Jännite vs. virta: Mitkä ovat yhtäläisyydet ja erot?

Jos sähkön fysiikka on sinulle uutta, termit kutenJännitejavahvistimetvoivat melkein tuntua vaihdettavilta niiden käyttötavan perusteella. Mutta todellisuudessa ne ovat hyvin erilaisia ​​määriä, vaikka ne liittyvät läheisesti siihen, miten ne toimivat yhdessä sähköpiirissä, kuten Ohmin laki kuvaa.

Oikeastaan ​​"ampeerit" ovat sähkövirran mitta (joka mitataanampeeria), ja jännite on termi, joka tarkoittaa sähköpotentiaalia (mitattunavolttia), mutta ellet ole oppinut yksityiskohtia, on ymmärrettävää, että saatat saada nämä kaksi sekoittaa toisiinsa.

Jotta ymmärtäisit eron - ja älä koskaan sekoita niitä uudelleen - tarvitset vain perusmaalin siitä, mitä ne tarkoittavat ja miten ne liittyvät sähköpiiriin.

Jännite on toinen termi kahden pisteen väliselle sähköpotentiaalierolle, ja se voidaan yksinkertaisesti määritellä sähköpotentiaalienergiana latausyksikköä kohti.

Aivan kuten painovoimapotentiaali on potentiaalinen energia, jonka esineellä on sijaintinsa perusteella a: ssa painovoimakenttä, sähköpotentiaali on potentiaalienergia, jonka varatulla esineellä on sijaintinsa vuoksi sähkökenttä. Jännite kuvaa tätä nimenomaisesti sähkövarausyksikköä kohden, joten voidaan kirjoittaa:

MissäVon jännite,E​_el on sähköinen potentiaalienergia jaqon sähkövaraus. Koska sähköpotentiaalien yksikkö on joule (J) ja sähkövarauksen yksikkö on coulomb (C), jänniteyksikkö on voltti (V), jossa 1 V = 1 J / C, tai sanoin, yksi voltti on yhtä suuri kuin yksi joule per coulomb.

Tämä kertoo sinulle, että jos annat yhden coulombin varauksen kulkea 1 V: n potentiaalieron (eli jännitteen) läpi, se saada 1 J energiaa, tai päinvastoin, tarvitaan yksi joulea energiaa varauksen kulman liikuttamiseksi potentiaalisen eron ollessa 1 V. Jännitteeseen viitataan myös joskussähkömoottorin voima(EMF).

Kahden pisteen välinen jänniteero (tai potentiaaliero), kuten sisääntulevan elementin kummallakin puolella virtapiiri, voidaan mitata kytkemällä volttimittari rinnan kiinnostavan elementin kanssa sisään. Kuten nimestä voi päätellä, voltimetri mittaa jännitettä piirin kahden pisteen välillä, mutta kun käytät yhtä, se on kytkettävärinnakkainjännitteen lukemisen häiriöiden tai laitteen vahingoittumisen välttämiseksi.

Sähkövirta, jota joskus kutsutaan ampeeriksi (koska sillä on ampeerin yksikkö), on sähkövarauksen virtausnopeus virtapiirin pisteen ohi. Sähkövarausta kuljettavat elektronit, negatiivisesti varatut hiukkaset, jotka ympäröivät atomin ydintä, joten virran määrä kertoo todella elektronien virtausnopeuden. Sähkövirran yksinkertainen matemaattinen määritelmä on:

MissäMinäon virta (ampeereina),qon sähkövaraus (coulombs) jaton kulunut aika (sekunteina). Kuten tämä yhtälö osoittaa, ampeerin (A) määritelmä on 1 A = 1 C / s tai sähköpanoksen virta 1 kulona sekunnissa. Elektronien suhteen tämä on noin 6,2 × 10¹⁸ elektronit (noin kuusi miljardia miljardia) virtaavat vertailupisteen ohi sekunnissa vain 1 A.

Virta voidaan mitata sähköpiirissä liittämällä ampeerimittari sarjaan - mikä tarkoittaa päävirran polku - piirin osalla, jonka haluat mitata virran määrän kautta.

Jos yrität edelleen ymmärtää roolien jännite-ero ja sähkövirta sähköpiirissä laajasti käytetyn analogian sähkön ja veden pitäisi auttaa selventämään asioita. Kaksi erilaista skenaariota voidaan käyttää virtapiirin jännitteen esittämiseen: joko mäkeä pitkin kulkeva vesiputki tai pohjaan ulostuloputkella täytetty vesisäiliö.

Vesiputkelle, jonka toinen pää on mäen yläosassa ja toinen pää alareunassa, intuitiosi pitäisi kerro, että vesi virtaisi sen läpi nopeammin, jos mäki olisi korkeampi ja hitaampi, jos mäki olisi alempi. Jos vesisäiliöesimerkissä on kaksi vesisäiliötä, jotka on täytetty eri tasoille, voit odottaa enemmän täytettyä säiliötä vapauttamaan vettä poistoaukosta nopeammin kuin alempaan taso.

Olipa kyse mäen korkeudesta (painovoimapotentiaalista johtuen) tai potentiaalista säiliön vedenpaineen synnyttämät molemmat esimerkit välittävät avainkysymyksen jännitteestä eroja. Mitä suurempi potentiaali, sitä nopeammin vesi (ts. Virta) virtaa.

Veden virtaus itsessään on analoginen sähkövirran kanssa. Jos mitattiin veden virtaamista yhden pisteen ohi putkessa sekunnissa, tämä on kuin virran virta piirissä, paitsi että vesi on sähkövarauksen sijasta elektronien muodossa. Joten jos kaikki muu on yhtä suuri, korkea jännite johtaa korkeaan virtaan ja päinvastoin. Kuvan viimeinen osa on vastus, joka on analoginen kuvan seinien välisen kitkan kanssa putki ja vesi tai putkeen asetettu fyysinen este, joka osittain estää vettä virtaus.

Kuten taulukosta ilmenee, sähkövirralla ja jännitteellä on enemmän eroja kuin yhtäläisyyksiä, mutta on myös joitain yhtäläisyyksiä. Suurin ero näiden kahden välillä on se, että ne kuvaavat eri määriä kokonaan, joten kun ymmärrät jokaisen perusasiat, et todennäköisesti sekoita niitä yhteen toinen.

Jänniteero ja sähkövirta ovat suoraan verrannollisia toisiinsa Ohmin lain mukaisesti, joka on yksi tärkeimmistä yhtälöistä sähköpiirien fysiikassa. Yhtälö kuvaa jännitettä (ts. Akun tai muun virtalähteen luomaa potentiaalieroa) piirin virralle ja resistanssille virran virtaukselle, jonka komponentit muodostavat piiri.

Ohmin laki sanoo:

MissäVon jännite,Minäon sähkövirta jaRon vastus (mitattuna ohmina, Ω). Tästä syystä Ohmin lakia kutsutaan joskus jännitteen, virran ja vastuksen yhtälöksi. Jos tiedät kaksi yhtälön määrää tässä yhtälössä, voit järjestää yhtälön uudelleen löytääksesi toisen määrä, mikä tekee siitä hyödyllisen useimpien fysiikassa kohtaamiesi elektroniikkaongelmien ratkaisemisessa luokassa.

On syytä huomata, että Ohmin laki ei oleainapätevä, ja sellaisenaan se ei ole "oikea" fysiikan laki, mutta hyödyllinen likiarvo sille, mitä kutsutaanohminenmateriaaleja. Lineaarinen suhde, johon se viittaa virran ja jännitteen välillä, ei päde esimerkiksi filamenttiin polttimo, jossa lämpötilan nousu aiheuttaa vastuksen kasvua ja vaikuttaa siten lineaariseen suhde. Kuitenkin useimmissa tapauksissa (ja varmasti useimmista fysiikan ongelmista, joita sinulta kysytään jännitteestä ja sähkövirrasta), sitä voidaan käyttää ongelmitta.

Ohmin lakia käytetään ensisijaisesti suhteuttamaan jännite virtaan ja vastukseen; On kuitenkin olemassa lain laajennus, jonka avulla voit käyttää samoja määriä laskemaan sähköstä hukkaan tuleva piiri, jossa tehoPon energiansiirtonopeus watteina (missä 1 W = 1 J / s). Tämän yhtälön yksinkertaisin muoto on:

Joten sanoin, teho on yhtä suuri kuin virta kerrottuna jännitteellä. Siksi tämä on avainalue, jolla jännite-ero ja sähkövirta ovat samanlaiset: Molemmilla on suora suhteellinen suhde piirin haihdutettuun tehoon. Jos et tiedä nykyistä, voit käyttää Ohmin lain uudelleenjärjestelyä (I = V / R) ilmaista valtaa seuraavasti:

Tai käyttämällä Ohmin lain vakiomuotoa voit korvata jännitteen ja kirjoittaa:

Järjestämällä nämä yhtälöt uudelleen, voit myös ilmaista jännitteen, vastuksen tai virran tehona ja toisena määränä.

Kirchhoffin lait ovat kaksi muuta tärkeintä lakia sähköpiireille, ja ne ovat erityisen hyödyllisiä, kun analysoit piiri, jossa on useita komponentteja.

Kirchhoffin ensimmäistä lakia kutsutaan joskus nykyiseksi laiksi, koska siinä todetaan, että kokonaisvirta risteykseen virtaava virta on yhtä suuri kuin siitä virtaava virta - olennaisesti kyseinen varaus on säilynyt.

Kirchhoffin toista lakia kutsutaan jännitelakiksi, ja siinä todetaan, että kaikilla piirin suljetuilla silmukoilla kaikkien jännitteiden summan on oltava nolla. Jännitelain osalta käsittelet akkua positiivisena jännitteenä ja minkä tahansa komponentin jännitehäviöitä negatiivisena jännitteenä.

Yhdessä Ohmin lain kanssa näitä kahta lakia voidaan käyttää ratkaisemaan olennaisesti kaikki ongelmat, joihin todennäköisesti kohtaat sähköpiirejä.

Kuvittele, että sinulla on piiri, johon kuuluu 12 V: n akku ja kaksi sarjaan kytkettyä vastusta, joiden resistanssit ovat 30 Ω ja 15 Ω. Piirin kokonaisresistanssi saadaan näiden kahden vastuksen summalla, joten 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Huomaa, että kun vastukset on järjestetty rinnakkain, suhde sisältää vastavuoroisia, mutta tämä ei ole tärkeää ymmärtää jännite-eron ja virran välinen suhde, joten tämä yksinkertainen esimerkki riittää läsnäololle tarkoituksiin.

Mikä on piirin läpi kulkeva sähkövirta? Yritä soveltaa Ohmin lakia itse ennen kuin jatkat lukemista.

Seuraava Ohmin lain muoto:

Voit laskea:

Mikä on jännitteen pudotus 15-ohmin vastuksen yli, tietäen virran piirin kautta? Ohmin lakia vakiomuodossa voidaan käyttää tämän kysymyksen ratkaisemiseen. Lisätään arvotMinä= 0,27 A jaR= 15 Ω antaa:

Kirchhoffin lakien käyttämiseksi tämä on negatiivinen jännite (ts. Jännitteen pudotus). Voitko viimeisenä harjoituksena osoittaa, että suljetun silmukan ympärillä oleva kokonaisjännite on nolla? Muista, että akulla on positiivinen jännite ja kaikki jännitehäviöt ovat negatiivisia.