מתח: הגדרה, משוואה, יחידות (w / דוגמאות)

דמיין לעצמך מים זורמים במורד במערכת צינורות. האינטואיציה שלך אמורה לומר לך אילו גורמים יגרמו למים לזרום מהר יותר ומה יגרום להם לזרום לאט יותר. ככל שהגבעה גבוהה יותר, כך הזרם יהיה מהיר יותר וככל שיש יותר חסימות בצינור, כך הוא יזרום לאט יותר.

כל זה נובע מאהבדל אנרגיה פוטנציאלי​ ​בין ראש הגבעה לתחתית, מכיוון שלמים יש אנרגיה פוטנציאלית כבידתית בראש הגבעה ואף אחד עד שהם מגיעים לקרקעית.

זו אנלוגיה נהדרת לחשמלמתח. באותו אופן, כאשר קיים הפרש פוטנציאלי חשמלי בין שתי נקודות במעגל חשמלי, זרם חשמלי זורם מחלק אחד של המעגל לאחר.

בדיוק כמו בדוגמת המים, הבדל האנרגיה הפוטנציאלי בין שתי הנקודות (שנוצר על ידי חלוקת המטען החשמלי) הוא שיוצר את הזרימה הנוכחית. כמובן שלפיזיקאים יש הגדרות מדויקות יותר מזו, ומשוואות למידה כמו חוק אוהם מעניקות לך הבנה טובה יותר של המתח.

מתח הוא השם שניתן להפרש אנרגיה פוטנציאלית חשמלית בין שתי נקודות, והוא מוגדר כאנרגיה פוטנציאלית חשמלית לכל מטען יחידה. למרות שפוטנציאל חשמליהוא מונח מדויק יותר, העובדה שיחידת ה- SI של הפוטנציאל החשמלי היא הוולט (V) פירושה שהיא מכונה בדרך כלל מתח, במיוחד כאשר אנשים מדברים על ההבדל הפוטנציאלי בין מסופי הסוללה או חלקים אחרים של מעגל חשמלי.

ניתן לכתוב את ההגדרה באופן מתמטי כ:

איפהוהאם ההבדל הפוטנציאלי,ה​_אל היא האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית (בג'אול) ו-שהוא המטען (בקולומבים). מכאן, אתה אמור להיות מסוגל לראות ש- 1 V = 1 J / C, כלומר וולט אחד מוגדר כג'ול אחד לכל קולומב (כלומר, לכל מטען יחידה). לפעמים תראההמשמש כסמל למתח, מכיוון שמונח נוסף לאותה הכמות הוא "כוח אלקטרומוטורי" (EMF), אך מקורות רבים משתמשיםוכדי להתאים לשימוש היומיומי במונח.

הוולט לוקח את שמו מהפיזיקאי האיטלקי אלסנדרו וולטה, הידוע בעיקר בזכות המצאת הסוללה החשמלית הראשונה (המכונה "ערימה וולטאית").

עם זאת, המשוואה הנ"ל אינה המשוואה הנפוצה ביותר למתח, מכיוון שרוב בכל פעם שאתה נתקל במונח זה יהיה כרוך במעגל חשמלי, ובמשוואה הכי שימושית עבור זהחוק אוהם. זה מתייחס למתח לזרימת הזרם במעגל ולהתנגדות לזרימת הזרם מהחוטים ומרכיבי המעגל, ויש לו את הצורה:

איפהוהוא ההבדל הפוטנציאלי בוולט (V);אניהוא הזרם הנוכחי, עם יחידת אמפר או בקיצור מגבר (A); ורהוא ההתנגדות באום (Ω). במבט חטוף, משוואה זו אומרת לך שעבור אותה התנגדות, מתח גבוה יותר מייצר זרמים גבוהים יותר (מקביל להגדלת גובה ה הגבעה בהקדמה) ובאותו מתח, זרימת הזרם מופחתת להתנגדות גבוהה יותר (אנלוגית לחסימות בצינורות במערכת דוגמא). אם אין הפרש מתח, לא יזרום זרם.

רכיבים שונים במעגל יהיו שוניםירידות מתחעל פניהם, ואתה יכול להשתמש בחוק של אוהם כדי להבין מה הם יהיו. בהתאם לחוק המתח של קירכהוף,סכום המתח יורד סביב כל לולאה במעגל חייב להיות שווה לאפס​.

ניתן למדוד את המתח על פני אלמנט במעגל חשמלי באמצעות מד מתח או מולטימטר, כאשר האחרון מכיל מד מתח אך גם כלים אחרים כמו מד זרם (למדידת זרם). אתה מחבר את מד המתח במקביל על פני האלמנט הנמדד כדי לקבוע את ירידת המתח בין שתי הנקודות - לעולם אל תחבר אותו בסדרה!

מד מתח אנלוגי פועל באמצעות גלוונומטר (מכשיר למדידת זרמים חשמליים קטנים) בסדרה עם נגד בעל אוהם גבוה, כאשר הגלוונומטר מכיל סליל חוט בשדה מגנטי. כאשר זרם זורם דרך החוט, הוא יוצר שדה מגנטי, אשר מתקשר עם הקיים שדה מגנטי כדי לגרום לסליל להסתובב, ואז מזיז את המצביע במכשיר כדי לציין את מתח.

מכיוון שסיבוב הסליל הוא פרופורציונלי לזרם, והזרם בתורו פרופורציונאלי למתח (על פי חוק אוהם), ככל שהסליל מסתובב יותר, כך המתח גדול יותר בין שתי הנקודות. זה מסובך יותר אם אתה מודד זרם חילופין ולא זרם ישר, אך עיצובים שונים מאפשרים גם זאת.

עליכם לחבר מד מתח במקביל מכיוון ששני אלמנטים מעגליים במקביל מתח זהה להם. מד מתח צריך להיות בעל התנגדות גבוהה מכיוון שהדבר מונע ממנו למשוך זרם גדול מדי מהמעגל הראשי ובכך להפריע לתוצאה. בנוסף, מד מתח אינו בנוי לשרטט זרמים גדולים, כך שאם תחבר אחד בסדרה, הוא יכול בקלות לשבור או לפוצץ נתיך.

למידה לעבוד עם פוטנציאל חשמלי כוללת לימוד שימוש בחוק אוהם ולמידה ליישם את חוק המתח של קירכהוף לקביעת נפילות מתח על פני אלמנטים שונים במעגל. הדבר הכי פשוט לעשות זה להחיל את חוק אוהם על מעגל שלם.

אם מעגל מופעל על ידי סוללת 12 וולט ויש לו התנגדות כוללת של 70 אוהם, מה הזרם שעובר במעגל?

כאן, אתה פשוט צריך לארגן מחדש את חוק אוהם כדי ליצור ביטוי לזרם חשמלי. החוק קובע:

כל שעליך לעשות הוא לחלק את שני הצדדים לפירולהפוך כדי להשיג:

הכנסת ערכים נותנת:

אז הזרם הוא 0.1714 A, או 171.4 מיליאמפר (mA).

אבל עכשיו דמיין ש- 70 Ω התנגדות זו מחולקת לשלושה נגדים שונים בסדרה, עם ערכים של 20 Ω, 10 Ω ו- 40 Ω. מהי ירידת המתח על פני כל רכיב?

שוב, אתה יכול להשתמש בחוק אוהם כדי להסתכל על כל רכיב בתורו, תוך ציון הזרם החשמלי הכולל סביב המעגל של 0.1714 A. שימוש ב- V = IR לכל אחד משלושת הנגדים בתורו:

לראשונה:

השני:

והשלישי:

על פי חוק המתח של קירכהוף, שלוש טיפות המתח הללו צריכות להסתכם ב 12 וולט:

זה שווה ל- 12 וולט לשני מקומות עשרוניים, כאשר הפער הקל נובע משגיאות עיגול.

בדיון כיצד למדוד מתח לעיל, צוין כי ירידות מתח על פני רכיבים מקבילים במעגל זהות. זה מוסבר על ידיחוק המתח של קירכהוף, הקובע כי סכום כל המתחים (המתח החיובי ממקור החשמל והמתח יורד מרכיבים) בלולאה סגורה חייב להיות שווה לאפס.​.

למעגל מקביל, עם מספר ענפים, ניתן ליצור לולאה כזו הכוללת כל אחד מהענפים המקבילים והסוללה. ללא קשר לרכיב בכל ענף, המתח יורד על פני כל ענףצריךלכן שווה למתח שמספק הסוללה (תוך התעלמות מהאפשרות של רכיבים אחרים בסדרה, לשם הפשטות). זה נכון לגבי כל הענפים ולכן רכיבים מקבילים תמיד יהיו בעלי טיפות מתח שוות.

ניתן גם להרחיב את חוק אוהם כדי להתייחס לשלטון (פ), שהוא קצב אספקת האנרגיה בג'אול לשנייה (וואט,W), ומתברר ש- P = IV.

עבור רכיב מעגל כמו נורה, זה מראה שההספק שהוא מתפזר (כלומר הופך לאור) תלוי במתח שמעליו, כאשר מתח גבוה יותר מוביל להספק גבוה יותר. בהתאם לדיון על רכיבים מקבילים בסעיף הקודם, מספר נורות המסודרות במקביל זוהרות בהירות מאותן נורות המסודרות בסדרה, מכיוון שמתח הסוללה המלא יורד על פני כל נורה כאשר מחברים אותה במקביל, ואילו רק שליש ממנה נופלים כשהם מחוברים סִדרָה.