Kujutage ette, et vesi voolab torusüsteemi kaudu allamäge. Teie intuitsioon peaks teile ütlema, millised tegurid muudaksid vee kiiremaks ja mis aeglasemaks. Mida kõrgem on küngas, seda kiirem on vool ja mida rohkem on torus takistusi, seda aeglasemalt see voolab.
See kõik on tingitud apotentsiaalne energia erinevus mäe tipu ja põhja vahel, kuna vees on gravitatsiooniline potentsiaalne energia mäe otsas ja põhjaga jõudmise hetkeks pole ühtegi.
See on suurepärane analoog elektrienergia suhtesPinge. Samamoodi, kui elektriahela kahe punkti vahel on elektriline potentsiaalide vahe, voolab elektrivool ahela ühest osast teise.
Täpselt nagu veenäites, tekitab voolu kahe punkti potentsiaalne energia erinevus (mis tekib elektrilaengu jaotuse abil). Muidugi on füüsikutel täpsemad definitsioonid kui see ja võrrandite, näiteks Ohmi seaduse õppimine annab teile pingest parema ülevaate.
Pinge määratlus
Pinge on nimetus elektrilise potentsiaalse energia erinevuseks kahe punkti vahel ja see on määratletud kui elektriline potentsiaalenergia laenguühiku kohta. Kuigi
elektriline potentsiaalon täpsem mõiste, see, et elektrilise potentsiaali SI ühik on volt (V), tähendab, et seda nimetatakse tavaliselt pinge, eriti kui räägitakse potentsiaalsest erinevusest aku klemmide või muude aku klemmide vahel ahel.Definitsiooni võib kirjutada matemaatiliselt järgmiselt:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
KusVon potentsiaalne erinevus,Eel on elektriline potentsiaalenergia (džaulides) jaqon laeng (kulonites). Sellest peaksite nägema, et 1 V = 1 J / C, see tähendab, et üks volt on määratletud kui üks džaul kuloni kohta (st laenguühiku kohta). Mõnikord näeteEkasutatakse pinge sümbolina, kuna sama koguse teine termin on "elektromotoorjõud" (EMF), kuid paljud allikad kasutavadVtermini igapäevaseks kasutamiseks.
Volt sai oma nime Itaalia füüsikult Alessandro Volta järgi, kes on tuntud esimese elektripatarei (nn. Voltaikuhunniku) leiutamise poolest.
Pinge võrrand
Kuid ülaltoodud võrrand ei ole pinge kõige sagedamini kasutatav võrrand, sest enamus kui kohtate terminiga, hõlmab see elektrilülitust ja kõige kasulikumat võrrandit see onOhmi seadus. See seob voolu voolu pinget ja takistust voolu voolule vooluahela juhtmetest ja komponentidest ning sellel on järgmine vorm:
V = IR
KusVon potentsiaalne erinevus voltides (V);Minaon vooluhulk koos ampri või lühikese ampri ühikuga (A); jaRon takistus oomis (Ω). Lühidalt ütleb see võrrand teile, et sama takistuse korral tekitavad kõrgemad pinged suuremaid voolusid (analoogselt mäe sissejuhatuses) ja sama pinge korral vähendatakse voolutugevust suuremate takistuste korral (analoogselt torustike takistustega näide). Kui pinge erinevust pole, vool ei voola.
Vooluahela erinevatel komponentidel on erinevpingelangusedüle nende ja saate Ohmi seaduse abil välja selgitada, millised need on. Kooskõlas Kirchhoffi pingeseadusegavooluahela mis tahes täieliku silmuse ümber olev pingelanguste summa peab olema võrdne nulliga.
Kuidas vooluahelas pinget mõõta
Elektriahela elemendi pinget saab mõõta voltmeeter või multimeeter, kusjuures viimane sisaldab voltmeetrit, aga ka muid tööriistu nagu ampermeeter (voolu mõõtmiseks). Kahe punkti vahelise pingelanguse määramiseks ühendate voltmeeter paralleelselt mõõdetava elemendi kohal - ärge kunagi ühendage seda järjestikku!
Analoogvoltmeetrid töötavad galvanomeetriga (seade väikeste elektrivoolude mõõtmiseks) järjestikku suure ohmiga takisti abil, kusjuures galvanomeeter sisaldab traadimähist magnetväljas. Kui vool läbi juhtme voolab, tekitab see magnetvälja, mis interakteerub olemasolevaga magnetväli, et mähis pöörleks, mis seejärel liigutab seadme kursorit tähistamaks Pinge.
Kuna mähise pöörlemine on vooluga proportsionaalne ja vool on omakorda omakorda proportsionaalne pingega (Ohmi seaduse järgi), mida rohkem mähis pöörleb, seda suurem on nende vaheline pinge kaks punkti. See on keerulisem, kui mõõdate vahelduvvoolu, mitte alalisvoolu, kuid ka erinevad kujundused võimaldavad seda.
Te peate ühendama voltmeeter paralleelselt, kuna kahel paralleelselt vooluahela elemendil on sama pinge. Voltmeetril peab olema kõrge takistus, kuna see takistab tal voolu voolu põhiahelast liiga suurt ja seeläbi tulemust segada. Lisaks ei ole voltmeetrid ehitatud suurte voolude tõmbamiseks, nii et kui ühendate ühe järjestikku, võib see kergesti kaitsme puruneda või puhuda.
Pinge näited
Elektrilise potentsiaaliga töötamise õppimine hõlmab Ohmi seaduse kasutamist ja õppimist rakendama Kirchhoffi pingeseadust vooluahela erinevate elementide pingelanguste määramiseks. Lihtsaim asi, mida teha, on Ohmi seaduse rakendamine kogu vooluringile.
Kui vooluahelat toidab 12-V aku ja selle takistus on kokku 70 oomi, siis mis voolu voolab läbi vooluahela?
Siin peate elektrivoolu avaldise loomiseks lihtsalt korraldama Ohmi seaduse. Seaduses on öeldud:
V = IR
Kõik, mida peate tegema, on jagada mõlemad pooled üksteisegaRja tagurpidi, et saada:
I = \ frac {V} {R}
Väärtuste sisestamine annab:
\ begin {joondatud} I & = \ frac {1 \ text {V}} {70 \ text {Ω}} \\ & = 0.1714 \ text {A} \ end {joondatud}
Niisiis on vool 0,1714 A ehk 171,4 milliamprit (mA).
Kuid nüüd kujutage ette, et see 70 Ω takistus jaguneb järjestikku kolme erineva takisti vahel väärtusega 20 Ω, 10 Ω ja 40 Ω. Kui suur on iga komponendi pingelangus?
Jällegi võite kasutada Ohmi seadust, et vaadata iga komponenti järjest, märkides kogu voolu voolu ümber 0,1714 A. Kasutades V = IR iga kolme takisti jaoks omakorda:
Esimeste jaoks:
\ begin {joondatud} V_1 & = 0.1714 \ text {A} × 20 \ text {Ω} \\ & = 3.428 \ text {V} \ end {joondatud}
Teine:
\ begin {joondatud} V_2 & = 0.1714 \ text {A} × 10 \ text {Ω} \\ & = 1.714 \ text {V} \ end {joondatud}
Ja kolmas:
\ begin {joondatud} V_3 & = 0.1714 \ text {A} × 40 \ text {Ω} \\ & = 6.856 \ text {V} \ end {joondatud}
Kirchhoffi pingeseaduse kohaselt peaksid need kolm pingelangust moodustama kuni 12 V:
\ begin {joondatud} V_1 + V_2 + V_3 & = 3.428 \ text {V} + 1.714 \ text {V} + 6.856 \ text {V} \\ & = 11.998 \ text {V} \ end {joondatud}
See võrdub 12 V kahe kümnendkohaga, kusjuures väike lahknevus tuleneb ümardamisvigadest.
Pinge langused paralleelsete komponentide vahel
Arutledes selle üle, kuidas mõõta ülaltoodud pinget, märgiti, et vooluahela paralleelsete komponentide pingelangud on samad. Seda seletatakseKirchhoffi pingeseadus, mis ütleb, et suletud ahela kõigi pingete (toiteallikast tuleneva positiivse pinge ja komponentidest tuleneva pingelanguse) summa peab olema võrdne nulliga.
Paralleelse, mitme haruga ahela jaoks saate luua sellise silmuse, mis sisaldab üht paralleelset haru ja akut. Sõltumata iga haru komponendist langeb pinge mis tahes haru ulatusespeabseega võrdne aku pakutava pingega (ignoreerides lihtsuse huvides teiste järjestikuste komponentide võimalust). See kehtib kõigi harude kohta ja seega on paralleelsete komponentide pinge langus alati võrdne.
Pinge ja võimsus lambipirnides
Ohmi seadust saab laiendada ka võimule (P), mis on energiavarustuse kiirus džaulides sekundis (vattides,W) ja selgub, et P = IV.
Vooluahela komponendi, näiteks lambipirni puhul näitab see, et selle hajutav võimsus (st muutub valguks) sõltub selle läbivast pingest, suuremad pinged toovad kaasa suurema väljundvõimsuse. Kooskõlas eelmises osas käsitletud paralleelsete komponentidega arutavad mitu paralleelselt paigutatud lambipirnit eredamalt kui sama paigutatud lambid järjestikku, sest paralleelühenduse korral langeb aku täispinge üle iga lambipirni, samas kui sisse lülitatuna langeb sellest ainult kolmandik seeria.
