Spriegums pret strāvu: kādas ir līdzības un atšķirības?

Ja elektrības fizikā jūs esat jauns, piemēram,spriegumsunampērivar gandrīz šķist savstarpēji aizstājami, ņemot vērā to izmantošanas veidu. Bet patiesībā tie ir ļoti atšķirīgi lielumi, lai gan tie ir cieši saistīti ar to, kā viņi strādā kopā elektriskajā ķēdē, kā aprakstīts Omas likumā.

Patiešām, "ampēri" ir elektriskās strāvas mērs (ko mēraampēri), un spriegums ir termins, kas nozīmē elektrisko potenciālu (mērītsvolti), bet, ja vien neesat uzzinājis sīkāku informāciju, ir saprotams, ka jūs varētu sajaukt abus savā starpā.

Lai saprastu atšķirību - un nekad vairs nesajauciet tās -, jums vienkārši ir nepieciešams pamatsākums par to, ko viņi domā un kā tie ir saistīti ar elektrisko ķēdi.

Spriegums ir vēl viens termins elektriskā potenciāla starpībai starp diviem punktiem, un to var vienkārši definēt kā elektriskā potenciāla enerģiju uz lādiņa vienību.

Tāpat kā gravitācijas potenciāls ir potenciālā enerģija, kāda objektam ir, pateicoties savam stāvoklim a gravitācijas lauks, elektriskais potenciāls ir potenciālā enerģija, kas uzlādētam objektam ir, pateicoties tā atrašanās vietai elektriskais lauks. Spriegums to īpaši raksturo uz elektriskās lādiņa vienību, un tāpēc to var rakstīt:

KurVir spriegums,E​_el ir elektriskā potenciāla enerģija unqir elektriskā lādiņa. Tā kā elektriskās potenciālās enerģijas vienība ir džouls (J) un elektriskās lādiņa vienība ir kulons (C), sprieguma mērvienība ir volts (V), kur 1 V = 1 J / C vai vārdiem sakot, viens volts ir vienāds ar vienu džoulu vienā kulons.

Tas jums saka, ka, ja jūs ļausiet 1 kulona lādiņam iziet cauri potenciālu starpībai (t.i., spriegumam) 1 V, tas iegūt 1 J enerģijas, vai otrādi, būs nepieciešams viens džouls enerģijas, lai pārvietotu uzlādes kulonu, izmantojot potenciālu 1 V. Dažreiz spriegumu sauc arī parelektromotors(EML).

Sprieguma starpība (vai potenciālu starpība) starp diviem punktiem, piemēram, elementa abās pusēs elektrisko ķēdi, var izmērīt, savienojot voltmetru paralēli ar jūs interesējošo elementu iekšā. Kā norāda nosaukums, voltmetrs mēra spriegumu starp diviem ķēdes punktiem, bet, kad jūs to izmantojat, tam jābūt savienotamparalēlilai izvairītos no sprieguma nolasīšanas traucējumiem vai ierīces sabojāšanas.

Elektriskā strāva, ko dažreiz sauc par strāvas stiprumu (jo tai ir ampēra vienība), ir elektriskā lādiņa plūsmas ātrums gar ķēdes punktu. Elektrisko lādiņu nes elektroni, negatīvi lādētas daļiņas, kas ieskauj atoma kodolu, tāpēc strāvas daudzums patiešām norāda elektronu plūsmas ātrumu. Vienkārša matemātiska elektriskās strāvas definīcija ir:

KurEsir strāva (ampēros),qir elektriskā lādiņa (kulonos) untir pagājis laiks (sekundēs). Kā parāda šis vienādojums, ampēra (A) definīcija ir 1 A = 1 C / s vai elektriskā lādiņa plūsma 1 kulona sekundē. Runājot par elektroniem, tas ir aptuveni 6,2 × 10¹⁸ elektroni (apmēram seši miljardi miljardu), kas plūst garām atskaites punktam sekundē, strāvas plūsmai tikai 1 A.

Strāvu var izmērīt elektriskajā ķēdē, sērijveidā savienojot ampermetru - tas nozīmē galvenās strāvas ceļš - ar ķēdes sadaļu, kurā vēlaties izmērīt strāvas daudzumu cauri.

Ja jūs joprojām cenšaties saprast sprieguma starpības un elektriskās strāvas lomu elektriskās ķēdes ietvaros jāpalīdz precizēt plaši izmantotai elektrības un ūdens līdzībai lietas. Sprieguma atspoguļošanai elektriskajā ķēdē var izmantot divus dažādus scenārijus: vai nu ūdens caurule, kas iet pa kalnu, vai ūdens tvertne, kas piepildīta ar izejas snīpi apakšā.

Ūdens caurulei, kuras viens gals atrodas kalna galā, bet otrs - apakšā, vajadzētu būt jūsu intuīcijai saku, ka ūdens caur to plūst ātrāk, ja kalns ir augstāks un lēnāks, ja kalns ir zemāks. Piemēram, ja ūdens tvertnes būtu divas ūdens tvertnes, kas piepildītas dažādos līmeņos, jūs varētu sagaidīt vairāk piepildīta tvertne, lai izvadītu ūdeni no izejas ātrāk nekā tā, kas piepildīta līdz zemākai līmenī.

Vai tas būtu potenciāls no kalna augstuma (gravitācijas potenciāla dēļ) vai potenciāls ko rada ūdens spiediens tvertnē, abi šie piemēri norāda galveno faktu par spriegumu atšķirības. Jo lielāks potenciāls, jo ātrāk ūdens (t.i., strāva) plūdīs.

Pati ūdens plūsma ir analoga elektriskajai strāvai. Ja jūs sekundē mērījāt ūdeni, kas plūst garām vienam caurules punktam, tas ir tāpat kā strāvas plūsma ķēdē, izņemot to, ka elektrisko lādiņu vietā elektronu veidā ir ūdens. Tātad, ja viss pārējais ir vienāds, augstspriegums noved pie lielas strāvas un otrādi. Attēla pēdējā daļa ir pretestība, kas ir analoga berzei starp sienas sienām caurule un ūdens vai caurulē ievietoti fiziski šķēršļi, kas daļēji bloķē ūdeni plūsma.

Kā redzams tabulā, elektriskajai strāvai un spriegumam ir vairāk atšķirību nekā līdzības, taču ir arī dažas līdzības. Lielākā atšķirība starp abiem ir fakts, ka tie pilnībā apraksta dažādus daudzumus, tāpēc kad esat sapratis katra no tiem pamatus, maz ticams, ka tos sajauksit ar vienu cits.

Sprieguma starpība un elektriskā strāva ir tieši proporcionālas viena otrai saskaņā ar Oma likumu, kas ir viens no vissvarīgākajiem vienādojumiem elektrisko ķēžu fizikā. Vienādojums attiecas uz spriegumu (t.i., akumulatora vai cita enerģijas avota radīto potenciālo starpību) pret strāvu ķēdē un pretestību strāvas plūsmai, ko rada ķēde.

Ohma likums nosaka:

KurVir spriegums,Esir elektriskā strāva unRir pretestība (mērot omos, Ω). Šī iemesla dēļ Ohma likumu dažreiz sauc par sprieguma, strāvas un pretestības vienādojumu. Ja jūs zināt kādus divus lielumus šajā vienādojumā, varat pārkārtot vienādojumu, lai atrastu otru daudzums, kas padara to noderīgu, lai atrisinātu lielāko daļu elektronikas problēmu, ar kurām jūs sastopaties fizikā klasē.

Ir vērts atzīmēt, ka Ohma likums navvienmērderīgs, un kā tāds tas nav “patiess” fizikas likums, bet noderīgs tuvinājums tam, ko saucomisksmateriāliem. Lineārā sakarība, ko tā nozīmē starp strāvu un spriegumu, neattiecas uz tādām lietām kā kvēldiegu spuldze, kur temperatūras paaugstināšanās izraisa pretestības pieaugumu un tādējādi ietekmē lineāro attiecības. Tomēr lielākajā daļā gadījumu (un, protams, lielāko daļu fizisko problēmu, kas jums tiks uzdotas saistībā ar spriegumu un elektrisko strāvu), to var izmantot bez problēmām.

Ohma likumu galvenokārt izmanto, lai sasaistītu spriegumu ar strāvu un pretestību; tomēr ir likuma paplašinājums, kas ļauj izmantot tos pašus daudzumus, lai aprēķinātu izkliedēto elektrisko jaudu ķēdē, kur jaudaPir enerģijas pārneses ātrums vatos (kur 1 W = 1 J / s). Šī vienādojuma vienkāršākā forma ir:

Tātad vārdos jauda ir vienāda ar strāvu, kas reizināta ar spriegumu. Tādējādi šī ir galvenā joma, kurā sprieguma starpība un elektriskā strāva ir līdzīgas: Viņiem abiem ir tieši proporcionālas attiecības ar ķēdē izkliedēto jaudu. Ja nezināt pašreizējo, varat izmantot Oma likuma pārkārtojumu (I = V / R), lai izteiktu spēku kā:

Vai arī, izmantojot Omas likuma standarta formu, jūs varat nomainīt spriegumu un rakstīt:

Pārkārtojot šos vienādojumus, jūs varat arī izteikt spriegumu, pretestību vai strāvu jaudas un cita daudzuma izteiksmē.

Kirhofa likumi ir divi citi svarīgākie elektrisko ķēžu likumi, un tie ir īpaši noderīgi, ja analizējat ķēdi ar vairākiem komponentiem.

Pirmo Kirhofa likumu dažkārt sauc par pašreizējo likumu, jo tajā teikts, ka kopējā strāva ieplūst krustojumā ir vienāds ar strāvu, kas izplūst no tā - būtībā šī lādiņa ir konservēti.

Otro Kirhofa likumu sauc par sprieguma likumu, un tajā teikts, ka jebkurai slēgtai kontūrai ķēdē visu spriegumu summai jābūt vienādai ar nulli. Saskaņā ar sprieguma likumu jūs uzskatāt akumulatoru par pozitīvu spriegumu un sprieguma kritumu pār jebkuru komponentu kā negatīvu.

Kombinācijā ar Ohma likumu šos divus likumus var izmantot, lai būtībā atrisinātu visas problēmas, ar kurām jūs, iespējams, sastopaties, iesaistot elektriskās ķēdes.

Iedomājieties, ka jums ir ķēde, kurā ir 12 V akumulators un divi rezistori, kas savienoti virknē un kuru pretestība ir 30 Ω un 15 Ω. Kopējo pretestību ķēdei izsaka šo divu pretestību summa, tātad 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Ņemiet vērā, ka tad, kad rezistori ir izvietoti paralēli, attiecībās ir iesaistīti abpusēji, taču tas nav svarīgi izprast saistību starp sprieguma starpību un strāvu, tāpēc pašreizējam pietiek ar šo vienkāršo piemēru mērķiem.

Kāda ir elektriskā strāva, kas plūst caur ķēdi? Pirms lasāt, mēģiniet pats piemērot Ohma likumu.

Šāda Omas likuma forma:

Ļauj aprēķināt:

Tagad, zinot strāvu caur ķēdi, kāds ir sprieguma kritums 15-Ω rezistorā? Šī jautājuma risināšanai var izmantot Omas likumu standarta formā. Ievietojot vērtībasEs= 0,27 A unR= 15 Ω dod:

Kirhofa likumu izmantošanas nolūkos tas būs negatīvs spriegums (t.i., sprieguma kritums). Vai kā pēdējo vingrinājumu varat parādīt, ka kopējais spriegums ap slēgto loku būs vienāds ar nulli? Atcerieties, ka akumulatoram ir pozitīvs spriegums, un visi sprieguma kritumi ir negatīvi.