Spanning versus stroom: wat zijn de overeenkomsten en verschillen?

Als de fysica van elektriciteit nieuw voor je is, kun je termen als:Spanningenversterkerslijkt misschien bijna uitwisselbaar op basis van de manier waarop ze worden gebruikt. Maar in werkelijkheid zijn het heel verschillende grootheden, hoewel ze nauw met elkaar verbonden zijn door hoe ze samenwerken in een elektrisch circuit, zoals beschreven door de wet van Ohm.

Echt, "ampère" is een maat voor elektrische stroom (die wordt gemeten inampère), en spanning is een term die elektrische potentiaal betekent (gemeten involt), maar tenzij je de details hebt geleerd, is het begrijpelijk dat je de twee met elkaar kunt verwarren.

Om het verschil te begrijpen - en ze nooit meer door elkaar te halen - heb je alleen een basisinleiding nodig over wat ze betekenen en hoe ze zich verhouden tot een elektrisch circuit.

Spanning is een andere term voor het elektrische potentiaalverschil tussen twee punten, en het kan eenvoudig worden gedefinieerd als de elektrische potentiële energie per eenheid lading.

Net zoals zwaartekracht de potentiële energie is die een object heeft op grond van zijn positie binnen a zwaartekrachtveld, elektrisch potentieel is de potentiële energie die een geladen object heeft vanwege zijn positie in een elektrisch veld. Spanning beschrijft dit specifiek per eenheid elektrische lading, en dus kan het worden geschreven:

WaarVis de spanning,E​_el is de elektrische potentiële energie enqis de elektrische lading. Aangezien de eenheid voor elektrische potentiële energie de joule (J) is en de eenheid voor elektrische lading de coulomb (C), de eenheid van spanning is de volt (V), waarbij 1 V = 1 J/C, of ​​in woorden, één volt is gelijk aan één joule per coulomb.

Dit vertelt je dat als je een lading van 1 coulomb door een potentiaalverschil (d.w.z. een spanning) van 1 V laat gaan, het 1 J energie winnen, of omgekeerd, er is één joule energie nodig om een ​​coulomb lading door een potentiaalverschil van 1 te verplaatsen V. Spanning wordt ook wel aangeduid als:elektromotorische kracht(EMV).

Het spanningsverschil (of potentiaalverschil) tussen twee punten, zoals aan weerszijden van een element in een elektrisch circuit, kan worden gemeten door een voltmeter parallel aan te sluiten op het element dat u interesseert in. Zoals de naam al doet vermoeden, meet een voltmeter de spanning tussen twee punten op het circuit, maar als je er een gebruikt, moet deze worden aangeslotenparallelom interferentie met de spanningsaflezing of schade aan het apparaat te voorkomen.

Elektrische stroom, die soms de stroomsterkte wordt genoemd (omdat deze de eenheid van de ampère heeft), is de stroomsnelheid van elektrische lading langs een punt in een circuit. De elektrische lading wordt gedragen door elektronen, de negatief geladen deeltjes die de kern van een atoom omringen, dus de hoeveelheid stroom vertelt je echt de stroomsnelheid van elektronen. Een eenvoudige wiskundige definitie van elektrische stroom is:

Waarikis de stroom (in ampère),qis de elektrische lading (in coulombs) entis de verstreken tijd (in seconden). Zoals deze vergelijking laat zien, is de definitie van een ampère (A) 1 A = 1 C/s, of een stroom van een elektrische lading van 1 coulomb per seconde. In termen van elektronen is dit ongeveer 6,2 × 10¹⁸ elektronen (ongeveer zes miljard miljard) die per seconde langs het referentiepunt stromen voor een stroom van slechts 1 A.

Stroom kan worden gemeten in een elektrisch circuit door een ampèremeter in serie aan te sluiten - dat wil zeggen in de pad van de hoofdstroom - met het gedeelte van het circuit dat u de hoeveelheid stroom wilt meten door.

Als je nog steeds moeite hebt om de rollen te begrijpen die het spanningsverschil en de elektrische stroom spelen binnen een elektrisch circuit zou een veelgebruikte analogie tussen elektriciteit en water moeten helpen om te verduidelijken: dingen. Er kunnen twee verschillende scenario's worden gebruikt om de spanning in een elektrisch circuit weer te geven: ofwel een waterleiding die langs een heuvel loopt, of een watertank die is gevuld met een uitloop onderaan.

Voor de waterpijp met het ene uiteinde bovenaan een heuvel en het andere uiteinde onderaan, zou je intuïtie moeten: je vertellen dat het water er sneller doorheen zou stromen als de heuvel hoger was en langzamer als de heuvel lager was. Voor het watertankvoorbeeld, als er twee watertanks waren die tot verschillende niveaus gevuld waren, zou je verwachten: de meer gevulde tank om het water sneller uit de uitlaat te laten lopen dan de tank die tot een lager is gevuld niveau.

Of het nu gaat om het potentieel van de hoogte van de heuvel (vanwege het zwaartekrachtpotentieel) of het potentieel gecreëerd door de waterdruk in de tank, geven beide voorbeelden een belangrijk feit over spanning weer: verschillen. Hoe groter het potentieel, hoe sneller het water (d.w.z. de stroom) zal stromen.

De stroom van water zelf is analoog aan elektrische stroom. Als je het water hebt gemeten dat per seconde langs een enkel punt op de pijp stroomt, is dit als de stroom in een circuit, behalve met water in plaats van elektrische lading in de vorm van elektronen. Dus als al het andere gelijk is, leidt een hoge spanning tot een hoge stroom en omgekeerd. Het laatste deel van het beeld is weerstand, wat analoog is aan de wrijving tussen de muren van de leiding en het water, of een fysieke obstructie in de leiding die het water gedeeltelijk blokkeert; stromen.

Zoals de tabel laat zien, hebben elektrische stroom en spanning meer verschillen dan overeenkomsten, maar er zijn ook enkele overeenkomsten. Het grootste verschil tussen de twee is het feit dat ze verschillende hoeveelheden volledig beschrijven, dus als je eenmaal de basis begrijpt van wat elk is, is het onwaarschijnlijk dat je ze met één zult verwarren een ander.

Spanningsverschil en elektrische stroom zijn recht evenredig met elkaar in overeenstemming met de wet van Ohm, een van de belangrijkste vergelijkingen in de fysica van elektrische circuits. De vergelijking heeft betrekking op de spanning (d.w.z. het potentiaalverschil gecreëerd door de batterij of een andere stroombron) tot de stroom in het circuit en de weerstand tegen de stroom die wordt gecreëerd door de componenten van de circuit.

De wet van Ohm zegt:

WaarVis de spanning,ikis de elektrische stroom enRis de weerstand (gemeten in ohm, Ω). Om deze reden wordt de wet van Ohm soms de spannings-, stroom- en weerstandsvergelijking genoemd. Als je twee grootheden in deze vergelijking weet, kun je de vergelijking herschikken om de andere te vinden hoeveelheid, waardoor het nuttig is bij het oplossen van de meeste elektronicaproblemen die je in de natuurkunde tegenkomt klasse.

Het is vermeldenswaard dat de wet van Ohm dat niet isaltijdgeldig, en als zodanig is het geen "echte" wet van de natuurkunde, maar een bruikbare benadering voor wat wordt genoemdohmsmaterialen. De lineaire relatie die het impliceert tussen stroom en spanning geldt niet voor dingen zoals een gloeidraad lamp, waarbij de temperatuurstijging een toename van de weerstand veroorzaakt en dus invloed heeft op de lineaire relatie. In de meeste gevallen (en zeker de meeste natuurkundige problemen die u zult krijgen met betrekking tot spanning en elektrische stroom) kan het echter zonder problemen worden gebruikt.

De wet van Ohm wordt voornamelijk gebruikt om spanning te relateren aan stroom en weerstand; er is echter een uitbreiding van de wet waardoor u dezelfde grootheden kunt gebruiken om het elektrische vermogen te berekenen dat wordt gedissipeerd in een circuit, waar vermogenPis de snelheid van energieoverdracht in watt (waarbij 1 W = 1 J/s). De eenvoudigste vorm van deze vergelijking is:

Dus in woorden, vermogen is gelijk aan stroom vermenigvuldigd met spanning. Daarom is dit een belangrijk gebied waarin spanningsverschil en elektrische stroom vergelijkbaar zijn: ze hebben allebei een direct evenredige relatie met het vermogen dat in een circuit wordt gedissipeerd. Als je de stroom niet kent, kun je een herschikking van de wet van Ohm (I = V / R) gebruiken om macht uit te drukken als:

Of door de standaardvorm van de wet van Ohm te gebruiken, kunt u de spanning vervangen en schrijven:

Door deze vergelijkingen opnieuw te rangschikken, kunt u ook spanning, weerstand of stroom uitdrukken in termen van vermogen en een andere hoeveelheid.

De wetten van Kirchhoff zijn twee van de andere belangrijkste wetten voor elektrische circuits, en ze zijn vooral handig wanneer u een circuit met meerdere componenten analyseert.

De eerste wet van Kirchhoff wordt soms de huidige wet genoemd, omdat deze stelt dat de totale stroom in een junctie stromen is gelijk aan de stroom die eruit stroomt - in wezen is die lading geconserveerd.

De tweede wet van Kirchhoff wordt de spanningswet genoemd en stelt dat voor elke gesloten lus in een circuit de som van alle spanningen gelijk moet zijn aan nul. Voor de spanningswet behandelt u de batterij als een positieve spanning en behandelt u de spanningsdalingen over elk onderdeel als een negatieve spanning.

In combinatie met de wet van Ohm kunnen deze twee wetten worden gebruikt om in wezen elk probleem op te lossen dat u waarschijnlijk tegenkomt met betrekking tot elektrische circuits.

Stel je voor dat je een circuit hebt met een 12V-batterij en twee weerstanden, in serie geschakeld, met weerstanden van 30 en 15 Ω. De totale weerstand voor het circuit wordt gegeven door de som van deze twee weerstanden, dus 30 + 15 Ω = 45. Merk op dat wanneer weerstanden parallel worden gerangschikt, de relatie wederkerige relaties omvat, maar dit is niet belangrijk voor de relatie tussen spanningsverschil en stroom begrijpen, dus dit eenvoudige voorbeeld is voldoende voor het heden doeleinden.

Wat is de elektrische stroom die door het circuit vloeit? Probeer de wet van Ohm zelf toe te passen voordat je verder leest.

De volgende vorm van de wet van Ohm:

Hiermee kunt u berekenen:

Nu we de stroom door het circuit kennen, wat is dan de spanningsval over de weerstand van 15? De wet van Ohm in de standaardvorm kan worden gebruikt om deze vraag te beantwoorden. De waarden van. invoegenik= 0,27 A enR= 15 Ω geeft:

Voor het gebruik van de wetten van Kirchhoff is dit een negatieve spanning (d.w.z. een spanningsval). Kun je als laatste oefening aantonen dat de totale spanning rond de gesloten lus gelijk zal zijn aan nul? Onthoud dat de batterij een positieve spanning heeft en dat alle spanningsdalingen negatief zijn.