Ako ste novi u fizici elektriciteta, pojmovi poputnaponipojačalamogu izgledati zamjenjivo na temelju načina na koji se koriste. Ali u stvarnosti, to su vrlo različite veličine, iako su usko povezane načinom na koji rade zajedno u električnom krugu, kao što je opisano Ohmovim zakonom.
Zaista, "pojačala" su mjera električne struje (koja se mjeri uamperima), a napon je pojam koji znači električni potencijal (mjeren uvolti), ali ako niste saznali detalje, razumljivo je da biste njih dvoje mogli međusobno zbuniti.
Da biste razumjeli razliku - i nikad ih više nećete pomiješati - trebate samo osnovni temeljni premaz o tome što znače i kako su povezani s električnim krugom.
Što je napon?
Napon je još jedan izraz za razliku u električnom potencijalu između dvije točke i može se jednostavno definirati kao električna potencijalna energija po jedinici naboja.
Baš kao što je gravitacijski potencijal potencijalna energija koju objekt ima na temelju svog položaja unutar gravitacijsko polje, električni potencijal je potencijalna energija koju nabijeni objekt ima zbog svog položaja u električno polje. Napon to posebno opisuje po jedinici električnog naboja, pa se može zapisati:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
GdjeVje napon,Eel je električna potencijalna energija iqje električni naboj. Budući da je jedinica za električnu potencijalnu energiju džul (J), a jedinica za električni naboj kulon (C), jedinica napona je volt (V), gdje je 1 V = 1 J / C, ili je riječima jedan volt jednak jednom džulu po coulomb.
To vam govori da ako dopustite da naboj od 1 kulona prolazi kroz potencijalnu razliku (tj. Napon) od 1 V, on će dobiti 1 J energije, ili obratno, trebat će vam jedan džul energije da se kulon naboja pomakne kroz potencijalnu razliku od 1 V. Napon se ponekad naziva ielektromotorna sila(EMR).
Razlika napona (ili razlika potencijala) između dviju točaka, kao na obje strane elementa u električni krug, može se izmjeriti spajanjem voltmetra paralelno s elementom koji vas zanima u. Kao što i samo ime govori, voltmetar mjeri napon između dvije točke na krugu, ali kad ga upotrebljavate, mora biti povezanparalelnokako biste izbjegli ometanje očitavanja napona ili oštećenja uređaja.
Što je trenutno?
Električna struja, koja se ponekad naziva i amperaža (budući da ima jedinicu ampera), predstavlja brzinu protoka električnog naboja iza točke u krugu. Električni naboj nose elektroni, negativno nabijene čestice koje okružuju jezgru atoma, pa vam količina struje stvarno govori o brzini protoka elektrona. Jednostavna matematička definicija električne struje je:
I = \ frac {q} {t}
GdjeJaje struja (u amperima),qje električni naboj (u kulonima) itje proteklo vrijeme (u sekundama). Kao što pokazuje ova jednadžba, definicija ampera (A) je 1 A = 1 C / s ili protok električnog naboja od 1 kulona u sekundi. Što se tiče elektrona, ovo je oko 6,2 × 1018 elektroni (oko šest milijardi milijardi) koji prolaze pored referentne točke u sekundi za trenutni protok od samo 1 A.
Struja se može izmjeriti u električnom krugu spajanjem ampermetra u seriju - što znači u put glavne struje - presjekom kruga želite izmjeriti količinu struje kroz.
Protok vode: analogija
Ako se još uvijek borite za razumijevanje uloga koje igraju razlika napona i električna struja unutar električnog kruga, široko korištena analogija između električne energije i vode trebala bi pomoći razjasniti stvari. Dva različita scenarija mogu se koristiti za predstavljanje napona u električnom krugu: ili vodovodna cijev koja se spušta niz brdo ili spremnik za vodu napunjen izlaznim izljevom na dnu.
Za cijev za vodu s jednim krajem na vrhu brda i drugim krajem na dnu, vaša bi intuicija trebala reći ću vam da bi voda kroz njega tekla brže ako je brdo više i sporije ako je brdo niže. Za primjer spremnika za vodu, da postoje dva spremnika za vodu napunjena na različite razine, očekivali biste napunjeniji spremnik za ispuštanje vode iz izlaza bržim brzinama od punjenja na niži nivo.
Bez obzira radi li se o potencijalu s visine brda (zbog gravitacijskog potencijala) ili potencijalu stvorena pritiskom vode u spremniku, oba ova primjera prenose ključnu činjenicu o naponu Razlike. Što je veći potencijal, voda će brže teći (tj. Struja).
Sam protok vode analogan je električnoj struji. Ako ste u sekundi izmjerili vodu koja prolazi kroz jednu točku na cijevi, to je poput strujanja struje u krugu, osim s vodom umjesto električnog naboja u obliku elektrona. Dakle, ako je sve ostalo jednako, visoki napon dovodi do velike struje i obrnuto. Završni dio slike je otpor, koji je analogan trenju između zidova cijevi i vode ili fizička zapreka postavljena u cijevi koja djelomično blokira vodu teći.
Sličnosti i razlike
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {niz} {c: c} \ text {Sličnosti} & \ text {Razlike} \\ \ hline \ hline \ text {Obje se odnose na električne krugove} & \ text {Različite jedinice, napon je mjeri se u voltima, gdje je 1 V = 1 J / C} \\ & \ text {dok se struja mjeri u amperima, gdje je 1 A = 1 C / s} \\ \ hline \ text {Oba utječu na to koliko se snage rasipa preko sklop element} & \ text {Struja je podjednako raspoređena u svim komponentama kada je u nizu} \\ & \ text {dok pad napona na komponentama može biti različit} \\ \ hline \ text {Mogu obje izmjenjivati polaritet (npr. izmjenični} & \ text {Pad napona jednak je na svim} \\ \ text {trenutni ili izmjenični napon) ili izravni polaritet} & \ text {komponente povezane paralelno, dok struja se razlikuje} \\ \ hline \ text {Oni su međusobno izravno proporcionalni u skladu s Ohmovim zakonom} & \ text {Napon stvara električno polje dok struja stvara magnetsko polje} \\ \ hline & \ text {Napon uzrokuje struju, dok je struja učinak napona} \\ \ hline & \ text {Struja teče samo kad je krug završen, ali razlike napona ostati} \ kraj {niz}
Kao što tablica pokazuje, električna struja i napon imaju više razlika nego sličnosti, ali postoje i neke sličnosti. Najveća razlika između njih dvojice je činjenica da u potpunosti opisuju različite količine, pa nakon što shvatite osnove što je svaki od njih, teško da ćete ih zbuniti s jednim još.
Povezanost napona i struje
Razlika napona i električna struja izravno su proporcionalne jedna drugoj u skladu s Ohmovim zakonom, jednom od najvažnijih jednadžbi u fizici električnih krugova. Jednadžba odnosi napon (tj. Potencijalnu razliku koju stvara baterija ili drugi izvor napajanja) na struju u krugu i otpor protoku struje stvoren komponentama sklop.
Ohmov zakon kaže:
V = IR
GdjeVje napon,Jaje električna struja iRje otpor (mjeren u ohima, Ω). Iz tog se razloga Ohmov zakon ponekad naziva jednadžba napona, struje i otpora. Ako znate bilo koje dvije veličine u ovoj jednadžbi, možete preurediti jednadžbu da biste pronašli drugu količina, što ga čini korisnim u rješavanju većine elektroničkih problema s kojima ćete se susresti u fizici razred.
Vrijedno je napomenuti da Ohmov zakon nijestalnovaljan i kao takav nije "istinski" zakon fizike, već korisna aproksimacija za ono što se nazivaomskimaterijali. Linearni odnos koji implicira između struje i napona ne vrijedi za stvari poput žarne niti žarulja, gdje porast temperature uzrokuje porast otpora i tako utječe na linearnu odnos. Međutim, u većini slučajeva (i zasigurno većini fizičkih problema koji će vas pitati koji uključuju napon i električnu struju) može se koristiti bez problema.
Ohmov zakon za moć
Ohmov zakon prvenstveno se koristi za povezivanje napona sa strujom i otporom; međutim, postoji proširenje zakona koje vam omogućuje da pomoću istih veličina izračunate električnu snagu koja se rasipa u krugu, pri čemu snagaStrje brzina prijenosa energije u vatima (gdje je 1 W = 1 J / s). Najjednostavniji oblik ove jednadžbe je:
P = IV
Tako je riječima snaga jednaka struji pomnoženoj s naponom. Stoga je ovo ključno područje u kojem su razlika napona i električna struja slične: oboje dijele izravno proporcionalan odnos sa snagom koja se rasipa u krugu. Ako ne znate struju, možete upotrijebiti preuređivanje Ohmovog zakona (I = V / R) da biste snagu izrazili kao:
\ početak {poravnato} P & = \ frac {V} {R} × V \\ & = \ frac {V ^ 2} {R} \ kraj {poravnato}
Ili pomoću standardnog oblika Ohmovog zakona možete zamijeniti napon i napisati:
P = I ^ 2R
Preuređivanjem ovih jednadžbi također možete izraziti napon, otpor ili struju u smislu snage i druge veličine.
Kirchhoffovi naponski i trenutni zakoni
Kirchhoffovi zakoni su dva druga najvažnija zakona za električne krugove, a posebno su korisni kada analizirate sklop s više komponenata.
Kirchhoffov prvi zakon ponekad se naziva i trenutni zakon, jer kaže da je ukupna struja protok u spoj jednak je struji koja iz njega teče - u biti taj naboj jest konzervirano.
Kirchhoffov drugi zakon naziva se naponski zakon i on kaže da za bilo koju zatvorenu petlju u krugu zbroj svih napona mora biti jednak nuli. Za zakon napona bateriju tretirate kao pozitivan napon, a pad napona na bilo kojoj komponenti tretirate kao negativni napon.
U kombinaciji s Ohmovim zakonom, ova se dva zakona mogu koristiti za rješavanje u osnovi bilo kojeg problema s kojim ćete se vjerojatno susresti, uključujući električne krugove.
Napon i struja: Primjeri proračuna
Zamislite da imate sklop koji uključuje 12-V bateriju i dva otpora, spojena u seriju, s otporima od 30 Ω i 15 Ω. Ukupni otpor kruga dat je zbrojem ta dva otpora, dakle 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Imajte na umu da kada su otpornici postavljeni paralelno, odnos uključuje recipročne vrijednosti, ali to nije važno razumijevanje odnosa između razlike napona i struje, pa će ovaj jednostavan primjer za sada biti dovoljan svrhe.
Kolika je električna struja koja prolazi kroz krug? Pokušajte sami primijeniti Ohmov zakon prije čitanja.
Sljedeći oblik Ohmovog zakona:
I = \ frac {V} {R}
Omogućuje vam izračunavanje:
\ begin {align} I & = \ frac {12 \ text {V}} {45 \ text {Ω}} \\ & = 0,27 \ text {A} \ end {align}
Znajući sada struju kroz krug, koliki je pad napona na otporu od 15 Ω? Ohmov zakon u standardnom obliku može se koristiti za rješavanje ovog pitanja. Umetanje vrijednostiJa= 0,27 A iR= 15 Ω daje:
\ početak {poravnato} V & = IR \\ & = 0,27 \ text {A} × 15 \ text {Ω} \\ & = 4,05 \ text {V} \ kraj {poravnato}
Za potrebe korištenja Kirchhoffovih zakona to će biti negativni napon (tj. Pad napona). Kao posljednju vježbu, možete li pokazati da će ukupni napon oko zatvorene petlje biti jednak nuli? Imajte na umu da baterija ima pozitivan napon, a svi padovi napona su negativni.
