Напряжение и ток: в чем сходства и различия?

Если вы новичок в физике электричества, такие термины, какНапряжениеа такжеусилителимогут показаться почти взаимозаменяемыми в зависимости от способа их использования. Но на самом деле это очень разные величины, хотя они тесно связаны тем, как они работают вместе в электрической цепи, как это описано в законе Ома.

На самом деле, «амперы» - это мера электрического тока (который измеряется вамперы), а напряжение - это термин, обозначающий электрический потенциал (измеряемый ввольт), но если вы не изучили детали, понятно, что вы можете спутать их друг с другом.

Чтобы понять разницу - и никогда не перепутать их снова - вам просто понадобится базовый учебник о том, что они означают и как они связаны с электрической цепью.

Что такое напряжение?

Напряжение - это еще один термин, обозначающий разность электрических потенциалов между двумя точками, и его можно просто определить как электрическую потенциальную энергию на единицу заряда.

Точно так же, как гравитационный потенциал - это потенциальная энергия, которую объект имеет в силу своего положения в гравитационного поля, электрический потенциал - это потенциальная энергия, которую заряженный объект имеет в силу своего положения в электрическое поле. Напряжение конкретно описывает это на единицу электрического заряда, поэтому это можно записать:

V = \ frac {E_ {el}} {q}

ГдеVнапряжение,Eэль - электрическая потенциальная энергия иqэто электрический заряд. Поскольку единицей измерения электрической потенциальной энергии является джоуль (Дж), а единицей измерения электрического заряда является кулон (C) единицей измерения напряжения является вольт (V), где 1 V = 1 J / C, или, говоря словами, один вольт равен одному джоулю на кулон.

Это говорит вам, что если вы позволите заряду в 1 кулон пройти через разность потенциалов (то есть напряжение) в 1 В, он будет получить 1 Дж энергии, или, наоборот, потребуется один джоуль энергии, чтобы переместить кулон заряда через разность потенциалов в 1 В. Напряжение также иногда называютэлектродвижущая сила(ЭДС).

Разность напряжений (или разность потенциалов) между двумя точками, например, с обеих сторон элемента в электрическая цепь, можно измерить, подключив вольтметр параллельно с интересующим вас элементом в. Как следует из названия, вольтметр измеряет напряжение между двумя точками цепи, но когда вы используете одну, она должна быть подключена.в параллеливо избежание искажения показаний напряжения или повреждения устройства.

Что сейчас?

Электрический ток, который иногда называют силой тока (поскольку он измеряется в амперах), представляет собой скорость прохождения электрического заряда через точку в цепи. Электрический заряд переносится электронами, отрицательно заряженными частицами, которые окружают ядро ​​атома, поэтому величина тока действительно говорит вам о скорости потока электронов. Простое математическое определение электрического тока:

I = \ frac {q} {t}

Гдеяток (в амперах),q- электрический заряд (в кулонах) итистекшее время (в секундах). Как показывает это уравнение, определение ампера (А): 1 А = 1 Кл / с, или поток электрического заряда 1 кулон в секунду. В пересчете на электроны это примерно 6,2 × 1018 электронов (около шести миллиардов миллиардов), проходящих мимо контрольной точки в секунду при токе всего 1 А.

Ток в электрической цепи можно измерить, подключив последовательно амперметр, то есть в путь основного тока - с участком цепи, на котором вы хотите измерить величину тока через.

Поток воды: аналогия

Если вы все еще пытаетесь понять роль разницы в напряжении и электрического тока, в электрической цепи широко используемая аналогия между электричеством и водой должна помочь прояснить вещи. Для представления напряжения в электрической цепи можно использовать два разных сценария: либо водопровод, спускающийся с холма, либо резервуар для воды, заполненный выпускным патрубком внизу.

Что касается водопровода, у которого один конец находится на вершине холма, а другой конец - внизу, ваша интуиция должна скажу вам, что вода текла бы через него быстрее, если бы холм был выше, и медленнее, если бы холм был ниже. В примере с резервуаром для воды, если есть два резервуара для воды, заполненных до разных уровней, вы ожидаете более заполненный резервуар для выпуска воды из выпускного отверстия с большей скоростью, чем резервуар, заполненный до более низкой уровень.

Будь то потенциал с высоты холма (из-за гравитационного потенциала) или потенциал создаваемое давлением воды в резервуаре, оба этих примера передают ключевой факт о напряжении различия. Чем больше потенциал, тем быстрее будет течь вода (то есть ток).

Сам поток воды аналогичен электрическому току. Если вы измерили поток воды, протекающей через одну точку трубы в секунду, это похоже на протекание тока в цепи, за исключением того, что вода заменяет электрический заряд в форме электронов. Таким образом, если все остальное равно, высокое напряжение приводит к сильному току, и наоборот. Заключительная часть рисунка - сопротивление, которое аналогично трению между стенками труба и вода, или физическое препятствие, помещенное в трубу, частично блокирующее воду поток.

Сходства и различия

\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {array} {c: c} \ text {Сходства} & \ text {Различия} \\ \ hline \ hline \ text {Оба относятся к электрическим цепям} & \ text {Разные блоки, напряжение измеряется в вольтах, где 1 В = 1 Дж / Кл} \\ & \ text {в то время как ток измеряется в амперах, где 1 А = 1 Кл / с} \\ \ hline \ text {Оба параметра влияют на то, сколько мощности рассеивается через цепь element} & \ text {Ток равномерно распределяется во всех компонентах, когда они соединены последовательно} \\ & \ text {в то время как падение напряжения на компонентах может отличаться} \\ \ hline \ text {Могут быть оба чередующихся полярность (например, переменная} & \ text {падение напряжения одинаково для всех} \\ \ text {ток или переменное напряжение) или прямая полярность} & \ text {компоненты, подключенные параллельно, в то время как ток отличается} \\ \ hline \ text {Они прямо пропорциональны друг другу в соответствии с законом Ома} & \ text {Напряжение создает электрическое поле, а ток создает магнитное поле. field} \\ \ hline & \ text {Напряжение вызывает ток, а ток - это эффект напряжения} \\ \ hline & \ text {Ток течет только тогда, когда цепь замкнута, но есть различия в напряжениях остаться} \ end {массив}

Как видно из таблицы, у электрического тока и напряжения больше различий, чем сходства, но есть и некоторые сходства. Самая большая разница между ними заключается в том, что они полностью описывают разные величины, поэтому как только вы поймете основы того, что такое каждый из них, вы вряд ли запутаете их с одним Другой.

Связь между напряжением и током

Разность напряжений и электрический ток прямо пропорциональны друг другу в соответствии с законом Ома, одним из важнейших уравнений физики электрических цепей. Уравнение связывает напряжение (т. Е. Разность потенциалов, создаваемую батареей или другим источником питания) к току в цепи и сопротивлению потоку тока, создаваемому компонентами схема.

Закон Ома гласит:

V = ИК

ГдеVнапряжение,яэлектрический ток ир- сопротивление (измеряется в Ом, Ом). По этой причине закон Ома иногда называют уравнением напряжения, тока и сопротивления. Если вы знаете какие-либо две величины в этом уравнении, вы можете перестроить уравнение, чтобы найти другое. количество, что делает его полезным при решении большинства проблем электроники, с которыми вы столкнетесь в физике. класс.

Стоит отметить, что закон Ома невсегдадействительный, и как таковой это не «истинный» закон физики, а полезное приближение для того, что называетсяомическийматериалы. Линейная связь между током и напряжением, которую он подразумевает, неприменима для таких вещей, как нить накала колба, где повышение температуры вызывает увеличение сопротивления и, таким образом, влияет на линейный отношение. Однако в большинстве случаев (и, конечно же, в большинстве физических задач, связанных с напряжением и электрическим током) его можно использовать без проблем.

Закон Ома о мощности

Закон Ома в основном используется для связи напряжения с током и сопротивлением; однако есть расширение закона, которое позволяет использовать те же величины для расчета рассеиваемой электрической мощности в цепи, где мощностьп- скорость передачи энергии в ваттах (где 1 Вт = 1 Дж / с). Самая простая форма этого уравнения:

P = IV

Таким образом, на словах мощность равна току, умноженному на напряжение. Следовательно, это ключевая область, в которой разница напряжений и электрический ток схожи: они оба имеют прямо пропорциональную зависимость от мощности, рассеиваемой в цепи. Если вы не знаете ток, вы можете использовать перегруппировку закона Ома (I = V / R), чтобы выразить мощность как:

\ begin {выравнивается} P & = \ frac {V} {R} × V \\ & = \ frac {V ^ 2} {R} \ end {выравнивается}

Или, используя стандартную форму закона Ома, вы можете заменить напряжение и написать:

P = I ^ 2R

Переставив эти уравнения, вы также можете выразить напряжение, сопротивление или ток через мощность и другую величину.

Законы Кирхгофа напряжения и тока

Законы Кирхгофа - это два других наиболее важных закона для электрических цепей, и они особенно полезны, когда вы анализируете цепь с несколькими компонентами.

Первый закон Кирхгофа иногда называют текущим законом, потому что он гласит, что полный ток втекающий в переход равен току, выходящему из него - по сути, этот заряд равен законсервировано.

Второй закон Кирхгофа называется законом напряжения и гласит, что для любого замкнутого контура в цепи сумма всех напряжений должна равняться нулю. Согласно закону напряжения, вы относитесь к батарее как к положительному напряжению, а падение напряжения на любом компоненте - как к отрицательному.

В сочетании с законом Ома эти два закона можно использовать для решения практически любой проблемы, с которой вы, вероятно, столкнетесь, связанной с электрическими цепями.

Напряжение и ток: пример расчетов

Представьте, что у вас есть цепь, состоящая из батареи 12 В и двух последовательно соединенных резисторов с сопротивлением 30 Ом и 15 Ом. Общее сопротивление цепи определяется суммой этих двух сопротивлений, поэтому 30 Ом + 15 Ом = 45 Ом. Обратите внимание, что когда резисторы расположены параллельно, взаимосвязь включает в себя обратную связь, но это не важно для понимание взаимосвязи между разностью напряжений и током, поэтому этого простого примера будет достаточно для настоящего целей.

Какой электрический ток течет по цепи? Прежде чем читать дальше, попробуйте сами применить закон Ома.

Следующая форма закона Ома:

I = \ frac {V} {R}

Позволяет рассчитать:

\ begin {align} I & = \ frac {12 \ text {V}} {45 \ text {Ω}} \\ & = 0,27 \ text {A} \ end {align}

Теперь, зная ток в цепи, каково падение напряжения на резисторе 15 Ом? Для ответа на этот вопрос можно использовать закон Ома в стандартной форме. Вставка значенийя= 0,27 А ир= 15 Ом дает:

\ begin {align} V & = IR \\ & = 0,27 \ text {A} × 15 \ text {Ω} \\ & = 4,05 \ text {V} \ end {align}

Для целей использования законов Кирхгофа это будет отрицательное напряжение (то есть падение напряжения). В качестве заключительного упражнения можете ли вы показать, что полное напряжение в замкнутом контуре будет равно нулю? Помните, что аккумулятор имеет положительное напряжение, а все падения напряжения отрицательные.

Teachs.ru
  • Доля
instagram viewer