Представьте себе воду, текущую вниз по системе труб. Ваша интуиция должна подсказать вам, какие факторы заставят воду течь быстрее, а какие - медленнее. Чем выше холм, тем быстрее будет течение, а чем больше препятствий в трубе, тем медленнее он будет течь.
Это все из-заразность потенциальной энергии между вершиной холма и основанием, потому что вода имеет гравитационную потенциальную энергию на вершине холма и не имеет ее к тому времени, когда она достигает подножия.
Это отличная аналогия с электрическимНапряжение. Точно так же, когда существует разность электрических потенциалов между двумя точками электрической цепи, электрический ток течет из одной части цепи в другую.
Как и в примере с водой, разность потенциальной энергии между двумя точками (созданная распределением электрического заряда) - это то, что создает ток. Конечно, у физиков есть более точные определения, чем это, и изучение уравнений, таких как закон Ома, дает вам лучшее понимание напряжения.
Определение напряжения
Напряжение - это название, данное разнице электрической потенциальной энергии между двумя точками, и оно определяется как электрическая потенциальная энергия на единицу заряда. Хотя
электрический потенциал- более точный термин, тот факт, что единицей измерения электрического потенциала в системе СИ является вольт (В), означает, что его обычно называют напряжения, особенно когда люди говорят о разнице потенциалов между клеммами аккумулятора или другими частями схема.Математически это определение можно записать как:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
ГдеVэто разность потенциалов,Eэль - электрическая потенциальная энергия (в джоулях) иq- заряд (в кулонах). Из этого вы должны увидеть, что 1 В = 1 Дж / Кл, то есть один вольт определяется как один джоуль на кулон (т. Е. На единицу заряда). Иногда вы увидитеEиспользуется в качестве символа напряжения, потому что другой термин для той же величины - «электродвижущая сила» (ЭДС), но во многих источниках используетсяVчтобы соответствовать повседневному использованию этого термина.
Вольт получил свое название от итальянского физика Алессандро Вольта, который известен прежде всего изобретением первой электрической батареи (так называемой «гальванической батареи»).
Уравнение для напряжения
Однако приведенное выше уравнение не является наиболее часто используемым уравнением для напряжения, потому что большинство как только вы столкнетесь с этим термином, он будет включать электрическую цепь и наиболее полезное уравнение для этоЗакон Ома. Это связывает напряжение с током, протекающим в цепи, и сопротивление течению тока от проводов и компонентов схемы, и имеет вид:
V = ИК
ГдеV- разность потенциалов в вольтах (В);я- ток, кратко ампер или ампер (А); а такжерсопротивление в Ом (Ом). На первый взгляд, это уравнение говорит вам, что при том же сопротивлении более высокие напряжения создают более высокие токи (аналогично увеличению высоты холма во введении), и при том же напряжении ток уменьшается для более высоких сопротивлений (аналогично препятствиям в трубах в пример). Если разницы напряжений нет, ток не будет течь.
Различные компоненты схемы будут иметь разныепадение напряжениячерез них, и вы можете использовать закон Ома, чтобы выяснить, какими они будут. Однако в соответствии с законом Кирхгофа о напряжениисумма падений напряжения вокруг любого полного контура в цепи должна быть равна нулю..
Как измерить напряжение в цепи
Напряжение на элементе в электрической цепи можно измерить с помощью вольтметра или мультиметра, причем последний содержит вольтметр, а также другие инструменты, такие как амперметр (для измерения тока). Вы подключаете вольтметр параллельно к измеряемому элементу, чтобы определить падение напряжения между двумя точками - никогда не подключайте его последовательно!
Аналоговые вольтметры работают с использованием гальванометра (устройства для измерения малых электрических токов), соединенного последовательно с резистором с высоким сопротивлением, с гальванометром, содержащим катушку с проводом в магнитном поле. Когда через провод течет ток, он создает магнитное поле, которое взаимодействует с существующими магнитное поле, заставляющее катушку вращаться, которое затем перемещает указатель на устройстве, чтобы указать Напряжение.
Поскольку вращение катушки пропорционально току, а ток, в свою очередь, пропорционально напряжению (по закону Ома), чем больше вращается катушка, тем больше напряжение между две точки. Это сложнее, если вы измеряете переменный ток, а не постоянный, но и это возможно при различных конструкциях.
Вы должны подключить вольтметр параллельно, потому что два параллельных элемента схемы имеют одинаковое напряжение на них. Вольтметр должен иметь высокое сопротивление, потому что это не позволяет ему потреблять слишком большой ток из главной цепи и тем самым влиять на результат. Кроме того, вольтметры не рассчитаны на большие токи, поэтому, если вы подключите один последовательно, он может легко сломать или перегореть предохранитель.
Примеры напряжения
Чтобы научиться работать с электрическим потенциалом, нужно научиться использовать закон Ома и научиться применять закон Кирхгофа для определения падений напряжения на различных элементах цепи. Проще всего применить закон Ома ко всей цепи.
Если цепь питается от батареи 12 В и имеет общее сопротивление 70 Ом, какой ток течет по цепи?
Здесь вам просто нужно перестроить закон Ома, чтобы получить выражение для электрического тока. Закон гласит:
V = ИК
Все, что вам нужно сделать, это разделить обе стороны нари наоборот, чтобы получить:
I = \ frac {V} {R}
Вставка значений дает:
\ begin {выравнивается} I & = \ frac {1 \ text {V}} {70 \ text {Ω}} \\ & = 0,1714 \ text {A} \ end {выравнивается}
Таким образом, ток равен 0,1714 А или 171,4 миллиампер (мА).
Но теперь представьте, что эти 70 Ом сопротивления разделены последовательно на три разных резистора со значениями 20 Ом, 10 Ом и 40 Ом. Какое падение напряжения на каждом компоненте?
Опять же, вы можете использовать закон Ома, чтобы посмотреть на каждый компонент по очереди, отмечая общий электрический ток в цепи 0,1714 А. Используя V = IR для каждого из трех резисторов по очереди:
Во-первых:
\ begin {align} V_1 & = 0,1714 \ text {A} × 20 \ text {Ω} \\ & = 3,428 \ text {V} \ end {align}
Второй:
\ begin {align} V_2 & = 0,1714 \ text {A} × 10 \ text {Ω} \\ & = 1,714 \ text {V} \ end {align}
И третье:
\ begin {выравнивание} V_3 & = 0,1714 \ text {A} × 40 \ text {Ω} \\ & = 6,856 \ text {V} \ end {выравнивание}
Согласно закону Кирхгофа, эти три падения напряжения в сумме должны составлять 12 В:
\ begin {выровнено} V_1 + V_2 + V_3 & = 3,428 \ text {V} + 1,714 \ text {V} + 6,856 \ text {V} \\ & = 11,998 \ text {V} \ end {выровнено}
Это равно 12 В с точностью до двух десятичных знаков, с небольшим расхождением из-за ошибок округления.
Падения напряжения на параллельных компонентах
При обсуждении того, как измерить напряжение выше, было отмечено, что падение напряжения на параллельных компонентах в цепи одинаковое. Это объясняетсяЗакон Кирхгофа о напряжении, который гласит, что сумма всех напряжений (положительное напряжение от источника питания и падение напряжения на компонентах) в замкнутом контуре должна равняться нулю..
Для параллельной схемы с несколькими ветвями вы можете создать такой цикл, включающий любую из параллельных ветвей и батарею. Независимо от компонента на каждой ветви, падение напряжения на любой ветвидолженпоэтому должно быть равно напряжению, обеспечиваемому батареей (для простоты игнорируя возможность подключения других компонентов). Это верно для всех ветвей, поэтому параллельные компоненты всегда будут иметь одинаковое падение напряжения на них.
Напряжение и мощность в лампочках
Закон Ома также может быть расширен, чтобы относиться к мощности (п), который представляет собой скорость подачи энергии в джоулях в секунду (ватт,W), и оказывается, что P = IV.
Для компонента схемы, такого как лампочка, это показывает, что мощность, которую он рассеивает (то есть превращает в свет), зависит от напряжения на нем, причем более высокие напряжения приводят к более высокой выходной мощности. В соответствии с обсуждением параллельных компонентов в предыдущем разделе, несколько лампочек, расположенных параллельно, светятся ярче, чем расположенные одинаковые лампы. последовательно, потому что полное напряжение батареи падает на каждой лампочке при параллельном подключении, в то время как только треть этого напряжения падает, когда они подключены ряд.
