Feszültség: Definíció, egyenlet, egységek (példákkal)

Képzelje el, hogy a víz egy csőrendszeren keresztül lefelé folyik. Az intuíciódnak meg kell mondania, hogy milyen tényezők hatására gyorsabban folyik a víz és mi lassabban folyik. Minél magasabb a domb, annál gyorsabb lesz az áram, és minél több akadály van a csőben, annál lassabban fog áramlani.

Mindez apotenciális energia különbség​ ​a domb teteje és az alja között, mert a víznek gravitációs potenciális energiája van a domb tetején, és egy sincs, mire eléri az alját.

Ez nagyszerű hasonlat az elektromos készülékekrefeszültség. Ugyanígy, amikor az elektromos áramkör két pontja között elektromos potenciálkülönbség van, az áram az áramkör egyik részéből a másikba áramlik.

Csakúgy, mint a vizes példában, a két pont közötti potenciális energia különbség (amelyet az elektromos töltés eloszlása ​​hoz létre) az, ami létrehozza az áram áramlását. Természetesen a fizikusok ennél pontosabb meghatározásokkal rendelkeznek, és az olyan egyenletek megtanulása, mint Ohm törvénye, jobban megérti a feszültséget.

A feszültség a két pont közötti elektromos potenciál-energia különbségnek nevezzük, és ez az egységnyi töltésenkénti elektromos potenciális energia. Habárelektromos potenciálpontosabb kifejezés, az a tény, hogy az elektromos potenciál SI-egysége a volt (V), azt jelenti, hogy erre általában hivatkoznak feszültség, különösen akkor, ha az emberek beszélnek az akkumulátor kivezetései vagy az a áramkör.

A definíció matematikailag így írható:

HolVa potenciális különbség,E​_el az elektromos potenciális energia (joule-ban) ésqa töltés (coulombokban). Ebből azt kell tudni, hogy 1 V = 1 J / C, vagyis egy volt a coulombonként egy joule (azaz egységnyi töltés). Néha meglátjaEhasználják a feszültség szimbólumaként, mert ugyanarra a mennyiségre egy másik kifejezés az „elektromotoros erő” (EMF), de sok forrás használjaVhogy megfeleljen a kifejezés mindennapi használatának.

A volt Alessandro Volta olasz fizikustól kapta a nevét, aki leginkább arról ismert, hogy feltalálta az első elektromos akkumulátort (az úgynevezett „voltaikus cölöpöt”).

A fenti egyenlet azonban nem a leggyakrabban használt egyenlet a feszültségre, mert a legtöbb amikor találkozik a kifejezéssel, akkor ez elektromos áramkört és a leghasznosabb egyenletet fog tartalmazni ezOhm törvénye. Ez a feszültséget kapcsolja az áramkör áramának áramlásával és az áram vezetéseinek és áramköri alkatrészeinek áramlásával szembeni ellenállást, és formája:

HolVa potenciális különbség voltban (V);énaz áramáram, az amper egységével vagy rövidebb erősítővel (A); ésRaz ellenállás ohmban (Ω). Ránézésre ez az egyenlet azt mondja, hogy ugyanazon ellenállás esetén a magasabb feszültségek nagyobb áramokat eredményeznek (analóg módon a domb a bevezetőben) és ugyanazon feszültség esetén az áramáram csökken a nagyobb ellenállások esetén (analóg módon a példa). Ha nincs feszültségkülönbség, akkor áram nem áramlik.

Az áramkör különböző komponensei eltérőek lesznekfeszültség csökkenés Ohm törvénye alapján megtudhatja, hogy mik lesznek. Kirchhoff feszültségtörvényével összhangban azonbanaz áramkör bármely teljes hurokja körüli feszültségesések összegének nullának kell lennie​.

Az elektromos áramkör egyik elemén a feszültséget meg lehet mérni voltmérővel vagy multiméterrel, ez utóbbi tartalmaz egy voltmérőt, de más eszközöket is, például ampermérőt (az áram mérésére). Csatlakoztassa párhuzamosan a voltmérőt a mérendő elemre, hogy meghatározza a két pont közötti feszültségesést - soha ne kösse sorba!

Az analóg voltmérők galvanométerrel (kis elektromos áram mérésére szolgáló eszköz) sorozatosan, nagy ohmos ellenállással működnek, a galvanométer mágneses mezőben huzaltekercset tartalmaz. Amikor egy áram átfolyik a huzalon, mágneses teret hoz létre, amely kölcsönhatásba lép a meglévővel mágneses tér, hogy a tekercs elforduljon, amely ezután elmozdítja az eszköz mutatóját a feszültség.

Mivel a tekercs forgása arányos az árammal, és az áram viszont a feszültséggel arányos (Ohm törvénye szerint), minél jobban forog a tekercs, annál nagyobb a feszültség a két pont. Ez bonyolultabb, ha váltakozó áramot mér, nem pedig egyenáramot, de a különböző kivitelek ezt is lehetővé teszik.

A feszültségmérőt párhuzamosan kell csatlakoztatnia, mert két párhuzamos áramköri elemnek ugyanaz a feszültsége van. A voltmérőnek nagy ellenállással kell rendelkeznie, mert ez megakadályozza, hogy túl nagy áramot vonjon le a fő áramkörből, és ezáltal zavarja az eredményt. Ráadásul a voltmérőket nem úgy tervezik, hogy nagy áramokat vonjanak be, így ha sorba kapcsolja az egyiket, könnyen megszakadhat vagy kiolvadhat a biztosíték.

Az elektromos potenciállal való munkavégzés megtanulása magában foglalja az Ohm-törvény használatának megtanulását és a Kirchhoff-féle feszültségtörvény alkalmazásának megtanulását az áramkör különböző elemei közötti feszültségesések meghatározásához. A legegyszerűbb, ha Ohm törvényét egy egész áramkörre alkalmazzuk.

Ha egy áramkört 12 V-os akkumulátor táplál, és összesen 70 ohmos ellenállással rendelkezik, akkor mekkora áram folyik az áramkörön?

Itt egyszerűen át kell rendezni Ohm törvényét, hogy létrehozzon egy kifejezést az elektromos áramra. A törvény kimondja:

Csak annyit kell tennie, hogy felosztja mindkét oldaltRés fordítva, hogy:

Az értékek beszúrása:

Tehát az áram 0,1714 A, vagyis 171,4 milliamper (mA).

De most képzelje el, hogy ez a 70 Ω-os ellenállás három különböző ellenálláson oszlik meg sorozatban, 20 Ω, 10 Ω és 40 Ω értékekkel. Mekkora a feszültségesés az egyes alkatrészek között?

Ismét Ohm-törvény alapján megnézheti az egyes komponenseket egymás után, megjegyezve a 0,1714 A áramkör körüli teljes elektromos áramot. V = IR használata mindhárom ellenállásnál:

Elsőre:

A második:

És a harmadik:

Kirchhoff feszültségtörvénye szerint ennek a három feszültségesésnek 12 V-nak kell lennie:

Ez 12 V-nak felel meg két tizedesjegyig, a kis eltérés a kerekítési hibák miatt következik be.

A fenti feszültség mérésének megvitatásakor megjegyezték, hogy az áramkör párhuzamos alkatrészei között a feszültségesés azonos. Ezt azzal magyarázzákKirchhoff feszültségtörvénye, amely kimondja, hogy az összes feszültség (az áramforrásból származó pozitív feszültség és az alkatrészekből származó feszültségesések) összege zárt hurokban egyenlő nullával​.

Párhuzamos áramkör esetén, több elágazással, létrehozhat egy ilyen hurkot, amely magában foglalja a párhuzamos ágak bármelyikét és az akkumulátort. Függetlenül az egyes elágazások alkatrészeitől, a feszültség csökkenése bármely ágon átkellezért egyenlő legyen az akkumulátor által biztosított feszültséggel (az egyszerűség kedvéért figyelmen kívül hagyva más alkatrészek sorozatát). Ez minden ágra igaz, és így a párhuzamos alkatrészek feszültsége mindig egyenlő lesz.

Ohm törvénye kiterjeszthető a hatalomra (P), amely az energiaellátás mértéke joule / másodpercben (watt,W), és kiderül, hogy P = IV.

Egy áramköri alkatrész, például egy villanykörte esetében ez azt mutatja, hogy az általa elvezetett (azaz fénnyé változik) teljesítmény a rajta lévő feszültségtől függ, és a magasabb feszültségek nagyobb teljesítményhez vezetnek. Az előző szakasz párhuzamos alkatrészeinek tárgyalásával összhangban több, párhuzamosan elrendezett izzó világít jobban, mint az azonos elrendezett izzók sorozatban, mert a teljes akkumulátorfeszültség párhuzamosan csatlakozva csökken az egyes izzókon, miközben csak egyharmada csökken, ha be vannak kapcsolva sorozat.