Ha még nem ismeri az elektromosság fizikáját, akkor az ilyen kifejezésekfeszültségéserősítőkszinte felcserélhetőnek tűnhet a használatuk módja alapján. De a valóságban nagyon különböző mennyiségek, bár szorosan összekapcsolódnak azzal, hogy hogyan működnek együtt egy elektromos áramkörben, amint azt Ohm törvénye leírja.
Valójában az „amperek” az elektromos áram mérőszámai (amelyek mértéke:amperes), és a feszültség olyan kifejezés, amely elektromos potenciált jelent (volt), de hacsak nem tudta meg a részleteket, érthető, hogy összekeverheti a kettőt egymással.
A különbség megértéséhez - és soha többé nem keveredhetünk össze - csak egy alapismeretre van szükség arra, hogy mit jelentenek és hogyan viszonyulnak az elektromos áramkörhöz.
Mi a feszültség?
A feszültség egy másik kifejezés a két pont közötti elektromos potenciálkülönbségre, és egyszerűen meghatározható, mint az egységnyi töltésre jutó elektromos potenciál energia.
Ahogyan a gravitációs potenciál is az a potenciális energia, amelyet egy tárgy az a-n belüli pozíciója miatt megkap a gravitációs tér, az elektromos potenciál az a potenciális energia, amelyet egy töltött objektum az egy elektromos mező. A feszültség ezt kifejezetten leírja az elektromos töltés egységére vonatkoztatva, és így meg lehet írni:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
HolVa feszültség,Eel az elektromos potenciális energia ésqaz elektromos töltés. Mivel az elektromos potenciális energia egysége a joule (J), az elektromos töltésé pedig a coulomb (C), a feszültség mértékegysége a volt (V), ahol 1 V = 1 J / C, vagy szavakkal, egy volt egyenlő egy joule / coulomb.
Ez azt mondja neked, hogy ha 1 coulomb töltését engedi át 1 V potenciálkülönbségen (azaz feszültségen), akkor nyerjen 1 J energiát, vagy fordítva, egy joule energiára lesz szükség ahhoz, hogy egy töltéscsomót 1 potenciális különbségen keresztül mozgasson V. A feszültségre néha úgy is hivatkoznakelektromos erő(EMF).
Két pont közötti feszültségkülönbség (vagy potenciálkülönbség), például egy elem mindkét oldalán elektromos áramkör, mérhető úgy, hogy egy voltmérőt párhuzamosan csatlakoztatunk a kívánt elemhez ban ben. Ahogy a neve is mutatja, egy voltmérő méri a feszültséget az áramkör két pontja között, de ha egyet használ, akkor csatlakoztatnia kellpárhuzamosana feszültségleolvasás interferenciájának vagy a készülék károsodásának elkerülése érdekében.
Mi az aktuális?
Az elektromos áram, amelyet időnként áramerősségnek neveznek (mivel rendelkezik az amper egységével), az elektromos töltés áramlási sebessége az áramkör egy pontján túl. Az elektromos töltést elektronok, a negatív töltésű részecskék hordozzák, amelyek körülveszik az atom magját, így az áram mennyisége valóban megmondja az elektronok áramlási sebességét. Az elektromos áram egyszerű matematikai meghatározása:
I = \ frac {q} {t}
Holénaz áram (amperben),qaz elektromos töltés (coulombokban) éstaz eltelt idő (másodpercben). Amint ez az egyenlet mutatja, az amper (A) meghatározása 1 A = 1 C / s, vagy 1 coulomb / másodperces elektromos töltés áramlása. Az elektronokat tekintve ez körülbelül 6,2 × 1018 elektronok (körülbelül hatmilliárd milliárd) áramlanak másodpercenként a referenciapont mellett, mindössze 1 A áramáram mellett.
Az áram mérhető elektromos áramkörben egy ampermérő soros csatlakoztatásával - vagyis a a főáram útja - az áramkör azon szakaszával, amelyen meg akarja mérni az áram mennyiségét keresztül.
Vízáramlás: analógia
Ha még mindig megpróbálja megérteni a feszültségkülönbség és az elektromos áram szerepét egy elektromos áramkörön belül a villamos energia és a víz közötti széles körben alkalmazott analógia segít tisztázni dolgokat. Két különböző forgatókönyv használható az elektromos áramkör feszültségének ábrázolására: vagy egy dombon lefutó víztömlő, vagy egy víztartály, amelynek alján egy kimeneti kiöntő van feltöltve.
A vízvezetékhez, amelynek egyik vége a domb tetején, a másik vége pedig alján van, megérzéseinek meg kell felelnie mondd meg, hogy a víz gyorsabban áramlik át rajta, ha a domb magasabb és lassabb, ha a domb alacsonyabb. A víztartály példájára, ha két víztartály lenne töltve különböző szintekre, akkor elvárható a jobban feltöltött tartály gyorsabban engedi ki a vizet a kifolyóból, mint az alacsonyabbra töltött szint.
Akár a domb magasságából (a gravitációs potenciál miatt), akár a potenciálról van szó amelyet a tartályban lévő víznyomás hoz létre, mindkét példa kulcsfontosságú tényt közvetít a feszültségről különbségek. Minél nagyobb a potenciál, annál gyorsabban áramlik a víz (vagyis az áram).
Maga a víz áramlása analóg az elektromos árammal. Ha másodpercenként mértük a cső egyetlen pontján átfolyó vizet, akkor ez olyan, mint az áramlás az áramkörben, kivéve, ha az elektromos töltés helyett a víz elektronok formájában van. Tehát ha minden más egyenlő, akkor egy nagy feszültség nagy áramhoz vezet, és fordítva. A kép utolsó része az ellenállás, amely analóg a falak közötti súrlódással a cső és a víz, vagy a csőbe helyezett fizikai akadály a vizet részben elzárja folyam.
Hasonlóságok és különbségek
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {tömb} {c: c} \ text {Hasonlóságok} & \ text {Különbségek} \\ \ hline \ hline \ text {Mindkettő elektromos áramkörökre vonatkozik} és \ text {Különböző egységek, feszültség az mérve voltban, ahol 1 V = 1 J / C} \\ & \ text {míg az áramot amperben mérjük, ahol 1 A = 1 C / s} \\ \ hline \ text {Mindkettő befolyásolja, hogy mekkora teljesítmény oszlik el egy áramkör elem} & \ text {Az áram egyenlően oszlik el az összes komponensben, ha sorban van} \\ & \ text {míg a feszültségesés az összetevők között eltérhet polaritás (pl. váltakozó} & \ text {A feszültségesés egyenlő az összes} \\ \ text {áramerősség vagy váltakozó feszültség) vagy a közvetlen polaritás} és \ text {párhuzamosan összekapcsolt komponens mellett áram különbözik} \\ \ hline \ text {Ezek közvetlenül arányosak egymással Ohm törvényének megfelelően} & \ text {A feszültség elektromos teret, míg az áram mágneses mező} \\ \ hline & \ text {A feszültség áramot okoz, míg az áram a feszültség hatása} \\ \ hline & \ text {Az áram csak akkor áramlik, ha az áramkör kész, de feszültségkülönbségek marad} \ end {tömb}
Amint a táblázat mutatja, az elektromos áramnak és feszültségnek több különbsége van, mint hasonlósága, de van néhány hasonlóság is. A legnagyobb különbség a kettő között az a tény, hogy teljesen különböző mennyiségeket írnak le, tehát ha megértette az egyes alapjait, nem valószínű, hogy összetévesztené őket egy másik.
A feszültség és az áram kapcsolata
A feszültségkülönbség és az elektromos áram egyenesen arányos egymással Ohm törvényének megfelelően, amely az elektromos áramkörök fizikájának egyik legfontosabb egyenlete. Az egyenlet a feszültséget (vagyis az akkumulátor vagy más áramforrás által létrehozott potenciálkülönbséget) kapcsolja az áramkörben lévő áramra és az áramlás ellenállására, amelyet a áramkör.
Ohm törvénye kimondja:
V = IR
HolVa feszültség,énaz elektromos áram ésRaz ellenállás (ohmban mérve, Ω). Emiatt Ohm törvényét néha feszültség-, áram- és ellenállási egyenletnek nevezik. Ha tud bármely két mennyiséget ebben az egyenletben, akkor átrendezheti az egyenletet a másik megtalálásához mennyiség, ami hasznossá teszi a legtöbb elektronikai probléma megoldásában, amelyekkel a fizikában találkozni fog osztály.
Érdemes megjegyezni, hogy Ohm törvénye nem azmindigérvényes, és mint ilyen, nem a fizika „igazi” törvénye, hanem hasznos közelítés az úgynevezettek számáraohmosanyagok. Az áram és a feszültség közötti implikált lineáris kapcsolat nem áll fenn például az izzószál esetében izzó, ahol a hőmérséklet növekedése az ellenállás növekedését okozza, és ezáltal hatással van a lineárisra kapcsolat. Azonban a legtöbb esetben (és minden bizonnyal a legtöbb fizikai probléma, amelyet feszültséggel és elektromos árammal kapcsolatban fognak feltenni), problémamentesen használható.
Ohm törvénye a hatalomról
Ohm törvényét elsősorban a feszültség áramhoz és ellenálláshoz való viszonyítására használják; van azonban egy törvényi kiterjesztés, amely lehetővé teszi, hogy ugyanazokat a mennyiségeket használja az áramkörben elszórt elektromos teljesítmény kiszámításához, ahol a teljesítményPaz energiaátadás sebessége wattban (ahol 1 W = 1 J / s). Ennek az egyenletnek a legegyszerűbb formája:
P = IV
Tehát szavakkal a teljesítmény megegyezik az áram szorzatával a feszültséggel. Ezért ez egy olyan kulcsfontosságú terület, ahol a feszültségkülönbség és az elektromos áram hasonló: Mindkettő közvetlenül arányos kapcsolatban áll az áramkörben elvezetett energiával. Ha nem ismeri az áramot, használhatja Ohm törvényének újrarendezését (I = V / R) a hatalom kifejezésére:
\ begin {aligned} P & = \ frac {V} {R} × V \\ & = \ frac {V ^ 2} {R} \ end {aligned}
Vagy az Ohm törvényének szokásos formájával kicserélheti a feszültséget, és ezt írja:
P = I ^ 2R
Ezen egyenletek újrarendezésével kifejezheti a feszültséget, az ellenállást vagy az áramot teljesítményben és más mennyiségben is.
Kirchhoff feszültség- és aktuális törvényei
Kirchhoff törvényei az elektromos áramkörök másik legfontosabb törvényei közé tartoznak, és különösen hasznosak, ha több komponensű áramkört elemeznek.
Kirchhoff első törvényét néha aktuális törvénynek nevezik, mert kimondja, hogy a teljes áram csomópontba áramló egyenlő a belőle kifolyó árammal - lényegében ez a töltés az konzervált.
Kirchhoff második törvényét feszültségtörvénynek nevezik, és kimondja, hogy az áramkör bármely zárt hurkja esetén az összes feszültség összegének nullának kell lennie. A feszültségtörvény szerint az akkumulátort pozitív feszültségként kezelik, és az bármely alkatrész feszültségesését negatív feszültségként kezelik.
Ohm törvényével kombinálva ez a két törvény lényegében minden olyan probléma megoldására használható, amellyel valószínűleg elektromos áramkörökkel találkozhat.
Feszültség és áram: Példa számításokra
Képzelje el, hogy van egy áramköre, amely 12 V-os akkumulátort és két ellenállást tartalmaz, sorba kapcsoltan, 30 Ω és 15 Ω ellenállással. Az áramkör teljes ellenállását e két ellenállás összege adja, tehát 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Vegye figyelembe, hogy amikor az ellenállásokat párhuzamosan helyezik el, a kapcsolat kölcsönösséggel jár, de ez nem fontos a feszültségkülönbség és az áram kapcsolatának megértése, ezért ez az egyszerű példa elegendő a jelenre célokra.
Mekkora az áram áramlik az áramkörön? Próbáld magad alkalmazni Ohm törvényét, mielőtt tovább olvasol.
Ohm törvényének következő formája:
I = \ frac {V} {R}
Lehetővé teszi számításokat:
\ begin {aligned} I & = \ frac {12 \ text {V}} {45 \ text {Ω}} \\ & = 0.27 \ text {A} \ end {aligned}
Most, ismerve az áramkörön keresztüli áramot, mekkora a feszültségesés a 15 Ω-os ellenálláson? Ohm törvénye a szokásos formában felhasználható e kérdés megválaszolására. A. Értékeinek beszúrásaén= 0,27 A ésR= 15 Ω:
\ begin {aligned} V & = IR \\ & = 0.27 \ text {A} × 15 \ text {Ω} \\ & = 4.05 \ text {V} \ end {igazított}
Kirchhoff törvényeinek felhasználása szempontjából ez negatív feszültség (azaz feszültségesés) lesz. Utolsó gyakorlatként megmutathatja, hogy a zárt hurok körüli teljes feszültség nulla lesz? Ne feledje, hogy az akkumulátor pozitív feszültséggel rendelkezik, és az összes feszültségesés negatív.