Napon: definicija, jednadžba, jedinice (s primjerima)

Zamislite da voda teče nizbrdo kroz sustav cijevi. Vaša bi vam intuicija trebala reći koji bi čimbenici ubrzali protok vode, a što sporije. Što je brdo veće, to će struja biti brža, a što je više prepreka u cijevi, to će sporije teći.

To je sve zbog arazlika potencijalne energije​ ​između vrha brda i dna, jer voda ima gravitacijsku potencijalnu energiju na vrhu brda i nijedna dok ne dosegne dno.

Ovo je sjajna analogija za električnunapon. Na isti način, kada postoji razlika u električnom potencijalu između dviju točaka na električnom krugu, električna struja teče iz jednog dijela kruga u drugi.

Baš kao u primjeru s vodom, razlika potencijalne energije između dviju točaka (stvorena raspodjelom električnog naboja) je ono što stvara trenutni protok. Naravno, fizičari imaju preciznije definicije od ove, a jednadžbe učenja poput Ohmovog zakona daju vam bolje razumijevanje napona.

Napon je naziv koji se daje razlici električne energije između dvije točke i definira se kao električna potencijalna energija po jedinici naboja. Iako

Definicija se može matematički napisati kao:

GdjeVje razlika potencijala,E​_el je električna potencijalna energija (u džulima) iqje naboj (u kulonima). Iz ovoga biste trebali vidjeti da je 1 V = 1 J / C, što znači da je jedan volt definiran kao jedan džul po kulonu (tj. Po jedinici punjenja). Ponekad ćete vidjetiEkoristi se kao simbol za napon, jer je drugi izraz za istu količinu "elektromotorna sila" (EMF), ali mnogi izvori koristeVkako bi odgovarao svakodnevnoj upotrebi izraza.

Volt je ime dobio po talijanskom fizičaru Alessandru Volti, koji je najpoznatiji po tome što je izumio prvu električnu bateriju (nazvanu "voltaička hrpa").

Međutim, gornja jednadžba nije najčešće korištena jednadžba za napon, jer većina kad naiđete na pojam, on će uključivati ​​električni krug i najkorisniju jednadžbu za ovo jeOhmov zakon. To povezuje napon s protokom struje u krugu i otporom protoku struje iz žica i dijelova kruga i ima oblik:

GdjeVje razlika potencijala u voltima (V);Jaje trenutni protok s kratkom jedinicom ampera ili pojačala (A); iRje otpor u ohima (Ω). Na prvi pogled, ova jednadžba govori vam da za isti otpor veći naponi proizvode veće struje (analogno povećanju visine brda u uvodu) i za isti napon protok struje je smanjen za veće otpore (analogno preprekama cijevima u primjer). Ako nema razlike u naponu, struja neće teći.

Različite komponente kruga imat će različitepadovi naponapreko njih, a pomoću Ohmovog zakona možete utvrditi što će oni biti. U skladu s Kirchhoffovim naponskim zakonom,zbroj padova napona oko bilo koje cjelovite petlje u krugu mora biti jednak nuli​.

Napon na elementu u električnom krugu može se izmjeriti voltmetrom ili multimetrom, pri čemu potonji sadrži voltmetar, ali i druge alate poput ampermetra (za mjerenje struje). Voltmetar paralelno spajate preko elementa koji se mjeri kako biste odredili pad napona između dviju točaka - nikada ga nemojte spajati u seriju!

Analogni voltmetri rade pomoću galvanometra (uređaja za mjerenje malih električnih struja) u seriji s otpornikom visokog oma, pri čemu galvanometar sadrži zavojnicu žice u magnetskom polju. Kada struja teče kroz žicu, ona stvara magnetsko polje, koje komunicira sa postojećim magnetsko polje za zakretanje zavojnice, koje zatim pomiče pokazivač na uređaju kako bi označilo napon.

Budući da je rotacija zavojnice proporcionalna struji, a struja je zauzvrat proporcionalno naponu (po Ohmovom zakonu), što se zavojnica više okreće, to je napon između dvije točke. To je složenije ako mjerite izmjeničnu, a ne istosmjernu, ali različiti dizajni i to omogućuju.

Morate paralelno spojiti voltmetar jer paralelno dva elementa kruga imaju jednak napon na sebi. Voltmetar mora imati visoki otpor jer to sprečava izvlačenje prevelike struje iz glavnog kruga i time ometanje rezultata. Osim toga, voltmetri nisu konstruirani za izvlačenje velikih struja, pa ako ga spojite u nizu, lako bi se mogao slomiti ili pregorjeti osigurač.

Učenje rada s električnim potencijalom uključuje učenje korištenja Ohmovog zakona i učenje primjene Kirchhoffova zakona napona za određivanje pada napona na različitim elementima u krugu. Najjednostavnije je primijeniti Ohmov zakon na cijeli krug.

Ako se krug napaja 12-V baterijom i ima ukupno 70 ohma otpora, kolika struja prolazi kroz krug?

Ovdje jednostavno trebate preurediti Ohmov zakon da biste stvorili izraz za električnu struju. Zakon kaže:

Sve što trebate je podijeliti obje strane saRi obrnuto da se dobije:

Umetanje vrijednosti daje:

Dakle, struja je 0,1714 A ili 171,4 miliampera (mA).

Ali sada zamislite da je ovih 70 Ω otpora podijeljeno na tri različita otpornika u nizu, s vrijednostima od 20 Ω, 10 Ω i 40 Ω. Koliki je pad napona na svakoj komponenti?

Opet, možete se poslužiti Ohmovim zakonom da biste promatrali svaku komponentu redom, bilježeći ukupnu električnu struju oko kruga od 0,1714 A. Korištenje V = IR za svaki od tri otpornika zauzvrat:

Za prvo:

Drugi:

I treće:

Prema Kirchhoffovu zakonu napona, ova tri pada napona trebala bi iznositi do 12 V:

To je jednako 12 V na dvije decimale, s manjim odstupanjem zbog pogrešaka u zaokruživanju.

U raspravi o tome kako izmjeriti napon iznad, primijećeno je da su padovi napona na paralelnim komponentama u krugu jednaki. To se objašnjavaKirchhoffov zakon napona, koji kaže da zbroj svih napona (pozitivni napon iz izvora napajanja i napon pada s komponenata) u zatvorenoj petlji mora biti jednak nuli​.

Za paralelni krug, s više grana, možete stvoriti takvu petlju, uključujući bilo koju od paralelnih grana i bateriju. Bez obzira na komponentu na svakoj grani, pad napona na bilo kojoj granimorazato mora biti jednak naponu koji daje baterija (zanemarujući mogućnost ostalih komponenata u seriji, radi jednostavnosti). To vrijedi za sve grane, pa će paralelne komponente uvijek imati jednake padove napona na sebi.

Ohmov zakon također se može proširiti da se odnosi na moć (Str), što je brzina opskrbe energijom u džulima u sekundi (vati,W), a ispada da je P = IV.

Za komponentu sklopa kao što je žarulja, to pokazuje da snaga koju rasipa (tj. Pretvara se u svjetlost) ovisi o naponu na njoj, s višim naponima koji vode do veće izlazne snage. U skladu s raspravom o paralelnim komponentama u prethodnom odjeljku, više žarulja poredanih paralelno svijetli jače od istih sijalica u seriji, jer puni napon baterije pada na svakoj žarulji kad je paralelno spojen, dok samo trećina padne kad su spojeni niz.