Napetost: definicija, enačba, enote (z primeri)

Predstavljajte si, kako voda teče navzdol po sistemu cevi. Vaša intuicija bi vam morala povedati, kateri dejavniki bi vodili, da voda teče hitreje in kaj počasneje. Višji kot je hrib, hitrejši bo tok in več ovir bo v cevi, počasneje bo tekel.

To je vse posledica apotencialna razlika v energiji​ ​med vrhom hriba in dnom, ker ima voda na vrhu hriba gravitacijsko potencialno energijo in nobena do trenutka, ko pride na dno.

To je odlična analogija za elektrikoNapetost. Na enak način, kadar obstaja razlika električnega potenciala med dvema točkama električnega tokokroga, električni tok teče iz enega dela vezja v drugega.

Tako kot v primeru z vodo je potencialna razlika med obema točkama (ustvarjena z razdelitvijo električnega naboja) tista, ki ustvarja trenutni tok. Seveda imajo fiziki natančnejše definicije od tega, učenje enačb, kot je Ohmov zakon, pa vam omogoča boljše razumevanje napetosti.

Napetost je ime razlike med električno potencialno energijo med dvema točkama in je opredeljeno kot električna potencialna energija na enoto naboja. Čeprav

Opredelitev lahko zapišemo matematično kot:

KjeVje potencialna razlika,E​_el je električna potencialna energija (v džulih) inqje naboj (v kulonih). Iz tega bi lahko videli, da je 1 V = 1 J / C, kar pomeni, da je en volt definiran kot en džul na kulon (tj. Na enoto naboja). Včasih boste videliEuporablja se kot simbol za napetost, ker je drugi izraz za isto količino "elektromotorna sila" (EMF), vendar mnogi viri uporabljajoVda se ujema z vsakdanjo rabo izraza.

Volt je svoje ime dobil po italijanskem fiziku Alessandru Volti, ki je najbolj znan po tem, da je izumil prvo električno baterijo (imenovano "voltaični kup").

Vendar zgornja enačba ni najpogosteje uporabljena enačba za napetost, ker je večina ko boste naleteli na izraz, ki bo vključeval električni tokokrog in najbolj uporabno enačbo za to jeOhmov zakon. To povezuje napetost s trenutnim tokom v vezju in uporom proti toku toka iz žic in komponent vezja in ima obliko:

KjeVje potencialna razlika v voltih (V);jazje trenutni pretok s kratko enoto ampera ali ampera (A); inRje upornost v ohmih (Ω). Ta enačba na prvi pogled pove, da pri enakem uporu višje napetosti povzročajo večje tokove (analogno povečanju višine v isti uvodni točki) in za enako napetost se tok zmanjša za večje odpornosti (analogno oviram cevi v primer). Če napetostne razlike ni, tok ne bo tekel.

Različni sestavni deli vezja bodo imeli različnepadci napetostičez njih in z Ohmovim zakonom lahko ugotovite, kakšni bodo. V skladu s Kirchhoffovim napetostnim zakonom pavsota padcev napetosti okoli katere koli celotne zanke v tokokrogu mora biti enaka nič​.

Napetost na elementu v električnem tokokrogu lahko izmerimo z voltmetrom ali multimetrom, pri čemer slednji vsebuje voltmeter, pa tudi druga orodja, kot je ampermeter (za merjenje toka). Voltmeter priključite vzporedno čez merjeni element, da določite padec napetosti med obema točkama - nikoli ga ne priključite zaporedno!

Analogni voltmetri delujejo z uporabo galvanometra (naprava za merjenje majhnih električnih tokov) v seriji z visoko ohmskim uporom, pri čemer galvanometer vsebuje tuljavo žice v magnetnem polju. Ko tok teče skozi žico, ustvari magnetno polje, ki sodeluje z obstoječim magnetno polje za vrtenje tuljave, ki nato premakne kazalec na napravi, da označi Napetost.

Ker je vrtenje tuljave sorazmerno s tokom, tok pa v zameno sorazmerno napetosti (po Ohmovem zakonu), bolj ko se tuljava vrti, večja je napetost med dve točki. To je bolj zapleteno, če merite izmenični in ne enosmerni tok, vendar to omogočajo tudi različni modeli.

Vzporedno morate priključiti voltmeter, ker imata dva elementa vezja vzporedno enako napetost. Voltmeter mora imeti visoko upornost, ker to preprečuje, da bi izvlekel prevelik tok iz glavnega vezja in s tem motil rezultat. Poleg tega voltmetri niso izdelani tako, da bi vlekli velike tokove, zato lahko, če ga priključite zaporedno, zlahka pokvarijo ali pregorejo varovalko.

Učenje dela z električnim potencialom vključuje učenje uporabe Ohmovega zakona in učenje uporabe Kirchhoffovega napetostnega zakona za določanje padcev napetosti na različnih elementih v vezju. Najenostavneje je uporabiti Ohmov zakon za celotno vezje.

Če vezje napaja 12-V baterija in ima skupno 70 ohmov upora, kakšen tok teče skozi tokokrog?

Tu preprosto morate preurediti Ohmov zakon, da ustvarite izraz za električni tok. Zakon določa:

Vse, kar morate storiti, je razdeliti obe strani zaRin obratno, da dobimo:

Vstavljanje vrednosti daje:

Torej je tok 0,1714 A ali 171,4 miliamper (mA).

Zdaj pa si predstavljajte, da je ta upor 70 Ω zaporedno razdeljen na tri različne upore z vrednostmi 20 Ω, 10 Ω in 40 Ω. Kakšen je padec napetosti na vsaki komponenti?

Spet lahko uporabite Ohmov zakon, da si ogledate vsako komponento po vrsti, pri čemer upoštevate skupni električni tok okoli vezja 0,1714 A. Uporaba V = IR za vsakega od treh uporov:

Za prvo:

Drugi:

In tretji:

Po Kirchhoffovem napetostnem zakonu bi morali ti trije padci napetosti seštevati do 12 V:

To je enako 12 V na dve decimalni mesti, rahlo odstopanje pa je posledica napak pri zaokroževanju.

V razpravi o tem, kako izmeriti napetost zgoraj, je bilo ugotovljeno, da so padci napetosti na vzporednih komponentah v tokokrogu enaki. To je razloženo zKirchhoffov napetostni zakon, ki določa, da mora biti vsota vseh napetosti (pozitivna napetost iz vira napajanja in napetost iz komponent) v zaprti zanki enaka nič​.

Za vzporedno vezje z več vejami lahko ustvarite takšno zanko, ki vključuje katero koli vzporedno vejo in baterijo. Ne glede na komponento na vsaki veji pade napetost na kateri koli vejimorazato mora biti enaka napetosti, ki jo zagotavlja baterija (zaradi enostavnosti ne upoštevamo možnosti drugih komponent v seriji). To velja za vse veje, zato bodo vzporedni sestavni deli vedno imeli enak padec napetosti.

Ohmov zakon se lahko razširi tudi na moč (P), ki je stopnja oskrbe z energijo v džulih na sekundo (vati,W), in izkaže se, da je P = IV.

Za komponento vezja, kot je žarnica, to kaže, da je moč, ki jo razprši (tj. Se spremeni v svetlobo), odvisna od napetosti na njej, pri čemer višje napetosti vodijo do večje izhodne moči. V skladu z razpravo o vzporednih komponentah v prejšnjem poglavju več vzporednih žarnic sveti svetleje kot enake razporejene žarnice zaporedno, ker polna napetost akumulatorja pade na vsaki žarnici, če je vzporedno priključena, medtem ko le tretjina pade, ko so priključene serije.