מתח מול זרם: מהם הדמיון והשוני?

אם אתה חדש בפיזיקה של חשמל, מונחים כמומתחומגבריםעשוי להיראות כמעט להחלפה על בסיס אופן השימוש בהם. אך במציאות, מדובר בכמויות שונות מאוד, אם כי הם קשורים קשר הדוק על ידי האופן שבו הם עובדים יחד במעגל חשמלי, כמתואר בחוק אוהם.

באמת, "מגברים" הם מדד לזרם חשמלי (שנמדד באמפרומתח הוא מונח שמשמעותו פוטנציאל חשמלי (נמדד בוולט), אך אלא אם כן למדתם את הפרטים, ניתן להבין שתוכלו להתבלבל בין השניים.

כדי להבין את ההבדל - ולעולם לא לערבב אותם שוב - אתה פשוט צריך פריימר בסיסי למה הם מתכוונים ואיך הם קשורים למעגל חשמלי.

מתח הוא מונח נוסף להפרש הפוטנציאל החשמלי בין שתי נקודות, וניתן להגדיר אותו בפשטות כאנרגיה הפוטנציאלית החשמלית לכל מטען יחידה.

כמו שפוטנציאל הכבידה הוא האנרגיה הפוטנציאלית שיש לאובייקט מכוח מיקומו בתוך a שדה הכבידה, פוטנציאל חשמלי הוא האנרגיה הפוטנציאלית שיש לאובייקט טעון מכוח מיקומו בתוך שדה חשמלי. מתח מתאר זאת באופן ספציפי ליחידת מטען חשמלי, וכך ניתן לכתוב:

איפהוהאם המתח,ה​_אל היא האנרגיה הפוטנציאלית החשמלית ושהוא המטען החשמלי. מכיוון שהיחידה לאנרגיה פוטנציאלית חשמלית היא הג'ול (J) והיחידה למטען חשמלי היא הקולומב (C), יחידת המתח היא המתח (V), כאשר 1 V = 1 J / C, או במילים, וולט אחד שווה לג'ול אחד לכל קולומב.

זה אומר לך שאם תאפשר לטעינה של קולומב 1 לעבור הפרש פוטנציאלי (כלומר מתח) של 1 וולט, להרוויח 1 J אנרגיה, או להיפך, ייקח ג'אול אחד של אנרגיה להזיז קולומב מטען באמצעות הפרש פוטנציאלי של 1 V. לפעמים מכנים גם מתחכוח אלקטרומוטיבי(EMF).

הפרש המתח (או ההפרש הפוטנציאלי) בין שתי נקודות, כגון משני צדי האלמנט בתוך מעגל חשמלי, ניתן למדוד על ידי חיבור מד מתח במקביל לאלמנט שאתה מעוניין ב. כפי שהשם מרמז, מד מתח מודד את המתח בין שתי נקודות במעגל, אך כאשר אתה משתמש באחת, עליו להיות מחוברבמקבילכדי למנוע הפרעות בקריאת המתח או נזק למכשיר.

זרם חשמלי, המכונה לעתים אמפר (מכיוון שיש לו את יחידת האמפר), הוא קצב זרימת המטען החשמלי מעבר לנקודה במעגל. המטען החשמלי נישא על ידי אלקטרונים, החלקיקים הטעונים שלילית המקיפים את גרעין האטום, כך שכמות הזרם באמת אומרת לך את קצב הזרימה של האלקטרונים. הגדרה מתמטית פשוטה של ​​זרם חשמלי היא:

איפהאניהוא הזרם (באמפר),שהוא המטען החשמלי (בקולומבים) וtהוא הזמן שחלף (בשניות). כפי שמראה משוואה זו, ההגדרה של אמפר (A) היא 1 A = 1 C / s, או זרימה של מטען חשמלי של 1 קולומב לשנייה. במונחים של אלקטרונים מדובר על 6.2 × 10¹⁸ אלקטרונים (כשישה מיליארד מיליארד) הזורמים מעבר לנקודת הייחוס לשנייה עבור זרם זרם של 1 A.

ניתן למדוד זרם במעגל חשמלי על ידי חיבור מד זרם בסדרה - כלומר ב נתיב הזרם הראשי - עם קטע המעגל שברצונך למדוד את כמות הזרם דרך.

אם אתה עדיין מתקשה להבין את התפקידים שהפרש המתח ומשחק הזרם החשמלי בתוך מעגל חשמלי, אנלוגיה בשימוש נרחב בין חשמל למים אמורה לעזור לבירור דברים. ניתן להשתמש בשני תרחישים שונים כדי לייצג את המתח במעגל חשמלי: או צינור מים העובר במורד גבעה, או מיכל מים שממולא עם זרבובית פלט בתחתיתו.

עבור צינור המים עם קצה אחד בראש גבעה והקצה השני בתחתית, האינטואיציה שלך צריכה להגיד לך שהמים היו זורמים דרכה מהר יותר אם הגבעה הייתה גבוהה יותר ואיטית אם הגבעה הייתה נמוכה יותר. לדוגמא מיכל מים, אם היו שני מיכלי מים מלאים ברמות שונות, הייתם מצפים מיכל מלא יותר כדי לשחרר מים מהיציאה בקצב מהיר יותר מזה שממלא למטה רָמָה.

בין אם זה הפוטנציאל מגובה הגבעה (בגלל פוטנציאל הכבידה) או הפוטנציאל שנוצר על ידי לחץ המים במיכל, שתי הדוגמאות הללו מעבירות עובדה מרכזית לגבי מתח הבדלים. ככל שהפוטנציאל גדול יותר, כך המים (כלומר, הזרם) יזרמו מהר יותר.

זרימת המים עצמה מקבילה לזרם חשמלי. אם מדדת את המים הזורמים מעבר לנקודה אחת על הצינור בשנייה, זה כמו זרימת הזרם במעגל, למעט עם מים במקום מטען חשמלי בצורת אלקטרונים. אז אם כל השאר שווים, מתח גבוה מוביל לזרם גבוה, ולהיפך. החלק האחרון של התמונה הוא התנגדות, שהיא מקבילה לחיכוך בין קירות הצינור והמים, או מכשול פיזי המונח בצינור שחוסם חלקית את המים זְרִימָה.

כפי שמוצג בטבלה, לזרם ולמתח החשמליים יש הבדלים רבים יותר מכפי שהם עושים דמיון, אך ישנם גם קווי דמיון. ההבדל הגדול ביותר בין השניים הוא העובדה שהם מתארים כמויות שונות לחלוטין, כך ברגע שאתה מבין את היסודות של מה כל אחד מהם, לא סביר שתבלבל אותם עם אחד אַחֵר.

הפרש המתח והזרם החשמלי הם ביחס ישר זה לזה בהתאם לחוק אוהם, אחת המשוואות החשובות בפיזיקה של מעגלים חשמליים. המשוואה מתייחסת למתח (כלומר, ההבדל הפוטנציאלי שנוצר על ידי הסוללה או מקור כוח אחר) לזרם במעגל ולהתנגדות לזרימת הזרם שנוצרת על ידי רכיבי ה- מעגל חשמלי.

החוק של אוהם קובע:

איפהוהאם המתח,אניהוא הזרם החשמלי ורהוא ההתנגדות (נמדדת באום, Ω). מסיבה זו, חוק אוהם מכונה לפעמים משוואת המתח, הזרם וההתנגדות. אם אתה מכיר שתי כמויות במשוואה זו, תוכל לסדר מחדש את המשוואה כדי למצוא את השנייה כמות, מה שהופך אותו ליעיל בפתרון רוב בעיות האלקטרוניקה שתיתקלו בפיזיקה מעמד.

ראוי לציין כי החוק של אוהם אינותמידתקף, וככזה זה לא חוק "אמיתי" של הפיזיקה, אלא קירוב שימושי למה שמכונהאוהםחומרים. הקשר הליניארי שהוא מרמז בין זרם למתח אינו מתקיים לדברים כמו נימה נורה, כאשר עליית הטמפרטורה גורמת לעלייה בהתנגדות ובכך משפיעה על הליניארית מערכת יחסים. עם זאת, ברוב המקרים (ובוודאי שרוב בעיות הפיזיקה תתבקש לערב זרם חשמלי) ניתן להשתמש בו ללא בעיות.

החוק של אוהם משמש בעיקר להתייחס למתח לזרם ולהתנגדות; עם זאת, יש הרחבה של החוק המאפשרת לך להשתמש באותם כמויות לחישוב הכוח החשמלי המופץ במעגל, שבו הכוחפהוא קצב העברת האנרגיה בוואט (כאשר 1 W = 1 J / s). הצורה הפשוטה ביותר של משוואה זו היא:

אז במילים, כוח שווה לזרם כפול מתח. לפיכך, זהו אזור מפתח שבו הפרשי המתח והזרם החשמלי דומים: שניהם חולקים יחס פרופורציונלי ישיר עם הכוח המופץ במעגל. אם אינך יודע את הזרם, אתה יכול להשתמש בסידור מחדש של חוק אוהם (I = V / R) כדי לבטא כוח כ:

או באמצעות הצורה הסטנדרטית של חוק אוהם, אתה יכול להחליף מתח ולכתוב:

על ידי סידור מחדש של משוואות אלה, ניתן גם לבטא מתח, התנגדות או זרם מבחינת הספק וכמות אחרת.

החוקים של קירכהוף הם שניים מהחוקים החשובים האחרים במעגלים חשמליים, והם שימושיים במיוחד כאשר אתה מנתח מעגל עם מספר רכיבים.

החוק הראשון של קירכהוף נקרא לפעמים החוק הנוכחי, מכיוון שהוא קובע שהזרם הכולל הזרימה לצומת שווה לזרם הזורם מתוכה - למעשה המטען הוא מְשׁוּמָר.

החוק השני של קירכהוף נקרא חוק המתח, והוא קובע כי עבור כל לולאה סגורה במעגל, סכום כל המתחים חייב להיות שווה לאפס. על פי חוק המתח, אתה מתייחס לסוללה כאל מתח חיובי ומתייחס לירידות המתח בכל רכיב כאל מתח שלילי.

בשילוב עם החוק של אוהם, ניתן להשתמש בשני חוקים אלה בכדי לפתור למעשה כל בעיה שאתה עלול להיתקל בה במעגלים חשמליים.

תאר לעצמך שיש לך מעגל הכולל סוללה 12 וולט ושני נגדים, מחוברים בסדרה, עם התנגדות של 30 Ω ו- 15 Ω. ההתנגדות הכוללת עבור המעגל ניתנת על ידי סכום שני ההתנגדויות הללו, ולכן 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. שים לב שכאשר הנגדים מסודרים במקביל, הקשר כרוך בהדדיות, אך זה לא חשוב עבור הבנת הקשר בין הפרש מתח לזרם, ולכן דוגמה פשוטה זו תספיק להווה מטרות.

מהו הזרם החשמלי הזורם במעגל? נסה ליישם את חוק אוהם בעצמך לפני שתקרא.

הצורה הבאה של חוק אוהם:

מאפשר לך לחשב:

עכשיו, בידיעת הזרם דרך המעגל, מהי ירידת המתח על פני הנגד 15 Ω? ניתן להשתמש בחוק אוהם בצורה סטנדרטית כדי לענות על שאלה זו. הכנסת הערכים שלאני= 0.27 A ו-ר= 15 Ω נותן:

לצורך השימוש בחוקי קירכהוף, זה יהיה מתח שלילי (כלומר, ירידת מתח). כתרגיל אחרון, האם אתה יכול להראות שהמתח הכולל סביב הלולאה הסגורה יהיה שווה לאפס? זכור כי לסוללה יש מתח חיובי, וכל ירידות המתח שליליות.