Kuvittele, että vesi virtaa alamäkeen putkijärjestelmän läpi. Intuitiosi pitäisi kertoa sinulle, mitkä tekijät tekisivät veden virtauksen nopeammin ja mitkä tekisivät sen virtaavan hitaammin. Mitä korkeampi mäki, sitä nopeampi virta on, ja mitä enemmän esteitä putkessa on, sitä hitaammin se virtaa.
Tämä kaikki johtuu apotentiaalinen energiaero kukkulan huipun ja pohjan välillä, koska vedellä on painovoiman potentiaalienergiaa mäen yläosassa, eikä sitä ole sillä hetkellä, kun se saavuttaa pohjan.
Tämä on loistava analogia sähkölaitteilleJännite. Samalla tavalla, kun sähköpiirin kahden pisteen välillä on sähköpotentiaaliero, sähkövirta virtaa piirin yhdestä osasta toiseen.
Aivan kuten vesiesimerkissä, kahden pisteen välinen potentiaalinen energiaero (joka syntyy sähkövarauksen jakautumisesta) luo virran. Fyysikoilla on tietysti tarkemmat määritelmät kuin tämä, ja yhtälöiden, kuten Ohmin lain, oppiminen antaa sinulle paremman käsityksen jännitteestä.
Määritelmä Jännite
Jännite on nimi, joka annetaan sähköpotentiaalienergiaerolle kahden pisteen välillä, ja se määritellään sähköpotentiaalienergiana latausyksikköä kohti. Siitä huolimatta
Määritelmä voidaan kirjoittaa matemaattisesti seuraavasti:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
MissäVon potentiaalinen ero,Eel on sähköinen potentiaalienergia (jouleina) jaqon varaus (coulombs). Tämän perusteella sinun pitäisi pystyä näkemään, että 1 V = 1 J / C, mikä tarkoittaa, että yksi voltti määritellään yhdeksi jouleksi kutakin palloa kohden (ts. Latausyksikköä kohti). Joskus näetEkäytetään jännitteen symbolina, koska toinen termi samalle määrälle on "sähkömoottori" (EMF), mutta monet lähteet käyttävätVvastaamaan termin jokapäiväistä käyttöä.
Voltti on saanut nimensä italialaiselta fyysikolta Alessandro Volta, joka tunnetaan parhaiten ensimmäisen sähköakun keksimisestä (nimeltään "volttipino").
Jännitteen yhtälö
Yllä oleva yhtälö ei kuitenkaan ole yleisimmin käytetty jännitteen yhtälö, koska suurin osa kun kohtaat termin, siihen liittyy sähköpiiri ja kaikkein hyödyllisin yhtälö Tämä onOhmin laki. Tämä yhdistää jännitteen virtapiirissä olevaan virtaan ja resistanssin virtavirtaan piirin johtimista ja komponenteista, ja sillä on muoto:
V = IR
MissäVon potentiaalinen ero voltteina (V);Minäon nykyinen virtaus ampeerin yksiköllä tai lyhytvahvistimella (A); jaRon vastus ohmoina (Ω). Yhdellä silmäyksellä tämä yhtälö kertoo, että samalla vastuksella suuremmat jännitteet tuottavat suurempia virtoja (analoginen kuin mäen johdannossa) ja samalla jännitteellä virran virtaus pienenee suuremmille resistansseille (analoginen putken esteiden kanssa esimerkki). Jos jännite-eroa ei ole, virta ei virtaa.
Piirin eri komponenteilla on erilainenjännite laskeeja voit käyttää Ohmin lakia selvittääkseen, mitä heistä tulee. Kirchhoffin jännitelain mukaisestijännitteen pudotusten summan minkä tahansa piirin täydellisen silmukan ympärillä on oltava nolla.
Kuinka mitata jännite piirissä
Jännite sähköpiirin elementin yli voidaan mitata voltimittarilla tai yleismittarilla, jälkimmäinen sisältää volttimittarin, mutta myös muita työkaluja, kuten ampeerimittarin (virran mittaamiseksi). Kytke volttimittari rinnakkain mitattavan elementin poikki, jotta voit määrittää jännitteen pudotuksen kahden pisteen välillä - älä koskaan kytke sitä sarjaan!
Analogiset volttimittarit toimivat sarjassa galvanometrillä (laite pienten sähkövirtojen mittaamiseksi), joissa on korkea ohmin vastus, galvanometrissä on lankakäämi magneettikentässä. Kun virta kulkee langan läpi, se luo magneettikentän, joka on vuorovaikutuksessa olemassa olevan kanssa magneettikenttä kelan pyörimiseksi, joka sitten siirtää laitteen osoittimen osoittamaan Jännite.
Koska kelan pyöriminen on verrannollinen virtaan ja virta on puolestaan verrannollinen jännitteeseen (Ohmin lain mukaan), mitä enemmän kela pyörii, sitä suurempi jännite on kaksi kohtaa. Tämä on monimutkaisempaa, jos mitat vaihtovirtaa tasavirran sijaan, mutta myös erilaiset mallit mahdollistavat tämän.
Sinun on liitettävä volttimittari rinnakkain, koska kahdella rinnakkaisella piirielementillä on sama jännite niiden yli. Jännitemittarilla on oltava suuri vastus, koska se estää sitä vetämästä liian suurta virtaa pääpiiristä ja häiritsemästä siten tulosta. Lisäksi volttimittareita ei ole rakennettu vetämään suuria virtoja, joten jos liität yhden sarjaan, se voi helposti rikkoa tai palaa sulakkeen.
Jännite-esimerkkejä
Oppiminen työskentelemään sähköpotentiaalilla tarkoittaa oppimista käyttämään Ohmin lakia ja oppimista soveltamaan Kirchhoffin jännitelakia jännitteen pudotusten määrittämiseksi piirin eri osien välillä. Yksinkertaisin tehtävä on soveltaa Ohmin lakia koko piiriin.
Jos piiri toimii 12 V: n paristolla ja sen vastus on yhteensä 70 ohmia, mikä virta kulkee piirin läpi?
Täällä sinun on yksinkertaisesti järjestettävä Ohmin laki uudelleen luomaan ilmaus sähkövirralle. Laissa todetaan:
V = IR
Sinun tarvitsee vain jakaa molemmat osapuoletRja käännä saadaksesi:
I = \ frac {V} {R}
Arvojen lisääminen antaa:
\ alku {tasattu} I & = \ frac {1 \ teksti {V}} {70 \ teksti {Ω}} \\ & = 0,1714 \ teksti {A} \ loppu {tasattu}
Virta on siis 0,1714 A tai 171,4 milliampeeria (mA).
Mutta kuvittele nyt, että tämä 70 Ω: n vastus on jaettu kolmeen eri vastukseen sarjaan arvojen 20 Ω, 10 Ω ja 40 Ω välillä. Mikä on jokaisen komponentin jännitehäviö?
Jälleen voit käyttää Ohmin lakia tarkastellaksesi kutakin komponenttia vuorotellen ja ottamalla huomioon 0,1714 A: n ympärillä olevan sähkövirran. V = IR: n käyttö jokaiselle kolmelle vastukselle vuorotellen:
Ensimmäisen:
\ aloita {tasattu} V_1 & = 0,1714 \ teksti {A} × 20 \ teksti {Ω} \\ & = 3,428 \ teksti {V} \ loppu {tasattu}
Toinen:
\ alku {tasattu} V_2 & = 0,1714 \ teksti {A} × 10 \ teksti {Ω} \\ & = 1,714 \ teksti {V} \ loppu {tasattu}
Ja kolmas:
\ begin {tasattu} V_3 & = 0.1714 \ text {A} × 40 \ text {Ω} \\ & = 6.856 \ text {V} \ end {kohdistettu}
Kirchhoffin jännitelain mukaan näiden kolmen jännitehäviön tulisi olla enintään 12 V:
\ begin {tasattu} V_1 + V_2 + V_3 & = 3.428 \ text {V} + 1.714 \ text {V} + 6.856 \ text {V} \\ & = 11.998 \ text {V} \ end {kohdistettu}
Tämä on yhtä suuri kuin 12 V kahden desimaalin tarkkuudella, ja pieni ero johtuu pyöristysvirheistä.
Jännitehäviöt rinnakkaisosien yli
Keskustelussa siitä, kuinka jännite mitataan yllä, havaittiin, että jännitteen pudotukset piirin rinnakkaisten komponenttien yli ovat samat. Tämä selitetäänKirchhoffin jännitelaki, jonka mukaan suljetussa piirissä olevien jännitteiden (virtalähteestä tulevan positiivisen jännitteen ja komponenttien jännitehäviöiden) summan on oltava yhtä suuri kuin nolla.
Rinnakkaiselle piirille, jossa on useita haaroja, voit luoda tällaisen silmukan, joka sisältää minkä tahansa yhdensuuntaisista haaroista ja akusta. Kunkin haaran komponentista riippumatta jännitteen pudotus minkä tahansa haaran ylion pakkoSiksi sen on oltava yhtä suuri kuin akun tuottama jännite (sivuuttamatta muiden sarjassa olevien komponenttien mahdollisuutta yksinkertaisuuden vuoksi). Tämä pätee kaikkiin haaroihin, joten rinnakkaisilla komponenteilla on aina yhtä suuret jännitehäviöt niiden yli.
Jännite ja teho lampuissa
Ohmin lakia voidaan myös laajentaa koskemaan valtaa (P), joka on energiansyöttönopeus jouleina sekunnissa (wattia,W), ja käy ilmi, että P = IV.
Piirikomponentille, kuten hehkulampulle, tämä osoittaa, että sen hajauttama teho (ts. Muuttuu valoksi) riippuu sen yli kulkevasta jännitteestä, ja korkeammat jännitteet johtavat suurempaan tehoon. Edellisen osan rinnakkaisista komponenteista käydyn keskustelun mukaisesti useat rinnakkain järjestetyt lamput hehkuvat kirkkaammin kuin samat polttimot sarjassa, koska täysi akun jännite putoaa jokaisen hehkulampun yli, kun se kytketään rinnakkain, kun taas vain kolmasosa siitä menee, kun ne on kytketty sarja.