Dacă sunteți nou în fizica electricității, termeni precumVoltajșiamperipot părea aproape interschimbabile în funcție de modul în care sunt folosite. Dar, în realitate, acestea sunt cantități foarte diferite, deși sunt strâns legate de modul în care funcționează împreună într-un circuit electric, așa cum este descris de legea lui Ohm.
Într-adevăr, „amperii” sunt o măsură a curentului electric (care se măsoară înamperi), și tensiune este un termen care înseamnă potențial electric (măsurat învolți), dar dacă nu ați aflat detaliile, este de înțeles că le-ați putea confunda pe cei doi.
Pentru a înțelege diferența - și pentru a nu le amesteca niciodată din nou - trebuie doar un manual de bază despre ceea ce înseamnă și despre cum se raportează la un circuit electric.
Ce este tensiunea?
Tensiunea este un alt termen pentru diferența de potențial electric între două puncte și poate fi pur și simplu definit ca energia potențială electrică pe unitate de încărcare.
Așa cum potențialul gravitațional este energia potențială pe care o are un obiect în virtutea poziției sale în interiorul unui câmp gravitațional, potențialul electric este energia potențială pe care o are un obiect încărcat în virtutea poziției sale într-un câmp electric. Tensiunea descrie în mod specific acest lucru pe unitate de încărcare electrică, și astfel poate fi scris:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
UndeVeste tensiunea,Eel este energia potențială electrică șiqeste sarcina electrică. Deoarece unitatea pentru energia potențială electrică este joul (J) și unitatea pentru încărcarea electrică este coulombul (C), unitatea de tensiune este voltul (V), unde 1 V = 1 J / C sau, în cuvinte, un volt este egal cu un joule per coulomb.
Acest lucru vă spune că, dacă permiteți unei încărcări de 1 coulomb să treacă printr-o diferență de potențial (adică o tensiune) de 1 V, aceasta va câștigați 1 J de energie sau, invers, va fi nevoie de un joule de energie pentru a muta un coulomb de sarcină printr-o diferență de potențial de 1 V. Tensiunea este, de asemenea, denumită uneoriforta electromotoare(CEM).
Diferența de tensiune (sau diferența de potențial) între două puncte, cum ar fi de fiecare parte a unui element din un circuit electric, poate fi măsurat prin conectarea unui voltmetru în paralel cu elementul care vă interesează în. După cum sugerează și numele, un voltmetru măsoară tensiunea dintre două puncte ale circuitului, dar atunci când îl utilizați, acesta trebuie să fie conectatîn paralelpentru a evita interferențele cu citirea tensiunii sau deteriorarea dispozitivului.
Ce este actualul?
Curentul electric, care este uneori denumit amperaj (deoarece are unitatea amperei), este rata de curgere a sarcinii electrice care trece de un punct dintr-un circuit. Sarcina electrică este purtată de electroni, particulele încărcate negativ care înconjoară nucleul unui atom, astfel încât cantitatea de curent îți spune cu adevărat rata de curgere a electronilor. O definiție matematică simplă a curentului electric este:
I = \ frac {q} {t}
UndeEueste curentul (în amperi),qeste sarcina electrică (în coulombi) șiteste timpul scurs (în secunde). Așa cum arată această ecuație, definiția unui amper (A) este 1 A = 1 C / s, sau un flux al unei sarcini electrice de 1 coulomb pe secundă. În termeni de electroni, aceasta este de aproximativ 6,2 × 1018 electroni (aproximativ șase miliarde de miliarde) care trec peste punctul de referință pe secundă pentru un flux curent de doar 1 A.
Curentul poate fi măsurat într-un circuit electric prin conectarea unui ampermetru în serie - adică în calea curentului principal - cu secțiunea circuitului pe care doriți să măsurați cantitatea de curent prin.
Fluxul de apă: o analogie
Dacă încă te străduiești să înțelegi rolurile, joacă diferența de tensiune și curentul electric în cadrul unui circuit electric, o analogie larg utilizată între electricitate și apă ar trebui să ajute la clarificare lucruri. Două scenarii diferite pot fi folosite pentru a reprezenta tensiunea într-un circuit electric: fie o conductă de apă care curge pe un deal, fie un rezervor de apă umplut cu un canal de ieșire în partea de jos.
Pentru conducta de apă cu un capăt în vârful unui deal și celălalt capăt în partea de jos, intuiția dvs. ar trebui să-ți spun că apa ar curge prin ea mai repede dacă dealul ar fi mai înalt și mai lent dacă dealul ar fi mai jos. Pentru exemplul rezervorului de apă, dacă ar exista două rezervoare de apă umplute la niveluri diferite, te-ai aștepta rezervorul mai umplut pentru a elibera apa din orificiu la o viteză mai mare decât cel umplut la un nivel inferior nivel.
Fie că este vorba de potențialul de la înălțimea dealului (datorită potențialului gravitațional) sau potențialului create de presiunea apei din rezervor, ambele exemple transmit un fapt cheie despre tensiune diferențe. Cu cât potențialul este mai mare, cu atât va curge mai repede apa (adică curentul).
Debitul de apă în sine este analog cu curentul electric. Dacă ați măsurat apa care curge dincolo de un singur punct pe conductă pe secundă, acesta este ca fluxul de curent într-un circuit, cu excepția apei în locul sarcinii electrice sub formă de electroni. Deci, dacă toate celelalte sunt egale, o tensiune înaltă duce la un curent ridicat și invers. Ultima parte a imaginii este rezistența, care este analogă cu fricțiunea dintre pereții din conducta și apa sau o obstrucție fizică plasată în conductă care blochează parțial apa curgere.
Asemănări și diferențe
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {array} {c: c} \ text {Similarități} & \ text {Differences} \\ \ hline \ hline \ text {Ambele aparțin circuitelor electrice} & \ text {Diferite unități, tensiunea este măsurat în volți, unde 1 V = 1 J / C} \\ & \ text {în timp ce curentul este măsurat în amperi, unde 1 A = 1 C / s} \\ \ hline \ text {Ambele afectează cât de multă putere este disipată un circuit element} & \ text {Curentul este distribuit în mod egal în toate componentele atunci când este în serie} \\ & \ text {în timp ce căderea de tensiune între componente poate diferi} \\ \ hline \ text {Pot fi ambele în alternanță polaritate (de exemplu, alternativ} & \ text {Scăderea tensiunii este egală între toate} \\ \ text {curent sau tensiune alternativă) sau polaritate directă} & \ text {componente conectate în paralel, în timp ce curentul diferă} \\ \ hline \ text {Acestea sunt direct proporționale între ele în conformitate cu legea lui Ohm} & \ text {Tensiunea produce un câmp electric în timp ce curentul produce un magnet field} \\ \ hline & \ text {Tensiunea provoacă curent, în timp ce curentul este efectul tensiunii} \\ \ hline & \ text {Curentul circulă numai când circuitul este complet, dar diferențele de tensiune rămâne} \ end {array}
Așa cum arată tabelul, curentul electric și tensiunea au mai multe diferențe decât similitudini, dar există și unele asemănări. Cea mai mare diferență dintre cele două este faptul că acestea descriu în totalitate cantități diferite, deci după ce înțelegeți elementele de bază ale a ceea ce este fiecare, este puțin probabil să le confundați cu una un alt.
Relația dintre tensiune și curent
Diferența de tensiune și curentul electric sunt direct proporționale între ele, în conformitate cu legea lui Ohm, una dintre cele mai importante ecuații din fizica circuitelor electrice. Ecuația raportează tensiunea (adică diferența de potențial creată de baterie sau altă sursă de energie) la curentul din circuit și rezistența la fluxul de curent creat de componentele circuit.
Legea lui Ohm prevede:
V = IR
UndeVeste tensiunea,Eueste curentul electric șiReste rezistența (măsurată în ohmi, Ω). Din acest motiv, legea lui Ohm este uneori denumită ecuația tensiunii, curentului și rezistenței. Dacă cunoașteți două cantități în această ecuație, puteți rearanja ecuația pentru a o găsi pe cealaltă cantitate, ceea ce îl face util în rezolvarea majorității problemelor electronice pe care le veți întâlni în fizică clasă.
Merită remarcat faptul că legea lui Ohm nu estemereuvalabil și, ca atare, nu este o lege „adevărată” a fizicii, ci o aproximare utilă pentru ceea ce se numeșteohmicmateriale. Relația liniară pe care o implică între curent și tensiune nu se menține pentru lucruri precum un filament bec, unde creșterea temperaturii determină o creștere a rezistenței și, astfel, are impact asupra liniarului relaţie. Cu toate acestea, în majoritatea cazurilor (și, cu siguranță, în majoritatea problemelor fizice, vi se va cere implicarea tensiunii și curentului electric), acesta poate fi utilizat fără probleme.
Legea lui Ohm pentru putere
Legea lui Ohm este folosită în principal pentru a raporta tensiunea la curent și rezistență; cu toate acestea, există o extensie a legii care vă permite să utilizați aceleași cantități pentru a calcula puterea electrică disipată într-un circuit, unde putereaPeste rata transferului de energie în wați (unde 1 W = 1 J / s). Cea mai simplă formă a acestei ecuații este:
P = IV
Deci, în cuvinte, puterea este egală cu curentul înmulțit cu tensiunea. Prin urmare, aceasta este o zonă cheie în care diferența de tensiune și curentul electric sunt similare: ambele au o relație direct proporțională cu puterea disipată într-un circuit. Dacă nu cunoașteți curentul, puteți utiliza o reamenajare a legii lui Ohm (I = V / R) pentru a exprima puterea ca:
\ begin {align} P & = \ frac {V} {R} × V \\ & = \ frac {V ^ 2} {R} \ end {align}
Sau folosind forma standard a legii lui Ohm, puteți înlocui tensiunea și puteți scrie:
P = I ^ 2R
Reorganizând aceste ecuații, puteți exprima, de asemenea, tensiunea, rezistența sau curentul în termeni de putere și o altă cantitate.
Legile actuale ale tensiunii și curentului lui Kirchhoff
Legile lui Kirchhoff sunt două dintre cele mai importante legi pentru circuitele electrice și sunt deosebit de utile atunci când analizați un circuit cu mai multe componente.
Prima lege a lui Kirchhoff este uneori numită legea actuală, deoarece afirmă că curentul total curgerea într-o joncțiune este egală cu curentul care curge din ea - în esență, această sarcină este conservat.
A doua lege a lui Kirchhoff se numește lege a tensiunii și afirmă că pentru orice buclă închisă dintr-un circuit, suma tuturor tensiunilor trebuie să fie egală cu zero. Pentru legea tensiunii, tratați bateria ca o tensiune pozitivă și tratați căderile de tensiune de pe orice componentă ca o tensiune negativă.
În combinație cu legea lui Ohm, aceste două legi pot fi folosite pentru a rezolva, în esență, orice problemă cu care probabil că veți întâlni circuite electrice.
Tensiune și curent: exemple de calcule
Imaginați-vă că aveți un circuit care implică o baterie de 12 V și două rezistențe, conectate în serie, cu rezistențe de 30 Ω și 15 Ω. Rezistența totală pentru circuit este dată de suma acestor două rezistențe, deci 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Rețineți că atunci când rezistențele sunt aranjate în paralel, relația implică reciprocități, dar acest lucru nu este important pentru înțelegând relația dintre diferența de tensiune și curent, astfel încât acest exemplu simplu va fi suficient pentru prezent scopuri.
Care este curentul electric care circulă prin circuit? Încercați să aplicați singuri legea lui Ohm înainte de a citi mai departe.
Următoarea formă a legii lui Ohm:
I = \ frac {V} {R}
Vă permite să calculați:
\ begin {align} I & = \ frac {12 \ text {V}} {45 \ text {Ω}} \\ & = 0.27 \ text {A} \ end {align}
Acum, cunoscând curentul prin circuit, care este căderea de tensiune pe rezistorul de 15 Ω? Legea lui Ohm în formularul standard poate fi utilizată pentru a rezolva această întrebare. Introducerea valorilorEu= 0,27 A șiR= 15 Ω dă:
\ begin {align} V & = IR \\ & = 0.27 \ text {A} × 15 \ text {Ω} \\ & = 4.05 \ text {V} \ end {align}
În scopul utilizării legilor lui Kirchhoff, aceasta va fi o tensiune negativă (adică o cădere de tensiune). Ca ultim exercițiu, puteți arăta că tensiunea totală în jurul buclei închise va fi egală cu zero? Amintiți-vă că bateria are o tensiune pozitivă, iar toate căderile de tensiune sunt negative.
