Spenning mot strøm: Hva er likhetene og forskjellene?

Hvis du er ny i fysikk av elektrisitet, vil begreper somSpenningogforsterkerekan nesten virke utskiftbare basert på måten de brukes på. Men i virkeligheten er de veldig forskjellige størrelser, selv om de er nært knyttet til hvordan de jobber sammen i en elektrisk krets, som beskrevet av Ohms lov.

Virkelig, "forsterkere" er et mål på elektrisk strøm (som måles iampere), og spenning er et begrep som betyr elektrisk potensial (målt ivolt), men med mindre du har lært detaljene, er det forståelig at du kan få de to forvirret med hverandre.

For å forstå forskjellen - og aldri få dem blandet igjen - trenger du bare en grunnleggende primer på hva de mener og hvordan de forholder seg til en elektrisk krets.

Spenning er et annet begrep for den elektriske potensialforskjellen mellom to punkter, og den kan enkelt defineres som den elektriske potensielle energien per enhetsladning.

Akkurat som gravitasjonspotensial er den potensielle energien et objekt har i kraft av sin posisjon i a gravitasjonsfelt, elektrisk potensial er den potensielle energien et ladet objekt har i kraft av sin posisjon i et elektrisk felt. Spenning beskriver spesifikt dette per enhet elektrisk ladning, og slik kan det skrives:

HvorVer spenningen,E​_el er den elektriske potensielle energien ogqer den elektriske ladningen. Siden enheten for elektrisk potensiell energi er joule (J) og enheten for elektrisk ladning er coulomb (C), er spenningsenheten volt (V), hvor 1 V = 1 J / C, eller i ord, en volt er lik en joule pr. coulomb.

Dette forteller deg at hvis du lar en ladning på 1 coulomb passere gjennom en potensiell forskjell (dvs. en spenning) på 1 V, vil den få 1 J energi, eller omvendt vil det ta en joule energi å flytte en ladekulom gjennom en potensiell forskjell på 1 V. Spenning blir også noen ganger referert til somelektromotorisk kraft(EMF).

Spenningsforskjellen (eller potensialforskjellen) mellom to punkter, for eksempel på hver side av et element i en elektrisk krets, kan måles ved å koble et voltmeter parallelt med elementet du er interessert i i. Som navnet antyder, måler et voltmeter spenningen mellom to punkter på kretsen, men når du bruker en, må den være koblet tilparalleltfor å unngå forstyrrelser i spenningsavlesningen eller skade på enheten.

Elektrisk strøm, som noen ganger blir referert til som strømstyrke (siden den har ampereenheten), er strømningshastigheten for elektrisk ladning forbi et punkt i en krets. Den elektriske ladningen bæres av elektroner, de negativt ladede partiklene som omgir kjernen til et atom, så strømmen forteller deg virkelig strømmen av elektroner. En enkel matematisk definisjon av elektrisk strøm er:

HvorJeger strømmen (i ampere),qer den elektriske ladningen (i coulombs) ogter tiden som har gått (i sekunder). Som denne ligningen viser, er definisjonen av en ampere (A) 1 A = 1 C / s, eller en strøm av en elektrisk ladning på 1 coulomb per sekund. Når det gjelder elektroner, handler dette om 6,2 × 10¹⁸ elektroner (omtrent seks milliarder milliarder) som flyter forbi referansepunktet per sekund for en strøm på bare 1 A.

Strøm kan måles i en elektrisk krets ved å koble et amperemeter i serie - som betyr i bane til hovedstrømmen - med delen av kretsen du vil måle strømmen gjennom.

Hvis du fortsatt sliter med å forstå rollene, spiller spenningsforskjellen og elektrisk strøm innenfor en elektrisk krets, bør en mye brukt analogi mellom elektrisitet og vann bidra til å avklare tingene. To forskjellige scenarier kan brukes til å representere spenningen i en elektrisk krets: enten et vannrør som går nedover en høyde, eller en vanntank fylt med en utløpstut nederst.

For vannrøret med den ene enden på toppen av en høyde og den andre enden nederst, bør intuisjonen din fortell deg at vann ville strømme raskere gjennom den hvis bakken var høyere og langsommere hvis den var lavere. For eksempel på vanntanken, hvis det var to vanntanker fylt til forskjellige nivåer, ville du forvente den mer fylte tanken for å frigjøre vann fra utløpet med en raskere hastighet enn den som er fylt til en lavere nivå.

Enten det er potensialet fra høyden av bakken (på grunn av gravitasjonspotensialet) eller potensialet skapt av vanntrykket i tanken, gir begge disse eksemplene et viktig faktum om spenning forskjeller. Jo større potensial, desto raskere vil vannet (dvs. strømmen) strømme.

Selve vannstrømmen er analog med elektrisk strøm. Hvis du målte vannet som strømmer forbi et enkelt punkt på røret per sekund, er dette som strømmen i en krets, bortsett fra med vann i stedet for elektrisk ladning i form av elektroner. Så hvis alt annet er likt, fører en høyspenning til høy strøm, og omvendt. Den siste delen av bildet er motstand, som er analog med friksjonen mellom veggene i røret og vannet, eller en fysisk hindring plassert i røret som delvis blokkerer vannet strømme.

Som tabellen viser, har elektrisk strøm og spenning flere forskjeller enn de gjør likheter, men det er også noen likheter. Den største forskjellen mellom de to er det faktum at de beskriver forskjellige mengder helt, så Når du først har forstått det grunnleggende om hva hver enkelt er, vil du neppe forveksle dem med ett en annen.

Spenningsforskjell og elektrisk strøm er direkte proporsjonal med hverandre i tråd med Ohms lov, en av de viktigste ligningene i fysikk av elektriske kretser. Ligningen relaterer spenningen (dvs. potensialforskjellen som oppstår av batteriet eller en annen strømkilde) til strømmen i kretsen og motstanden mot strømmen skapt av komponentene i krets.

Ohms lov sier:

HvorVer spenningen,Jeger den elektriske strømmen ogRer motstanden (målt i ohm, Ω). Av denne grunn blir Ohms lov noen ganger referert til som spenning, strøm og motstandsligning. Hvis du kjenner til to størrelser i denne ligningen, kan du ordne ligningen på nytt for å finne den andre mengde, noe som gjør det nyttig for å løse de fleste elektronikkproblemer du vil støte på i fysikk klasse.

Det er verdt å merke seg at Ohms lov ikke er detalltidgyldig, og som sådan er det ikke en “sann” fysikklov, men en nyttig tilnærming for det som kallesohmiskmaterialer. Det lineære forholdet det innebærer mellom strøm og spenning holder ikke for ting som en filament pære, hvor økningen i temperatur forårsaker en økning i motstand og dermed påvirker den lineære forhold. Imidlertid kan det i de fleste tilfeller (og absolutt de fleste fysikkproblemer du blir spurt om spenning og elektrisk strøm) brukes uten problemer.

Ohms lov brukes primært for å relatere spenning til strøm og motstand; Det er imidlertid en utvidelse av loven som lar deg bruke de samme mengdene for å beregne den elektriske kraften som er spredt i en krets, der strømmenPer hastigheten på energioverføring i watt (hvor 1 W = 1 J / s). Den enkleste formen for denne ligningen er:

Så med ord er kraft lik strøm multiplisert med spenning. Derfor er dette et nøkkelområde der spenningsforskjell og elektrisk strøm er like: De deler begge et direkte proporsjonalt forhold til kraften som er spredt i en krets. Hvis du ikke kjenner strømmen, kan du bruke en omordning av Ohms lov (I = V / R) for å uttrykke makt som:

Eller ved å bruke standardformen til Ohms lov, kan du erstatte spenning og skrive:

Ved å omorganisere disse ligningene kan du også uttrykke spenning, motstand eller strøm når det gjelder kraft og en annen mengde.

Kirchhoffs lover er to av de andre viktigste lovene for elektriske kretser, og de er spesielt nyttige når du analyserer en krets med flere komponenter.

Kirchhoffs første lov kalles noen ganger gjeldende lov, fordi den sier at den totale strømmen strømmer inn i et veikryss er lik strømmen som strømmer ut av det - egentlig er ladningen bevart.

Kirchhoffs andre lov kalles spenningsloven, og den sier at for enhver lukket sløyfe i en krets, må summen av alle spenningene være lik null. I henhold til spenningsloven behandler du batteriet som en positiv spenning og behandler spenningsfallet over en hvilken som helst komponent som en negativ spenning.

I kombinasjon med Ohms lov kan disse to lovene brukes til å løse i hovedsak ethvert problem du sannsynligvis vil støte på med elektriske kretser.

Tenk deg at du har en krets som involverer et 12-V batteri og to motstander, seriekoblet, med motstander på 30 Ω og 15 Ω. Den totale motstanden for kretsen er gitt av summen av disse to motstandene, så 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Merk at når motstander er ordnet parallelt, involverer forholdet gjensidige, men dette er ikke viktig for forstå forholdet mellom spenningsforskjell og strøm, så dette enkle eksemplet vil være tilstrekkelig for tiden formål.

Hva er den elektriske strømmen som strømmer gjennom kretsen? Prøv å bruke Ohms lov selv før du leser videre.

Følgende form for Ohms lov:

Lar deg beregne:

Nå som vi vet strømmen gjennom kretsen, hva er spenningsfallet over 15-Ω motstanden? Ohms lov i standardform kan brukes til å løse dette spørsmålet. Sette inn verdiene tilJeg= 0,27 A ogR= 15 Ω gir:

For å bruke Kirchhoffs lover vil dette være en negativ spenning (dvs. et spenningsfall). Som en siste øvelse, kan du vise at den totale spenningen rundt den lukkede sløyfen vil være lik null? Husk at batteriet har en positiv spenning, og alle spenningsfall er negative.