Wyobraź sobie wodę spływającą w dół przez system rur. Twoja intuicja powinna ci powiedzieć, jakie czynniki sprawią, że woda będzie płynąć szybciej, a co spowolni. Im wyższe wzniesienie, tym szybszy będzie prąd, a im więcej przeszkód w rurze, tym wolniej będzie płynął.
To wszystko z powodupotencjalna różnica energii między szczytem wzgórza a dołem, ponieważ woda ma potencjalną energię grawitacyjną na szczycie wzgórza i żadnej, zanim dotrze do dna.
To świetna analogia do elektrycznegoNapięcie. W ten sam sposób, gdy między dwoma punktami obwodu elektrycznego występuje różnica potencjałów elektrycznych, prąd elektryczny przepływa z jednej części obwodu do drugiej.
Podobnie jak w przykładzie z wodą, różnica energii potencjalnej między dwoma punktami (utworzona przez rozkład ładunku elektrycznego) jest tym, co tworzy przepływ prądu. Oczywiście fizycy mają dokładniejsze definicje, a uczenie się równań, takich jak prawo Ohma, pozwala lepiej zrozumieć napięcie.
Definicja napięcia
Napięcie to nazwa nadana elektrycznej różnicy energii potencjalnej między dwoma punktami i jest zdefiniowana jako elektryczna energia potencjalna na jednostkę ładunku. Mimo że
potencjał elektrycznyjest terminem dokładniejszym, fakt, że jednostką potencjału elektrycznego w układzie SI jest wolt (V) oznacza, że jest on powszechnie określany jako napięcie, szczególnie gdy ludzie mówią o różnicy potencjałów między zaciskami akumulatora lub innych części a obwód.Definicję można zapisać matematycznie jako:
V = \frac{E_{el}}{q}
GdzieVjest potencjalna różnica,miel jest elektryczną energią potencjalną (w dżulach) iqjest ładunkiem (w kulombach). Z tego powinieneś być w stanie zobaczyć, że 1 V = 1 J/C, co oznacza, że jeden wolt jest zdefiniowany jako jeden dżul na kulomb (tj. na jednostkę ładunku). Czasami zobaczyszmiużywany jako symbol napięcia, ponieważ innym terminem dla tej samej wielkości jest „siła elektromotoryczna” (EMF), ale wiele źródeł używaVaby dopasować się do codziennego użycia tego terminu.
Volta wzięła swoją nazwę od włoskiego fizyka Alessandro Volta, który jest najbardziej znany z wynalezienia pierwszej baterii elektrycznej (zwanej „palem woltaicznym”).
Równanie dla napięcia
Jednak powyższe równanie nie jest najczęściej używanym równaniem na napięcie, ponieważ większość kiedy napotkasz ten termin, będzie to obejmować obwód elektryczny i najbardziej przydatne równanie dla equation to jestPrawo Ohma. Wiąże się to napięcie z przepływem prądu w obwodzie, a rezystancję z przepływem prądu z przewodów i elementów obwodu i ma postać:
V = IR
GdzieVjest potencjalną różnicą w woltach (V);jajest przepływem prądu, z jednostką ampera lub ampera w skrócie (A); iRjest rezystancją w omach (Ω). Na pierwszy rzut oka to równanie mówi, że przy tej samej rezystancji wyższe napięcia wytwarzają wyższe prądy (analogicznie do zwiększenia wysokości górka we wstępie) i dla tego samego napięcia przepływ prądu jest zmniejszony dla wyższych rezystancji (analogicznie do niedrożności rur w przykład). Jeśli nie ma różnicy napięć, prąd nie będzie płynął.
Różne elementy obwodu będą się różnićspadki napięciamiędzy nimi i możesz użyć prawa Ohma, aby ustalić, jakie będą. Jednak zgodnie z prawem napięcia Kirchhoffasuma spadków napięcia wokół dowolnej kompletnej pętli w obwodzie musi być równa zeru.
Jak zmierzyć napięcie w obwodzie?
Napięcie na elemencie w obwodzie elektrycznym można mierzyć woltomierzem lub multimetrem, przy czym ten ostatni zawiera woltomierz, ale także inne narzędzia, takie jak amperomierz (do pomiaru prądu). Woltomierz podłączasz równolegle do mierzonego elementu, aby określić spadek napięcia między dwoma punktami – nigdy nie łącz go szeregowo!
Woltomierze analogowe pracują z galwanometrem (urządzeniem do pomiaru małych prądów elektrycznych) połączonym szeregowo z rezystorem wysokoomowym, z galwanometrem zawierającym zwój drutu w polu magnetycznym. Kiedy prąd przepływa przez przewód, wytwarza pole magnetyczne, które oddziałuje z istniejącym pole magnetyczne powodujące obrót cewki, które następnie przesuwa wskaźnik na urządzeniu, aby wskazać Napięcie.
Ponieważ obrót cewki jest proporcjonalny do prądu, a prąd jest z kolei proporcjonalna do napięcia (zgodnie z prawem Ohma), im bardziej cewka się obraca, tym większe napięcie między dwa punkty. Jest to bardziej skomplikowane, jeśli mierzysz prąd przemienny, a nie stały, ale różne konstrukcje również to umożliwiają.
Musisz podłączyć woltomierz równolegle, ponieważ dwa elementy obwodu połączone równolegle mają na sobie to samo napięcie. Woltomierz musi mieć wysoką rezystancję, ponieważ zapobiega to pobieraniu zbyt dużego prądu z obwodu głównego i zakłócaniu wyniku. Ponadto woltomierze nie są skonstruowane do pobierania dużych prądów, więc jeśli połączysz jeden szeregowo, może łatwo zepsuć lub przepalić bezpiecznik.
Przykłady napięć
Nauka pracy z potencjałem elektrycznym obejmuje naukę korzystania z prawa Ohma i naukę stosowania prawa napięcia Kirchhoffa do określania spadków napięcia na różnych elementach obwodu. Najprostszą rzeczą do zrobienia jest zastosowanie prawa Ohma do całego obwodu.
Jeśli obwód jest zasilany baterią 12 V i ma rezystancję 70 omów, jaki prąd płynie przez obwód?
Tutaj wystarczy ponownie ułożyć prawo Ohma, aby stworzyć wyrażenie dla prądu elektrycznego. Prawo stanowi:
V = IR
Wystarczy podzielić obie strony przezRi odwróć, aby uzyskać:
I=\frac{V}{R}
Wstawienie wartości daje:
\begin{wyrównane} I&=\frac{1 \text{ V}}{70 \text{ Ω}} \\ &= 0,1714 \text{ A} \end{wyrównane}
Tak więc prąd wynosi 0,1714 A lub 171,4 miliamperów (mA).
Ale teraz wyobraź sobie, że to 70 Ω rezystancji jest podzielone szeregowo na trzy różne oporniki o wartościach 20 Ω, 10 Ω i 40 Ω. Jaki jest spadek napięcia na każdym komponencie?
Ponownie, możesz użyć prawa Ohma, aby spojrzeć na każdy element po kolei, zwracając uwagę na całkowity prąd elektryczny wokół obwodu 0,1714 A. Używając V = IR dla każdego z trzech rezystorów po kolei:
Po pierwsze:
\begin{wyrównane} V_1 &= 0,1714 \text{ A} × 20 \text{ Ω} \\ &= 3,428 \text{ V} \end{wyrównane}
Drugi:
\begin{wyrównane} V_2 &= 0,1714 \text{ A} × 10 \text{ Ω} \\ &= 1,714 \text{ V} \end{wyrównane}
A po trzecie:
\begin{wyrównane} V_3 &= 0,1714 \text{ A} × 40 \text{ Ω} \\ &= 6,856\text{ V} \end{wyrównane}
Zgodnie z prawem napięcia Kirchhoffa te trzy spadki napięcia powinny sumować się do 12 V:
\begin{wyrównane} V_1 + V_2 + V_3 &= 3,428 \text{ V} + 1,714 \text{ V} + 6,856 \text{ V} \\ &= 11,998 \text{ V} \end{wyrównane}
Odpowiada to 12 V do dwóch miejsc po przecinku, przy czym niewielka rozbieżność wynika z błędów zaokrągleń.
Spadki napięcia na komponentach równoległych
W powyższej dyskusji dotyczącej sposobu pomiaru napięcia zauważono, że spadki napięcia na równoległych elementach w obwodzie są takie same. Wyjaśnia toPrawo napięciowe Kirchhoffa, które mówi, że suma wszystkich napięć (napięcia dodatniego ze źródła zasilania i spadków napięcia składowych) w pętli zamkniętej musi być równa zeru.
W przypadku obwodu równoległego z wieloma gałęziami można utworzyć taką pętlę zawierającą dowolną z gałęzi równoległych i akumulator. Niezależnie od komponentu na każdej gałęzi, spadek napięcia na dowolnej gałęzimusiećw związku z tym być równe napięciu dostarczanemu przez akumulator (dla uproszczenia ignorując możliwość łączenia innych elementów szeregowo). Odnosi się to do wszystkich gałęzi, a więc komponenty równoległe zawsze będą miały na nich równe spadki napięcia.
Napięcie i moc w żarówkach
Prawo Ohma można również rozszerzyć, aby odnosiło się do władzy (P), który jest szybkością dostarczania energii w dżulach na sekundę (waty,W) i okazuje się, że P = IV.
W przypadku elementu obwodu, takiego jak żarówka, pokazuje to, że moc, którą rozprasza (tj. zamienia się w światło) zależy od napięcia na nim, przy czym wyższe napięcia prowadzą do większej mocy wyjściowej. Zgodnie z omówieniem elementów równoległych w poprzedniej sekcji, wiele żarówek ułożonych równolegle świeci jaśniej niż te same ułożone żarówki szeregowo, ponieważ pełne napięcie baterii spada na każdej żarówce, gdy są połączone równolegle, podczas gdy tylko jedna trzecia spada, gdy są połączone seria.