Tensiune: definiție, ecuație, unități (cu exemple)

Imaginați-vă că apa curge în jos printr-un sistem de țevi. Intuiția dvs. ar trebui să vă spună ce factori ar face ca apa să curgă mai repede și ce ar face ca aceasta să curgă mai lent. Cu cât dealul este mai înalt, cu atât curentul va fi mai rapid și cu cât sunt mai multe obstacole în conductă, cu atât va curge mai lent.

Totul se datorează unuidiferența de energie potențială​ ​între vârful dealului și fundul, deoarece apa are energie potențială gravitațională în vârful dealului și nici una până când ajunge la fund.

Aceasta este o mare analogie pentru electricitateVoltaj. În același mod, atunci când există o diferență de potențial electric între două puncte pe un circuit electric, curentul electric curge dintr-o parte a circuitului în alta.

La fel ca în exemplul de apă, diferența de energie potențială dintre cele două puncte (creată prin distribuția sarcinii electrice) este cea care creează fluxul curent. Desigur, fizicienii au definiții mai precise decât aceasta, iar învățarea ecuațiilor precum legea lui Ohm vă oferă o mai bună înțelegere a tensiunii.

Tensiunea este numele dat unei diferențe de energie electrică potențială între două puncte și este definită ca energia potențială electrică pe unitate de încărcare. Cu toate căpotential electriceste un termen mai precis, faptul că unitatea SI a potențialului electric este voltul (V) înseamnă că este denumit în mod obișnuit tensiune, mai ales atunci când oamenii vorbesc despre diferența de potențial între bornele unei baterii sau alte părți ale unei baterii circuit.

Definiția poate fi scrisă matematic ca:

UndeVeste diferența de potențial,E​_el este energia potențială electrică (în jouli) șiqeste sarcina (în coulombi). Din aceasta, ar trebui să puteți vedea că 1 V = 1 J / C, adică un volt este definit ca un joule pe coulomb (adică pe unitate de încărcare). Uneori, veți vedeaEfolosit ca simbol pentru tensiune, deoarece un alt termen pentru aceeași cantitate este „forța electromotivă” (EMF), dar multe surse folosescVpentru a se potrivi cu utilizarea de zi cu zi a termenului.

Voltul își ia numele de la fizicianul italian Alessandro Volta, cel mai bine cunoscut pentru inventarea primei baterii electrice (numită „grămadă voltaică”).

Cu toate acestea, ecuația de mai sus nu este cea mai frecvent utilizată ecuație pentru tensiune, deoarece majoritatea când întâlniți termenul, acesta va implica un circuit electric și cea mai utilă ecuație pentru aceasta esteLegea lui Ohm. Aceasta leagă tensiunea de curgerea curentului în circuit și rezistența la curgerea curentului de la fire și componente ale circuitului și are forma:

UndeVeste diferența de potențial în volți (V);Eueste fluxul de curent, cu o unitate de ampere sau amplificator pe scurt (A); șiReste rezistența în ohmi (Ω). Dintr-o privire, această ecuație vă spune că pentru aceeași rezistență, tensiunile mai mari produc curenți mai mari (analog cu creșterea înălțimii în aceeași tensiune, debitul de curent este redus pentru rezistențe mai mari (analog obstrucțiilor la conductele din exemplu). Dacă nu există diferențe de tensiune, nu va curge curent.

Componentele diferite ale unui circuit vor avea diferitecăderi de tensiuneși le puteți folosi legea lui Ohm pentru a afla ce vor fi. Totuși, în conformitate cu legea tensiunii Kirchhoff,suma căderilor de tensiune în jurul oricărei bucle complete dintr-un circuit trebuie să fie egală cu zero​.

Tensiunea pe un element dintr-un circuit electric poate fi măsurată cu un voltmetru sau un multimetru, acesta din urmă conținând un voltmetru, dar și alte instrumente, cum ar fi un ampermetru (pentru a măsura curentul). Conectați voltmetrul în paralel pe elementul măsurat pentru a determina căderea de tensiune între cele două puncte - nu îl conectați niciodată în serie!

Voltmetrele analogice funcționează folosind un galvanometru (un dispozitiv pentru măsurarea curenților electrici mici) în serie cu un rezistor de ohmi mari, galvanometrul conținând o bobină de sârmă într-un câmp magnetic. Când un curent curge prin fir, creează un câmp magnetic, care interacționează cu cel existent câmp magnetic pentru a face rotirea bobinei, care apoi mută indicatorul de pe dispozitiv pentru a indica Voltaj.

Deoarece rotația bobinei este proporțională cu curentul, iar curentul este la rândul său proporțional cu tensiunea (conform legii lui Ohm), cu cât bobina se rotește, cu atât este mai mare tensiunea dintre ele cele două puncte. Acest lucru este mai complicat dacă măsurați curentul alternativ, mai degrabă decât curentul continuu, dar modele diferite fac acest lucru posibil.

Trebuie să conectați un voltmetru în paralel, deoarece două elemente de circuit în paralel au aceeași tensiune peste ele. Un voltmetru trebuie să aibă o rezistență ridicată, deoarece acest lucru îl împiedică să extragă un curent prea mare din circuitul principal și astfel să interfereze cu rezultatul. În plus, voltmetrele nu sunt construite pentru a atrage curenți mari, deci dacă conectați unul în serie, acesta ar putea rupe sau arunca cu ușurință o siguranță.

Învățarea de a lucra cu potențial electric implică învățarea utilizării legii lui Ohm și învățarea aplicării legii de tensiune a lui Kirchhoff pentru a determina căderile de tensiune pe diferite elemente dintr-un circuit. Cel mai simplu lucru de făcut este să aplici legea lui Ohm unui întreg circuit.

Dacă un circuit este alimentat de o baterie de 12 V și are o rezistență totală de 70 ohmi, care este curentul care circulă prin circuit?

Aici, trebuie pur și simplu să rearanjați legea lui Ohm pentru a crea o expresie a curentului electric. Legea prevede:

Tot ce trebuie să faceți este să împărțiți ambele părți laRși inversați pentru a obține:

Inserarea valorilor oferă:

Deci, curentul este de 0,1714 A sau 171,4 miliamperi (mA).

Dar acum imaginați-vă că această rezistență de 70 Ω este împărțită în trei rezistențe diferite în serie, cu valori de 20 Ω, 10 Ω și 40 Ω. Care este căderea de tensiune pe fiecare componentă?

Din nou, puteți utiliza legea lui Ohm pentru a privi la rândul său fiecare componentă, observând curentul electric general în jurul circuitului de 0,1714 A. Folosind V = IR pentru fiecare dintre cele trei rezistențe la rândul lor:

Pentru primul:

Al doilea:

Și al treilea:

Conform legii de tensiune a lui Kirchhoff, aceste trei căderi de tensiune ar trebui să adauge până la 12 V:

Aceasta este egală cu 12 V la două zecimale, cu o mică discrepanță datorată erorilor de rotunjire.

În discuția despre modul de măsurare a tensiunii de mai sus, s-a observat că căderile de tensiune ale componentelor paralele dintr-un circuit sunt aceleași. Acest lucru se explică prinLegea tensiunii lui Kirchhoff, care afirmă că suma tuturor tensiunilor (tensiunea pozitivă de la sursa de alimentare și căderile de tensiune de la componente) într-o buclă închisă trebuie să fie egală cu zero​.

Pentru un circuit paralel, cu mai multe ramuri, puteți crea o astfel de buclă, incluzând oricare dintre ramurile paralele și bateria. Indiferent de componenta de pe fiecare ramură, căderea de tensiune pe orice ramurătrebuie saprin urmare, să fie egal cu tensiunea furnizată de baterie (ignorând posibilitatea altor componente din serie, pentru simplitate). Acest lucru este valabil pentru toate ramurile, astfel încât componentele paralele vor avea întotdeauna căderi de tensiune egale peste ele.

Legea lui Ohm poate fi, de asemenea, extinsă pentru a se raporta la putere (P), care este rata de alimentare cu energie în jouli pe secundă (wați,W), și se dovedește că P = IV.

Pentru o componentă a circuitului, cum ar fi un bec, aceasta arată că puterea pe care o disipează (adică se transformă în lumină) depinde de tensiunea din acesta, cu tensiuni mai mari care conduc la o putere de ieșire mai mare. În conformitate cu discuțiile despre componentele paralele din secțiunea anterioară, mai multe becuri dispuse în paralel strălucesc mai mult decât aceleași becuri aranjate în serie, deoarece tensiunea completă a bateriei scade pe fiecare bec atunci când este conectată în paralel, în timp ce doar o treime din aceasta o face când sunt conectate în serie.