Kui olete elektrienergia füüsika jaoks uus, on sellised mõisted naguPingejaampritvõib nende kasutamise viisi järgi peaaegu vahetada. Kuid tegelikkuses on need väga erinevad kogused, ehkki need on tihedalt seotud sellega, kuidas nad elektriahelas koos töötavad, nagu Ohmi seadus kirjeldab.
Tõepoolest, "amprid" on elektrivoolu mõõt (mida mõõdetakseamprit) ja pinge on termin, mis tähendab elektripotentsiaali (mõõdetunavolti), kuid kui te pole üksikasju õppinud, on mõistetav, et võite need kaks omavahel segi ajada.
Erinevuse mõistmiseks - ja mitte kunagi neid uuesti segamini ajada - vajate lihtsalt põhipraimerit selle kohta, mida nad tähendavad ja kuidas need on seotud elektriskeemiga.
Mis on pinge?
Pinge on veel üks mõiste kahe punkti elektrilise potentsiaalierinevuse kohta ja seda saab lihtsalt määratleda kui elektripotentsiaali energiat laadimisühiku kohta.
Nii nagu gravitatsioonipotentsiaal on potentsiaalne energia, mis objektil on oma positsiooni tõttu a-s gravitatsiooniväli, elektriline potentsiaal on potentsiaalne energia, mis laetud objektil on oma asukoha tõttu elektriväli. Pinge kirjeldab seda konkreetselt elektrilaengu ühiku kohta ja nii saab kirjutada:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
KusVon pinge,Eel on elektriline potentsiaalenergia jaqon elektrilaeng. Kuna elektrilise potentsiaalse energia ühik on džaul (J) ja elektrilaengu ühik on kulon (C), on pinge ühikuks volt (V), kus 1 V = 1 J / C või sõnades on üks volt võrdne ühe džauliga kulon.
See ütleb teile, et kui lubate 1 kulonbi laengul läbida 1 V potentsiaalide erinevust (st pinget), siis see saada 1 J energiat või vastupidi, laengukulombi liigutamiseks potentsiaalse erinevuse 1 võrra on vaja ühte džauli energiat V. Mõnikord nimetatakse ka pingetelektromotoorjõud(EMF).
Pinge erinevus (või potentsiaalide erinevus) kahe punkti vahel, näiteks elemendi mõlemal küljel elektriskeemi, saab mõõta, ühendades voltmeeter paralleelselt huvitava elemendiga aastal. Nagu nimigi ütleb, mõõdab voltmeeter vooluahela kahe punkti vahelist pinget, kuid kui kasutate ühte, peab see olema ühendatudParalleelseltvältimaks pinge näidu häirimist või seadme kahjustamist.
Mis on praegune?
Elektrivool, mida mõnikord nimetatakse voolutugevuseks (kuna sellel on ampri ühik), on elektrilaengu voolukiirus mööda vooluahela punkti. Elektrilaengut kannavad elektronid, negatiivselt laetud osakesed, mis ümbritsevad aatomi tuuma, nii et vooluhulk ütleb teile tegelikult elektronide voolukiiruse. Elektrivoolu lihtne matemaatiline määratlus on:
I = \ frac {q} {t}
KusMinaon vool (amprites),qon elektrilaeng (kulonites) jaton kulunud aeg (sekundites). Nagu see võrrand näitab, on ampr (A) määratlus 1 A = 1 C / s või elektrikulude voog 1 kulon sekundis. Elektronide osas on see umbes 6,2 × 1018 elektronid (umbes kuus miljardit miljardit), mis voolavad võrdluspunktist sekundis mööda vaid 1 A voolu korral.
Voolu saab mõõta elektriahelas, ühendades ampermeetri järjestikku - see tähendab põhivoolu tee - vooluahela sektsiooniga, mida soovite mõõta vooluhulka läbi.
Veevool: analoogia
Kui teil on endiselt probleeme pinge erinevuse ja elektrivoolu rollide mõistmisega elektriskeemis peaks selgitama laialt levinud analoogia elektri ja vee vahel asju. Elektrilülituse pinge esitamiseks saab kasutada kahte erinevat stsenaariumi: kas veetoru, mis jookseb mäest alla, või veepaak, mis on täidetud väljundservaga põhjas.
Veetoru jaoks, mille üks ots on mäe otsas ja teine ots all, peaks teie intuitsioon seda tegema ütlen teile, et vesi voolaks sellest kiiremini läbi, kui mägi oleks kõrgem ja aeglasem, kui see oleks madalam. Veepaagi näite puhul võiks eeldada, et kui oleks kaks erineva tasemega veepaaki täidetum paak vee väljalaskeava vabastamiseks kiiremini kui madalamale täidetud paak tasemel.
Kas see on potentsiaal mäe kõrguselt (gravitatsioonipotentsiaali tõttu) või potentsiaal paagis oleva veesurve tekitatud, annavad mõlemad näited pinge võtmetähtsuse erinevused. Mida suurem on potentsiaal, seda kiiremini vesi (st vool) voolab.
Vee vool ise on analoogne elektrivooluga. Kui mõõdaksite toru sekundis ühest punktist mööda voolavat vett, on see nagu voolu vool vooluringis, välja arvatud see, kui elektrilaengu asemel on vesi elektronide kujul. Nii et kui kõik muu on võrdne, viib kõrgepinge suure vooluni ja vastupidi. Pildi viimane osa on takistus, mis on analoogne hõõrdumisega seinte vahel toru ja vesi või torusse asetatud füüsiline takistus, mis osaliselt vett blokeerib voolama.
Sarnasused ja erinevused
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {array} {c: c} \ text {Sarnasused} & \ text {Erinevused} \\ \ hline \ hline \ text {Mõlemad on seotud elektriskeemidega} ja \ text {Erinevad üksused, pinge on mõõdetuna voltides, kus 1 V = 1 J / C} \\ & \ text {voolutugevust amprites, kus 1 A = 1 C / s} \\ \ hline \ text {Mõlemad mõjutavad võimsuse hajumist vooluring element} & \ text {Vool jaotub järjestikuselt võrdselt kõigis komponentides} \\ & \ text {samas kui komponentide pingelangus võib erineda} \\ \ hline \ text {Võib mõlemad olla vaheldumisi polaarsus (nt vahelduv} & \ text {Pinge langus on võrdne kõigi paralleelselt ühendatud} \\ \ text {voolu või vahelduvpinge) või otsese polaarsuse} ja \ text {komponentide vahel vool erineb} \\ \ hline \ text {Need on üksteisega otseselt proportsionaalsed vastavalt Ohmi seadusele} & \ text {Pinge tekitab elektrivälja, vool aga magnetilist väli} \\ \ hline & \ text {Pinge põhjustab voolu, samal ajal kui vool on pinge mõju} \\ \ hline & \ text {Vool voolab ainult siis, kui vooluahel on valmis, kuid pinge erinevused jääb} \ end {array}
Nagu tabel näitab, on elektrivoolul ja pingel rohkem erinevusi kui sarnasustel, kuid on ka mõningaid sarnasusi. Suurim erinevus nende kahe vahel on asjaolu, et nad kirjeldavad erinevaid koguseid täielikult, nii et kui mõistate igaühe põhitõdesid, siis ei aita neid tõenäoliselt ühega segi ajada teine.
Pinge ja voolu suhe
Pinge erinevus ja elektrivool on otseselt üksteisega proportsionaalsed vastavalt Ohmi seadusele, mis on üks olulisemaid võrrandeid elektriskeemide füüsikas. Võrrand seostab pinget (st aku või muu toiteallika tekitatud potentsiaalide erinevust) vooluahelas olevale voolule ja takistusele voolu voolu suhtes, mille tekitavad vooluahela komponendid ahel.
Ohmi seadus ütleb:
V = IR
KusVon pinge,Minaon elektrivool jaRon takistus (mõõdetuna oomis, Ω). Sel põhjusel nimetatakse Ohmi seadust mõnikord ka pinge, voolu ja takistuse võrrandiks. Kui teate selles võrrandis kaht suurust, saate võrrandi teise leidmiseks ümber korraldada kogus, mis muudab selle kasulikuks enamiku füüsikas tekkivate elektroonikaprobleemide lahendamisel klass.
Väärib märkimist, et Ohmi seadus polealatikehtiv ja sellisena pole see "tõeline" füüsikaseadus, vaid kasulik lähendus sellele, mida nimetatakseoomilinematerjalid. Lineaarne seos voolu ja pinge vahel ei kehti näiteks hõõgniidi puhul pirn, kus temperatuuri tõus põhjustab takistuse kasvu ja mõjutab seega lineaarset suhe. Kuid enamikul juhtudel (ja kindlasti enamiku füüsikaprobleemide kohta, mida küsitakse pinge ja elektrivoolu kohta), saab seda probleemideta kasutada.
Ohmi võimuseadus
Ohmi seadust kasutatakse peamiselt pinge ja voolu ning takistuse seostamiseks; Siiski on seaduse laiendus, mis võimaldab teil samu koguseid kasutada vooluringis hajutatud elektrienergia arvutamiseks, kus võimsusPon energia ülekandekiirus vattides (kus 1 W = 1 J / s). Selle võrrandi lihtsaim vorm on:
P = IV
Nii et sõnades võrdub võimsus voolu korrutatuna pingega. Seega on see võtmevaldkond, kus pinge erinevus ja elektrivool on sarnased: neil mõlemal on otseselt proportsionaalne suhe vooluahelas hajutatud võimsusega. Kui te ei tea praegust voolu, võite võimu väljendamiseks kasutada Ohmi seaduse (I = V / R) ümberkorraldamist:
\ begin {joondatud} P & = \ frac {V} {R} × V \\ & = \ frac {V ^ 2} {R} \ end {joondatud}
Või kasutades Ohmi seaduse standardset vormi, saate pinge asendada ja kirjutada:
P = I ^ 2R
Nende võrrandite ümberkorraldamise abil saate väljendada ka pinget, takistust või voolu võimsuse ja teise koguse kujul.
Kirchhoffi pinge- ja praegused seadused
Kirchhoffi seadused on kaks muud olulisemat seadet elektrilülituste jaoks ja need on eriti kasulikud, kui analüüsite mitme komponendiga vooluahelat.
Kirchhoffi esimest seadust nimetatakse mõnikord kehtivaks seaduseks, kuna see ütleb, et kogu praegune ristmikku voolav vool on võrdne sellest välja voolava vooluga - sisuliselt see laeng on konserveeritud.
Kirchhoffi teist seadust nimetatakse pingeseaduseks ja see ütleb, et mis tahes ahela suletud ahela jaoks peab kõigi pingete summa olema võrdne nulliga. Pingeseaduse jaoks käsitlete akut positiivse pingena ja mis tahes komponendi pingelangust negatiivse pingena.
Koos Ohmi seadusega saab neid kahte seadust kasutada sisuliselt kõigi probleemide lahendamiseks, millega tõenäoliselt elektrilülitusi kokku puutute.
Pinge ja vool: arvutuste näited
Kujutage ette, et teil on vooluring, mis hõlmab 12-V akut ja kahte järjestikku ühendatud takistit, takistustega 30 Ω ja 15 Ω. Vooluahela kogutakistus antakse nende kahe takistuse summaga, seega 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Pange tähele, et kui takistid on paigutatud paralleelselt, hõlmab suhe vastastikku, kuid see pole oluline pinge erinevuse ja voolu seose mõistmine, nii et praeguseks piisab sellest lihtsast näitest eesmärkidel.
Mis on vooluahela kaudu voolav elektrivool? Enne edasilugemist proovige ise Ohmi seadust rakendada.
Ohmi seaduse järgmine vorm:
I = \ frac {V} {R}
Võimaldab arvutada:
\ begin {joondatud} I & = \ frac {12 \ text {V}} {45 \ text {Ω}} \\ & = 0.27 \ text {A} \ end {joondatud}
Nüüd, teades voolu läbi vooluahela, milline on pinge langus üle 15-Ω takisti? Selle küsimuse lahendamiseks võib kasutada standardvormis Ohmi seadust. Väärtuste sisestamineMina= 0,27 A jaR= 15 Ω annab:
\ begin {joondatud} V & = IR \\ & = 0.27 \ text {A} × 15 \ text {Ω} \\ & = 4.05 \ text {V} \ end {joondatud}
Kirchhoffi seaduste kasutamise eesmärgil on see negatiivne pinge (st pingelangus). Kas saate viimase harjutusena näidata, et suletud ahela ümber kogupinge võrdub nulliga? Pidage meeles, et akul on positiivne pinge ja kõik pingelangud on negatiivsed.