Predstavte si, že voda tečie z kopca sústavou potrubí. Vaša intuícia by vám mala napovedať, aké faktory by spôsobili, že voda bude prúdiť rýchlejšie a čo naopak. Čím vyšší kopec, tým rýchlejší bude prúd a čím viac prekážok v potrubí bude, tým pomalšie bude tiecť.
To všetko je spôsobené arozdiel potenciálnej energie medzi vrcholom kopca a dnom, pretože voda má gravitačnú potenciálnu energiu na vrchole kopca a žiadnu do času, keď sa dostane na dno.
Toto je veľká obdoba pre elektrický prúdNapätie. Rovnakým spôsobom, keď je rozdiel elektrického potenciálu medzi dvoma bodmi v elektrickom obvode, prúdi elektrický prúd z jednej časti obvodu do druhej.
Rovnako ako v príklade s vodou, prúdový prúd vytvára rozdiel potenciálnej energie medzi týmito dvoma bodmi (vytvorený distribúciou elektrického náboja). Fyzici majú samozrejme presnejšie definície ako toto, a učenie sa rovníc, ako je napríklad Ohmov zákon, vám pomôže lepšie pochopiť napätie.
Definícia napätia
Napätie je názov rozdielu elektrickej potenciálnej energie medzi dvoma bodmi a je definovaný ako elektrická potenciálna energia na jednotku náboja. Hoci
elektrický potenciálje presnejší pojem, skutočnosť, že jednotka SI elektrického potenciálu je volt (V), znamená, že sa bežne označuje ako napätie, najmä keď ľudia hovoria o potenciálnom rozdiele medzi svorkami batérie alebo iných častí a obvod.Definíciu je možné napísať matematicky ako:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
KdeV.je potenciálny rozdiel,Eel je elektrická potenciálna energia (v jouloch) aqje náboj (v coulomboch). Z toho by ste mali vidieť, že 1 V = 1 J / C, čo znamená, že jeden volt je definovaný ako jeden joule na coulomb (t. J. Na jednotku poplatku). Niekedy uvidíteEsa používa ako symbol napätia, pretože ďalším výrazom pre rovnakú veličinu je „elektromotorická sila“ (EMF), ale veľa zdrojov používaV.aby zodpovedali každodennému použitiu tohto výrazu.
Názov Volt dostal meno od talianskeho fyzika Alessandra Voltu, ktorý je známy predovšetkým vďaka vynálezu prvej elektrickej batérie (nazývanej „voltaická hromada“).
Rovnica pre napätie
Vyššie uvedená rovnica však nie je najbežnejšie používanou rovnicou pre napätie, pretože väčšina z čas, kedy sa stretnete s výrazom, bude zahŕňať elektrický obvod, a najužitočnejšia rovnica pre toto jeOhmov zákon. Týka sa to napätia s prúdovým prúdom v obvode a odporu proti prúdeniu prúdu z vodičov a komponentov obvodu a má formu:
V = IR
KdeV.je potenciálny rozdiel vo voltoch (V);Jaje prúdový prúd s jednotkou ampéra alebo skrátene ampéra (A); aRje odpor v ohmoch (Ω). Na prvý pohľad táto rovnica napovie, že pri rovnakom odpore spôsobujú vyššie napätia vyššie prúdy (obdobne ako pri zvyšovaní výšky v úvode) a pre rovnaké napätie sa tok prúdu zníži pre vyšší odpor (analogicky k prekážkam v potrubí v príklad). Ak nie je žiadny rozdiel napätia, nebude tiecť žiadny prúd.
Rôzne komponenty obvodu budú mať odlišnépoklesy napätianaprieč nimi a pomocou Ohmovho zákona môžete zistiť, aké budú. V súlade s Kirchhoffovým zákonom o napätí všaksúčet poklesov napätia okolo ktorejkoľvek úplnej slučky v obvode musí byť rovný nule.
Ako merať napätie v obvode
Napätie na prvku v elektrickom obvode je možné merať pomocou voltmetra alebo multimetra, pričom tento multimetr obsahuje voltmetr, ale aj ďalšie nástroje, napríklad ampérmeter (na meranie prúdu). Voltmeter pripojíte paralelne k meranému prvku, aby ste určili pokles napätia medzi dvoma bodmi - nikdy ho nezapájajte do série!
Analógové voltmetre pracujú pomocou galvanometra (prístroja na meranie malých elektrických prúdov) v sérii s vysokoohmovým odporom, pričom galvanometer obsahuje cievku drôtu v magnetickom poli. Keď vodičom preteká prúd, vytvára magnetické pole, ktoré interaguje s existujúcim magnetické pole, aby sa cievka otočila, ktorá potom posúva ukazovateľ na prístroji a indikuje Napätie.
Pretože rotácia cievky je proporcionálna k prúdu a prúd je naopak úmerné napätiu (podľa Ohmovho zákona), čím viac sa cievka otáča, tým väčšie je napätie medzi nimi dva body. To je komplikovanejšie, ak meriate striedavý prúd ako jednosmerný prúd, ale umožňujú to aj rôzne prevedenia.
Musíte paralelne pripojiť voltmetr, pretože dva paralelne zapojené prvky obvodu majú na nich rovnaké napätie. Voltmeter musí mať vysoký odpor, pretože mu to bráni v odoberaní príliš veľkého prúdu z hlavného obvodu a tým v interferencii s výsledkom. Voltmetre navyše nie sú skonštruované tak, aby odoberali veľké prúdy, takže ak zapojíte jeden do série, môže to ľahko zlomiť alebo vyhodiť poistku.
Príklady napätia
Naučiť sa pracovať s elektrickým potenciálom zahŕňa naučiť sa používať Ohmov zákon a naučiť sa uplatňovať Kirchhoffov zákon o napätí pri určovaní úbytkov napätia naprieč rôznymi prvkami v obvode. Najjednoduchšie je uplatniť Ohmov zákon na celý okruh.
Ak je obvod napájaný 12 V batériou a má celkovo 70 ohmov odporu, aký prúd preteká obvodom?
Tu stačí jednoducho upraviť Ohmov zákon, aby ste vytvorili výraz pre elektrický prúd. Zákon hovorí:
V = IR
Musíte len rozdeliť obe stranyRa opačným smerom získate:
I = \ frac {V} {R}
Vkladaním hodnôt získate:
\ begin {zarovnané} I & = \ frac {1 \ text {V}} {70 \ text {Ω}} \\ & = 0,1714 \ text {A} \ end {zarovnané}
Takže prúd je 0,1714 A, alebo 171,4 miliampérov (mA).
Teraz si však predstavte, že týchto 70 Ω odporu je rozdelených do troch rôznych rezistorov v sérii s hodnotami 20 Ω, 10 Ω a 40 Ω. Aký je pokles napätia na každom komponente?
Opäť môžete použiť Ohmov zákon na to, aby ste sa pozreli postupne na všetky komponenty, pričom si všimnite celkový elektrický prúd okolo obvodu 0,1714 A. Postupné použitie V = IR pre každý z troch rezistorov:
Po prvýkrát:
\ begin {zarovnané} V_1 & = 0,1714 \ text {A} × 20 \ text {Ω} \\ & = 3,428 \ text {V} \ end {zarovnané}
Druhy:
\ begin {zarovnané} V_2 & = 0,1714 \ text {A} × 10 \ text {Ω} \\ & = 1,714 \ text {V} \ end {zarovnané}
A tretí:
\ begin {zarovnané} V_3 & = 0,1714 \ text {A} × 40 \ text {Ω} \\ & = 6,856 \ text {V} \ end {zarovnané}
Podľa Kirchhoffovho zákona o napätí by tieto tri poklesy napätia mali pridať až 12 V:
\ begin {zarovnané} V_1 + V_2 + V_3 & = 3,428 \ text {V} + 1,714 \ text {V} + 6,856 \ text {V} \\ & = 11,998 \ text {V} \ end {zarovnané}
To sa rovná 12 V na dve desatinné miesta, s miernym nesúladom v dôsledku zaokrúhľovacích chýb.
Klesá napätie naprieč paralelnými komponentmi
V diskusii o tom, ako merať napätie vyššie, bolo poznamenané, že poklesy napätia cez paralelné komponenty v obvode sú rovnaké. Vysvetľuje toKirchhoffov zákon o napätí, ktorý hovorí, že súčet všetkých napätí (kladné napätie zo zdroja energie a pokles napätia zo zložiek) v uzavretej slučke sa musí rovnať nule.
Pre paralelný obvod s viacerými vetvami môžete vytvoriť takúto slučku vrátane ktorejkoľvek z paralelných vetiev a batérie. Bez ohľadu na komponent na každej vetve pokles napätia na ktorejkoľvek vetvemusieťpreto sa musí rovnať napätiu poskytovanému batériou (pre zjednodušenie ignorovanie možnosti ďalších súčastí v sérii). Platí to pre všetky vetvy, a tak paralelné komponenty budú mať vždy rovnaké poklesy napätia naprieč nimi.
Napätie a výkon v žiarovkách
Ohmov zákon možno rozšíriť aj na moc (P), čo je rýchlosť dodávky energie v jouloch za sekundu (watt,Ž), a ukazuje sa, že P = IV.
Pre súčasť obvodu, ako je žiarovka, to ukazuje, že výkon, ktorý sa rozptýli (t. J. Premení sa na svetlo), závisí od napätia na ňom, pričom vyššie napätie vedie k vyššiemu výkonu. V súlade s diskusiou o paralelných komponentoch v predchádzajúcej časti viac žiaroviek usporiadaných do paralelných žiaroviek svieti jasnejšie ako tie isté žiarovky usporiadané sériovo, pretože pri paralelnom pripojení klesá na každej žiarovke úplné napätie batérie, zatiaľ čo pri pripojení k žiarovke iba tretina. série.