδή δηλώνει ότι το συνολικό ρεύμα η ροή σε μια διασταύρωση είναι ίση με το ρεύμα που ρέει από αυτό - ουσιαστικά το φορτίο είναι διατηρημένο.
Ο δεύτερος νόμος του Kirchhoff ονομάζεται νόμος τάσης και δηλώνει ότι για κάθε κλειστό βρόχο σε ένα κύκλωμα, το άθροισμα όλων των τάσεων πρέπει να είναι ίσο με μηδέν. Για τον νόμο περί τάσης, αντιμετωπίζετε την μπαταρία ως θετική τάση και αντιμετωπίζετε την πτώση τάσης σε οποιοδήποτε στοιχείο ως αρνητική τάση.
Σε συνδυασμό με το νόμο του Ohm, αυτοί οι δύο νόμοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση ουσιαστικά οποιουδήποτε προβλήματος που ενδέχεται να συναντήσετε με ηλεκτρικά κυκλώματα.
Τάση και ρεύμα: Παραδείγματα υπολογισμών
Φανταστείτε ότι έχετε ένα κύκλωμα που περιλαμβάνει μια μπαταρία 12-V και δύο αντιστάσεις, συνδεδεμένες σε σειρά, με αντιστάσεις 30 Ω και 15 Ω. Η συνολική αντίσταση για το κύκλωμα δίνεται από το άθροισμα αυτών των δύο αντιστάσεων, έτσι 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Σημειώστε ότι όταν οι αντιστάσεις είναι διατεταγμένες παράλληλα, η σχέση περιλαμβάνει αμοιβαία, αλλά αυτό δεν είναι σημαντικό κατανόηση της σχέσης μεταξύ διαφοράς τάσης και ρεύματος, έτσι αυτό το απλό παράδειγμα θα είναι αρκετό για το παρόν σκοποί.
Ποιο είναι το ηλεκτρικό ρεύμα που ρέει μέσω του κυκλώματος; Προσπαθήστε να εφαρμόσετε μόνοι σας τον νόμο του Ohm πριν διαβάσετε.
Η ακόλουθη μορφή του νόμου του Ohm:
I = \ frac {V} {R}
Σας επιτρέπει να υπολογίσετε:
\ begin {aligned} I & = \ frac {12 \ text {V}} {45 \ text {Ω}} \\ & = 0,27 \ κείμενο {A} \ τέλος {στοίχιση}
Τώρα, γνωρίζοντας το ρεύμα μέσω του κυκλώματος, ποια είναι η πτώση τάσης στην αντίσταση 15-Ω; Ο νόμος του Ohm στην τυπική μορφή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αντιμετώπιση αυτού του ερωτήματος. Εισαγωγή των τιμών τουΕγώ= 0,27 A καιΡ= 15 Ω δίνει:
\ begin {aligned} V & = IR \\ & = 0.27 \ text {A} × 15 \ text {Ω} \\ & = 4.05 \ κείμενο {V} \ τέλος {στοίχιση}
Για τους σκοπούς της χρήσης των νόμων του Kirchhoff, αυτή θα είναι αρνητική τάση (δηλαδή, πτώση τάσης). Ως τελική άσκηση, μπορείτε να δείξετε ότι η συνολική τάση γύρω από τον κλειστό βρόχο θα είναι ίση με το μηδέν; Να θυμάστε ότι η μπαταρία έχει θετική τάση και όλες οι πτώσεις τάσης είναι αρνητικές.