Jeśli jesteś nowy w fizyce elektryczności, terminy takie jakNapięcieiamperymogą wydawać się prawie wymienne w zależności od sposobu, w jaki są używane. Ale w rzeczywistości są to bardzo różne wielkości, chociaż są ściśle powiązane przez to, jak współpracują ze sobą w obwodzie elektrycznym, zgodnie z prawem Ohma.
Tak naprawdę „ampery” są miarą prądu elektrycznego (który jest mierzony wampery), a napięcie jest pojęciem oznaczającym potencjał elektryczny (mierzony wwolty), ale jeśli nie poznałeś szczegółów, zrozumiałe jest, że możesz się ze sobą pomylić.
Aby zrozumieć różnicę – i nigdy więcej ich nie pomylić – potrzebujesz tylko podstawowego podkładu na temat tego, co oznaczają i jak odnoszą się do obwodu elektrycznego.
Co to jest napięcie?
Napięcie to inny termin określający różnicę potencjałów elektrycznych między dwoma punktami i można je po prostu zdefiniować jako elektryczną energię potencjalną na jednostkę ładunku.
Tak jak potencjał grawitacyjny jest energią potencjalną, jaką obiekt posiada z racji swojego położenia w obrębie a pole grawitacyjne, potencjał elektryczny to energia potencjalna, jaką ma naładowany obiekt z racji swojego położenia w pole elektryczne. Napięcie dokładnie opisuje to na jednostkę ładunku elektrycznego, więc można to zapisać:
V=\frac{E_{el}}{q}
GdzieVjest napięcie,miel jest potencjalną energią elektryczną iqjest ładunek elektryczny. Ponieważ jednostką elektrycznej energii potencjalnej jest dżul (J), a jednostką ładunku elektrycznego jest kulomb (C), jednostką napięcia jest wolt (V), gdzie 1 V = 1 J/C, czyli słownie jeden wolt jest równy jednemu dżulowi na kulomb.
To mówi, że jeśli pozwolisz, aby ładunek 1 kulomba przeszedł przez różnicę potencjałów (tj. napięcie) 1 V, będzie zyskać 1 J energii lub odwrotnie, przemieszczenie kulomba ładunku przez różnicę potencjałów wynoszącą 1 zajmie jeden dżul energii V. Napięcie jest również czasami określane jakosiła elektromotoryczna(EMF).
Różnica napięcia (lub różnica potencjałów) między dwoma punktami, na przykład po obu stronach elementu w obwód elektryczny, można zmierzyć podłączając woltomierz równolegle do interesującego Cię elementu w. Jak sama nazwa wskazuje, woltomierz mierzy napięcie między dwoma punktami obwodu, ale gdy używasz jednego, musi być podłączonyrównolegleaby uniknąć zakłóceń odczytu napięcia lub uszkodzenia urządzenia.
Co to jest prąd?
Prąd elektryczny, który jest czasami określany jako amper (ponieważ ma jednostkę amper), to natężenie przepływu ładunku elektrycznego przez punkt w obwodzie. Ładunek elektryczny jest przenoszony przez elektrony, ujemnie naładowane cząstki otaczające jądro atomu, więc ilość prądu naprawdę mówi o szybkości przepływu elektronów. Prosta matematyczna definicja prądu elektrycznego to:
I=\frac{q}{t}
Gdziejajest prąd (w amperach),qjest ładunkiem elektrycznym (w kulombach) itto czas, który upłynął (w sekundach). Jak pokazuje to równanie, definicja ampera (A) to 1 A = 1 C/s, czyli przepływ ładunku elektrycznego o wartości 1 kulomba na sekundę. Pod względem elektronów jest to około 6,2 × 1018 elektronów (około sześciu miliardów miliardów) przepływających przez punkt odniesienia na sekundę przy przepływie prądu wynoszącym zaledwie 1 A.
Prąd można zmierzyć w obwodzie elektrycznym poprzez szeregowe podłączenie amperomierza – co oznacza ścieżka prądu głównego – z odcinkiem obwodu, na którym chcesz zmierzyć ilość prądu przez.
Przepływ wody: analogia
Jeśli nadal nie rozumiesz roli, jaką odgrywa różnica napięć i prąd elektryczny w obwodzie elektrycznym, szeroko stosowana analogia między elektrycznością a wodą powinna pomóc w wyjaśnieniu rzeczy. Do przedstawienia napięcia w obwodzie elektrycznym można wykorzystać dwa różne scenariusze: rura wodna biegnąca w dół wzgórza lub zbiornik na wodę wypełniony wylewką na dole.
W przypadku fajki wodnej z jednym końcem na szczycie wzgórza, a drugim końcem na dole, twoja intuicja powinna powiedz, że woda przepływałaby przez nią szybciej, gdyby wzgórze było wyższe i wolniej, gdyby wzgórze było niższe. W przykładzie zbiornika na wodę, gdyby były dwa zbiorniki na wodę napełnione do różnych poziomów, można by się spodziewać im bardziej napełniony zbiornik, aby wypuszczać wodę z wylotu w szybszym tempie niż ten napełniony do niższego poziom.
Niezależnie od tego, czy jest to potencjał z wysokości wzgórza (ze względu na potencjał grawitacyjny), czy potencjał tworzony przez ciśnienie wody w zbiorniku, oba te przykłady przekazują kluczowy fakt dotyczący napięcia różnice. Im większy potencjał, tym szybciej woda (tj. prąd) popłynie.
Sam przepływ wody jest analogiczny do prądu elektrycznego. Jeśli zmierzyłeś wodę przepływającą przez jeden punkt na rurze na sekundę, to jest to jak przepływ prądu w obwodzie, z wyjątkiem wody zamiast ładunku elektrycznego w postaci elektronów. Więc jeśli wszystko inne jest równe, wysokie napięcie prowadzi do wysokiego prądu i na odwrót. Ostatnią częścią obrazu jest opór, który jest analogiczny do tarcia między ścianami rura i woda lub fizyczna przeszkoda umieszczona w rurze częściowo blokująca wodę pływ.
Podobieństwa i różnice
\def\arraystretch{1.5} \begin{array}{c: c} \text{Podobieństwa} i \text{Różnice} \\ \hline\hline \text{Oba dotyczą obwodów elektrycznych} i \text{Różne jednostki, napięcie jest mierzone w woltach, gdzie 1 V = 1 J/C} \\ & \text{podczas gdy prąd jest mierzony w amperach, gdzie 1 A = 1 C/s} \\ \hline \text{Oba wpływają na ilość energii obwód element} & \text{Prąd jest równomiernie rozłożony we wszystkich składowych szeregowych}\\ & \text{a spadek napięcia na składowych może być różny}\\ \hline \text{Może być na przemian polaryzacja (np. przemienna} & \text{spadek napięcia jest równy na wszystkich } \\ \text{napięciu prądu lub przemiennego) lub biegunowości bezpośredniej } & \text{elementach połączonych równolegle, podczas gdy prąd różni się} \\ \hline \text{Są one wprost proporcjonalne do siebie zgodnie z prawem Ohma} & \text{Napięcie wytwarza pole elektryczne, podczas gdy prąd wytwarza pole magnetyczne pole} \\ \hline & \text{Napięcie powoduje prąd, podczas gdy prąd jest efektem napięcia} \\ \hline & \text{Prąd płynie tylko wtedy, gdy obwód jest kompletny, ale różnice napięć pozostań} \end{tablica}
Jak pokazuje tabela, prąd elektryczny i napięcie mają więcej różnic niż podobieństw, ale są też pewne podobieństwa. Największą różnicą między nimi jest fakt, że opisują one całkowicie różne ilości, więc gdy zrozumiesz podstawy tego, czym jest każdy z nich, prawdopodobnie nie pomylisz go z jednym inne.
Związek między napięciem a prądem
Różnica napięć i prąd elektryczny są do siebie wprost proporcjonalne zgodnie z prawem Ohma, jednym z najważniejszych równań fizyki obwodów elektrycznych. Równanie odnosi się do napięcia (tj. różnicy potencjałów wytworzonej przez baterię lub inne źródło zasilania) do prądu w obwodzie i oporności na przepływ prądu wytworzonego przez składowe obwód.
Prawo Ohma stwierdza:
V = IR
GdzieVjest napięcie,jajest prąd elektryczny iRjest rezystancją (mierzoną w omach, Ω). Z tego powodu prawo Ohma jest czasami nazywane równaniem napięcia, prądu i rezystancji. Jeśli znasz jakieś dwie wielkości w tym równaniu, możesz przeorganizować równanie, aby znaleźć inne ilość, co sprawia, że jest przydatna w rozwiązywaniu większości problemów z elektroniką, które napotkasz w fizyce klasa.
Warto zauważyć, że prawo Ohma nie jestzawszeważne i jako takie nie jest „prawdziwym” prawem fizyki, ale użytecznym przybliżeniem tego, co nazywamyomowymateriały. Wynikająca z tego liniowa zależność między prądem a napięciem nie obowiązuje w przypadku takich rzeczy jak żarnik żarówka, gdzie wzrost temperatury powoduje wzrost rezystancji i tym samym wpływa na liniową związek. Jednak w większości przypadków (a na pewno większość problemów fizycznych, które zostaną zadane, dotyczących napięcia i prądu elektrycznego) można go używać bez problemów.
Prawo Ohma dotyczące mocy
Prawo Ohma służy przede wszystkim do powiązania napięcia z prądem i rezystancją; istnieje jednak rozszerzenie prawa, które pozwala na użycie tych samych wielkości do obliczenia mocy elektrycznej rozpraszanej w obwodzie, gdzie mocPto szybkość transferu energii w watach (gdzie 1 W = 1 J/s). Najprostszą formą tego równania jest:
P=IV
Czyli słownie, moc równa się prądowi pomnożonemu przez napięcie. Dlatego jest to kluczowy obszar, w którym różnica napięć i prąd elektryczny są podobne: oba mają wprost proporcjonalny związek z mocą rozpraszaną w obwodzie. Jeśli nie znasz prądu, możesz użyć zmiany prawa Ohma (I = V / R), aby wyrazić moc jako:
\begin{wyrównane} P&=\frac{V}{R}× V \\ &= \frac{V^2}{R} \end{wyrównane}
Lub używając standardowej formy prawa Ohma, możesz wymienić napięcie i napisać:
P=I^2R
Zmieniając te równania, możesz również wyrazić napięcie, rezystancję lub prąd w postaci mocy i innej wielkości.
Prawo Kirchhoffa dotyczące napięcia i prądu
Prawa Kirchhoffa to dwa inne najważniejsze prawa dotyczące obwodów elektrycznych i są szczególnie przydatne podczas analizy obwodu z wieloma komponentami.
Pierwsze prawo Kirchhoffa jest czasami nazywane aktualnym prawem, ponieważ mówi, że całkowity prąd płynący do złącza jest równy prądowi z niego wypływającemu – zasadniczo ładunek jest konserwowane.
Drugie prawo Kirchhoffa nazywa się prawem napięcia i mówi, że dla każdej zamkniętej pętli w obwodzie suma wszystkich napięć musi być równa zeru. W przypadku prawa napięcia traktujesz baterię jako napięcie dodatnie, a spadki napięcia na dowolnym komponencie traktujesz jako napięcie ujemne.
W połączeniu z prawem Ohma, te dwa prawa mogą być użyte do rozwiązania praktycznie każdego problemu, który możesz napotkać, związanego z obwodami elektrycznymi.
Napięcie i prąd: przykładowe obliczenia
Wyobraź sobie, że masz obwód składający się z akumulatora 12 V i dwóch oporników połączonych szeregowo o rezystancjach 30 Ω i 15 Ω. Całkowity opór obwodu jest sumą tych dwóch rezystancji, czyli 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Zwróć uwagę, że gdy rezystory są ułożone równolegle, zależność obejmuje odwrotność, ale nie jest to ważne dla zrozumienie związku między różnicą napięcia a prądem, więc ten prosty przykład wystarczy na chwilę obecną cele.
Jaki jest prąd elektryczny płynący przez obwód? Spróbuj samodzielnie zastosować prawo Ohma, zanim zaczniesz czytać dalej.
Następująca forma prawa Ohma:
I=\frac{V}{R}
Pozwala obliczyć:
\begin{wyrównane} I&=\frac{12 \text{ V}}{45 \text{ Ω}} \\ &=0.27 \text{ A} \end{wyrównane}
Teraz, znając prąd płynący przez obwód, jaki jest spadek napięcia na rezystorze 15 Ω? Do rozwiązania tego pytania można użyć prawa Ohma w standardowej formie. Wstawianie wartościja= 0,27 A iR= 15 Ω daje:
\begin{wyrównane} V &= IR \\ &= 0,27 \text{ A} × 15 \text{ Ω} \\ &= 4,05 \text{ V} \end{wyrównane}
Na potrzeby korzystania z praw Kirchhoffa będzie to napięcie ujemne (tj. spadek napięcia). Czy jako ostatnie ćwiczenie możesz pokazać, że całkowite napięcie wokół zamkniętej pętli będzie równe zeru? Pamiętaj, że bateria ma napięcie dodatnie, a wszystkie spadki napięcia są ujemne.