Ak ste vo fyzike elektriny nováčikmi, pojmy akoNapätieazosilňovačesa môžu javiť ako zameniteľné na základe spôsobu ich použitia. Ale v skutočnosti sú to veľmi rozdielne veličiny, aj keď sú úzko spojené tým, ako spolupracujú v elektrickom obvode, ako to popisuje Ohmov zákon.
Skutočne sú „zosilňovače“ mierou elektrického prúdu (ktorý sa meria v mm)ampéry) a napätie je výraz, ktorý znamená elektrický potenciál (meraný vvoltov), ale pokiaľ ste sa nenaučili podrobnosti, je pochopiteľné, že by ste si mohli navzájom pomýliť.
Aby ste pochopili rozdiel - a už ich nikdy nemiešali - potrebujete iba základný náter na to, čo znamenajú a ako súvisia s elektrickým obvodom.
Čo je to napätie?
Napätie je ďalší výraz pre rozdiel elektrického potenciálu medzi dvoma bodmi a možno ho jednoducho definovať ako elektrickú potenciálnu energiu na jednotku náboja.
Rovnako ako gravitačný potenciál je potenciálna energia, ktorú má objekt na základe svojej polohy v a gravitačné pole, elektrický potenciál je potenciálna energia, ktorú má nabitý objekt na základe svojej polohy v elektrické pole. Napätie to konkrétne popisuje na jednotku elektrického náboja, a preto je možné napísať:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
KdeV.je napätie,Eel je elektrická potenciálna energia aqje elektrický náboj. Pretože jednotkou elektrickej potenciálnej energie je joule (J) a jednotkou elektrického náboja je coulomb (C), jednotkou napätia je volt (V), kde 1 V = 1 J / C, alebo slovami, jeden volt sa rovná jednému joulu na coulomb.
Toto vám hovorí, že ak umožníte náboju 1 coulombu prejsť potenciálnym rozdielom (t. J. Napätím) 1 V, bude získať 1 J energie, alebo naopak, bude trvať jeden jou energie na presun coulombu náboja cez potenciálny rozdiel 1 V. Napätie sa tiež niekedy označuje akoelektromotorická sila(EMF).
Rozdiel napätia (alebo potenciálny rozdiel) medzi dvoma bodmi, napríklad na oboch stranách prvku v elektrický obvod, je možné merať paralelným pripojením voltmetra k prvku, ktorý vás zaujíma v. Ako naznačuje názov, voltmeter meria napätie medzi dvoma bodmi v obvode, ale ak jeden používate, musí byť pripojenýparalelneaby sa zabránilo interferencii s čítaním napätia alebo poškodeniu prístroja.
Čo je aktuálne?
Elektrický prúd, ktorý sa niekedy označuje ako prúdová sila (pretože má jednotku ampéra), je rýchlosť toku elektrického náboja za bod v obvode. Elektrický náboj nesú elektróny, negatívne nabité častice, ktoré obklopujú jadro atómu, takže množstvo prúdu vám skutočne hovorí o rýchlosti toku elektrónov. Jednoduchá matematická definícia elektrického prúdu je:
I = \ frac {q} {t}
KdeJaje prúd (v ampéroch),qje elektrický náboj (v coulomboch) atje čas, ktorý uplynul (v sekundách). Ako ukazuje táto rovnica, definícia ampéra (A) je 1 A = 1 C / s alebo tok elektrického náboja 1 coulomb za sekundu. Z hľadiska elektrónov je to asi 6,2 × 1018 elektróny (asi šesť miliárd miliárd) tečúce okolo referenčného bodu za sekundu pre prúdový tok iba 1 A.
Prúd je možné merať v elektrickom obvode zapojením ampérmetra do série - to znamená v cesta hlavného prúdu - s úsekom obvodu, ktorý chcete zmerať množstvo prúdu cez.
Tok vody: analógia
Ak stále nedokážete porozumieť rolám, hrajú rozdiel napätia a elektrický prúd v elektrickom obvode by mala objasniť široko používaná analógia medzi elektrinou a vodou veci. Na znázornenie napätia v elektrickom obvode je možné použiť dva rôzne scenáre: buď vodovodné potrubie vedúce z kopca, alebo vodná nádrž naplnená výstupným hrdlom na dne.
Pre vodnú fajku s jedným koncom na vrchole kopca a druhým koncom dole by mala byť vaša intuícia povedia ti, že by ním voda pretekala rýchlejšie, keby bol kopec vyššie a pomalšie, keby bol kopec nižší. Napríklad pre nádrž na vodu by sa dalo očakávať, že keby boli dve nádrže na vodu naplnené na rôzne úrovne viac naplnená nádrž na vypúšťanie vody z výstupu rýchlejšou rýchlosťou ako tá, ktorá je naplnená do nižšej úrovni.
Či už je to potenciál z výšky kopca (kvôli gravitačnému potenciálu) alebo potenciál vytvorené tlakom vody v nádrži, oba tieto príklady vyjadrujú kľúčový fakt o napätí rozdiely. Čím väčší je potenciál, tým rýchlejšie bude prúdiť voda (t. J. Prúd).
Samotný tok vody je analogický s elektrickým prúdom. Ak ste merali vodu pretekajúcu cez jediný bod potrubia za sekundu, je to ako prúd prúdiaci v okruhu, s výnimkou vody namiesto elektrického náboja vo forme elektrónov. Takže ak je všetko ostatné rovnaké, vysoké napätie vedie k vysokému prúdu a naopak. Poslednou časťou obrázku je odpor, ktorý je analogický treniu medzi stenami potrubím a vodou alebo fyzickou prekážkou umiestnenou v potrubí, ktorá čiastočne blokuje vodu tok.
Podobnosti a rozdiely
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {array} {c: c} \ text {Podobnosti} & \ text {rozdiely} \\ \ hline \ hline \ text {obe sa týkajú elektrických obvodov} & \ text {rôzne jednotky, napätie je merané vo voltoch, kde 1 V = 1 J / C} \\ & \ text {zatiaľ čo prúd sa meria v ampéroch, kde 1 A = 1 C / s} \\ \ hline \ text {Oba majú vplyv na to, koľko energie sa rozptýli naprieč obvod prvok} & \ text {Prúd je rovnomerne distribuovaný vo všetkých komponentoch, keď sú zapojené do série} \\ & \ text {zatiaľ čo pokles napätia medzi komponentmi sa môže líšiť} \\ \ hline \ text {Môžu byť striedavo polarita (napr. striedavé} & \ text {Pokles napätia je rovnaký vo všetkých} \\ \ text {prúdové alebo striedavé napätie) alebo priama polarita} & \ text {komponenty zapojené paralelne, zatiaľ čo prúd sa líši} \\ \ hline \ text {Sú si navzájom priamo úmerné v súlade s Ohmovým zákonom} & \ text {Napätie vytvára elektrické pole, zatiaľ čo prúd vytvára magnetické pole pole} \\ \ hline & \ text {Napätie spôsobuje prúd, zatiaľ čo prúd je účinkom napätia} \\ \ hline & \ text {Prúd tečie iba po dokončení obvodu, ale rozdiely napätia zostane} \ end {pole}
Ako ukazuje tabuľka, elektrický prúd a napätie sa líšia viac ako podobnosti, existujú však aj určité podobnosti. Najväčší rozdiel medzi nimi je skutočnosť, že popisujú rôzne veličiny úplne, takže akonáhle pochopíte základy toho, čo každý z nich je, je nepravdepodobné, že by ste ich zamenili s jedným ďalší.
Vzťah medzi napätím a prúdom
Rozdiel napätia a elektrický prúd sú navzájom priamo úmerné v súlade s Ohmovým zákonom, jednou z najdôležitejších rovníc fyziky elektrických obvodov. Rovnica sa týka napätia (t. J. Potenciálneho rozdielu vytvoreného batériou alebo iným zdrojom energie) na prúd v obvode a odpor proti prúdeniu prúdu vytvoreného komponentmi obvod.
Ohmov zákon hovorí:
V = IR
KdeV.je napätie,Jaje elektrický prúd aRje odpor (meraný v ohmoch, Ω). Z tohto dôvodu sa Ohmov zákon niekedy označuje ako rovnica napätia, prúdu a odporu. Ak viete v tejto rovnici nejaké dve veličiny, môžete usporiadať rovnicu tak, aby ste našli druhú kvantita, čo je užitočné pri riešení väčšiny problémov s elektronikou, s ktorými sa vo fyzike stretnete trieda.
Stojí za zmienku, že Ohmov zákon nie jevždyplatný, a ako taký nejde o „pravý“ fyzikálny zákon, ale o užitočnú aproximáciu pre to, čo sa nazývaohmicmateriálov. Lineárny vzťah, ktorý naznačuje medzi prúdom a napätím, neplatí pre veci, ako je napríklad vlákno žiarovka, kde zvýšenie teploty spôsobí zvýšenie odporu a tým zasiahne lineárnu vzťah. Vo väčšine prípadov (a určite vo väčšine problémov s fyzikou, ktoré sa vás budú pýtať na napätie a elektrický prúd) sa však dá problém bez problémov použiť.
Ohmov zákon pre moc
Ohmov zákon sa primárne používa na spájanie napätia s prúdom a odporom; existuje však rozšírenie zákona, ktoré vám umožňuje používať rovnaké veličiny na výpočet elektrického výkonu rozptýleného v obvode, kde je výkonPje rýchlosť prenosu energie vo wattoch (kde 1 W = 1 J / s). Najjednoduchšia forma tejto rovnice je:
P = IV
Slovom, výkon sa rovná prúdu vynásobenému napätím. Toto je teda kľúčová oblasť, v ktorej sú rozdiel napätia a elektrický prúd podobné: Oba majú priamy proporčný vzťah s výkonom rozptýleným v obvode. Ak nepoznáte prúd, môžete použiť nové usporiadanie Ohmovho zákona (I = V / R) na vyjadrenie moci ako:
\ begin {zarovnané} P & = \ frac {V} {R} × V \\ & = \ frac {V ^ 2} {R} \ end {zarovnané}
Alebo pomocou štandardnej formy Ohmovho zákona môžete nahradiť napätie a napísať:
P = I ^ 2R
Znovu usporiadaním týchto rovníc môžete tiež vyjadriť napätie, odpor alebo prúd z hľadiska výkonu a inej veličiny.
Kirchhoffove zákony o napätí a prúde
Kirchhoffove zákony sú dva z ďalších najdôležitejších zákonov pre elektrické obvody a sú obzvlášť užitočné pri analýze obvodu s viacerými komponentmi.
Prvý Kirchhoffov zákon sa niekedy nazýva súčasný zákon, pretože uvádza, že celkový prúd prúdiaci do križovatky sa rovná prúdu vytekajúcemu z neho - v podstate ten náboj je konzervované.
Druhý Kirchhoffov zákon sa nazýva zákon o napätí a uvádza sa v ňom, že pre každú uzavretú slučku v obvode sa musí súčet všetkých napätí rovnať nule. Podľa zákona o napätí považujete batériu za kladné napätie a poklesy napätia na ľubovoľnom komponente považujeme za záporné napätie.
V kombinácii s Ohmovým zákonom môžu byť tieto dva zákony použité na vyriešenie v podstate každého problému, s ktorým sa pravdepodobne stretnete, pri zapojení elektrických obvodov.
Napätie a prúd: Príklad výpočtu
Predstavte si, že máte obvod obsahujúci 12 V batériu a dva rezistory zapojené do série s odpormi 30 Ω a 15 Ω. Celkový odpor obvodu je daný súčtom týchto dvoch odporov, teda 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Upozorňujeme, že ak sú rezistory usporiadané paralelne, vzťah zahŕňa recipročné hodnoty, ale to nie je dôležité porozumenie vzťahu medzi rozdielom napätia a prúdom, takže tento jednoduchý príklad v súčasnosti postačí účely.
Aký elektrický prúd preteká obvodom? Skôr ako budete čítať ďalej, skúste sami použiť Ohmov zákon.
Nasledujúca forma Ohmovho zákona:
I = \ frac {V} {R}
Umožňuje vám vypočítať:
\ begin {zarovnané} I & = \ frac {12 \ text {V}} {45 \ text {Ω}} \\ & = 0,27 \ text {A} \ end {zarovnané}
Teraz, keď vieme prúd cez obvod, aký je pokles napätia na 15-Ω rezistore? Na riešenie tejto otázky možno použiť Ohmov zákon v štandardnej podobe. Vkladajú sa hodnoty zJa= 0,27 A aR= 15 Ω dáva:
\ begin {zarovnané} V & = IR \\ & = 0,27 \ text {A} × 15 \ text {Ω} \\ & = 4,05 \ text {V} \ end {zarovnané}
Na účely použitia Kirchhoffových zákonov to bude záporné napätie (t. J. Pokles napätia). Na záver môžete ukázať, že celkové napätie v uzavretej slučke sa bude rovnať nule? Pamätajte, že batéria má kladné napätie a všetky poklesy napätia sú záporné.