Če ste novi v fiziki elektrike, izrazi kotNapetostinojačevalnikise morda zdijo zamenljivi glede na način njihove uporabe. Toda v resnici gre za zelo različni količini, čeprav sta tesno povezani s tem, kako skupaj delujeta v električnem vezju, kot je opisano z Ohmovim zakonom.
Res so "ojačevalci" merilo električnega toka (ki se meri vamperov), napetost pa je izraz, ki pomeni električni potencial (merjen vvoltov), toda če se niste naučili podrobnosti, je razumljivo, da bi lahko oba zamenjala med seboj.
Če želite razumeti razliko - in jih nikoli več ne boste pomešali - potrebujete samo osnovni primer o tem, kaj pomenijo in kako so povezani z električnim vezjem.
Kaj je napetost?
Napetost je še en izraz za električno potencialno razliko med dvema točkama in jo lahko preprosto definiramo kot električno potencialno energijo na enoto naboja.
Tako kot je gravitacijski potencial potencialna energija, ki jo ima objekt zaradi svojega položaja znotraj gravitacijsko polje, električni potencial je potencialna energija, ki jo ima napolnjen predmet zaradi svojega položaja v električno polje. Napetost to posebej opisuje na enoto električnega naboja, zato jo lahko zapišemo:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
KjeVje napetost,Eel je električna potencialna energija inqje električni naboj. Ker je enota za električno potencialno energijo džul (J), enota za električni naboj pa je kulon (C), je enota napetosti volt (V), kjer je 1 V = 1 J / C, ali z besedami, en volt je enak džulu na coulomb.
To vam pove, da če dovolite, da naboj 1 coulomb prehaja skozi potencialno razliko (tj. Napetost) 1 V, bo pridobite 1 J energije ali obratno, za premik kulona naboja skozi potencialno razliko 1 bo potreben en džul energije V. Napetost se včasih imenuje tudielektromotorna sila(EMR).
Napetostna razlika (ali potencialna razlika) med dvema točkama, na primer na obeh straneh elementa v električni tokokrog, lahko izmerite tako, da vzporedno z elementom, ki vas zanima, priključite voltmeter v. Kot že ime pove, voltmeter meri napetost med dvema točkama na vezju, toda ko ga uporabljate, mora biti povezanvzporednoda se izognete motnjam pri odčitavanju napetosti ali poškodbi naprave.
Kaj je trenutno?
Električni tok, ki se včasih imenuje tudi amperaža (ker ima enoto ampera), je hitrost pretoka električnega naboja mimo točke v tokokrogu. Električni naboj nosijo elektroni, negativno nabiti delci, ki obdajajo jedro atoma, zato vam količina toka v resnici pove hitrost pretoka elektronov. Preprosta matematična definicija električnega toka je:
I = \ frac {q} {t}
Kjejazje tok (v amperih),qje električni naboj (v kulonih) intje pretečeni čas (v sekundah). Kot kaže ta enačba, je definicija ampera (A) 1 A = 1 C / s ali pretok električnega naboja 1 kulon na sekundo. Kar zadeva elektrone, je to približno 6,2 × 1018 elektroni (približno šest milijard milijard), ki tečejo mimo referenčne točke na sekundo za trenutni tok le 1 A.
Tok lahko izmerimo v električnem vezju tako, da zaporedno priključimo ampermeter - kar pomeni v pot glavnega toka - z odsekom vezja želite izmeriti količino toka skozi.
Pretok vode: analogija
Če se še vedno trudite razumeti vlogo, igrata napetostna razlika in električni tok v električnem krogu bi morala razjasniti široko uporabljena analogija med elektriko in vodo stvari. Za prikaz napetosti v električnem tokokrogu lahko uporabimo dva različna scenarija: bodisi vodovod, ki teče po hribu navzdol, bodisi rezervoar za vodo, napolnjen z izhodnim izlivom na dnu.
Za vodovodno cev z enim koncem na vrhu hriba in drugim koncem na dnu bi morala imeti vaša intuicija povem vam, da bi voda skoznjo tekla hitreje, če bi bil hrib višji in počasneje, če bi bil hrib nižji. Za primer rezervoarja za vodo bi pričakovali, če bi bila dva rezervoarja za vodo napolnjena do različnih ravni bolj napolnjen rezervoar za izpust vode iz iztoka hitreje kot tisti, napolnjen do nižjega ravni.
Ali gre za potencial z višine hriba (zaradi gravitacijskega potenciala) ali potencial oba primera ustvarjata tlak vode v rezervoarju in predstavljata ključno dejstvo o napetosti razlike. Večji kot je potencial, hitreje bo tekla voda (tj. Tok).
Sam pretok vode je analogen električnemu toku. Če ste izmerili vodo, ki teče mimo ene točke na cevi na sekundo, je to kot trenutni tok v tokokrogu, razen z vodo namesto električnega naboja v obliki elektronov. Torej, če je vse drugo enako, visoka napetost vodi do velikega toka in obratno. Končni del slike je upor, ki je analogen trenju med stenami cevi ali vode ali fizična ovira, nameščena v cevi, ki delno blokira vodo pretok.
Podobnosti in razlike
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {array} {c: c} \ text {Podobnosti} & \ text {Razlike} \\ \ hline \ hline \ text {Obe se nanašata na električna vezja} & \ text {Različne enote, napetost je izmerjeno v voltih, kjer je 1 V = 1 J / C} \\ & \ text {medtem ko je tok izmerjen v amperih, kjer je 1 A = 1 C / s} \\ \ hline \ text {Oba vplivata na to, koliko moči se razprši čez vezje element} & \ text {Tok je enakomerno porazdeljen v vseh komponentah, ko je zaporedoma} \\ & \ text {medtem ko se padec napetosti na komponentah lahko razlikuje} \\ \ hline \ text {Lahko sta oba izmenično polarnost (npr. izmenično} & \ text {Padec napetosti je enak v vseh} \\ \ text {trenutna ali izmenična napetost) ali neposredna polarnost} & \ text {komponent, ki so vzporedno povezane, medtem ko tok se razlikuje} \\ \ hline \ text {Sorazmerno so sorazmerni drug drugemu v skladu z Ohmovim zakonom} & \ text {Napetost proizvaja električno polje, tok pa magnetno polje} \\ \ hline & \ text {Napetost povzroča tok, medtem ko je tok učinek napetosti} \\ \ hline & \ text {Tok teče samo, ko je vezje končano, vendar napetostne razlike ostane} \ end {array}
Kot kaže tabela, imata električni tok in napetost več razlik kot podobnosti, vendar obstaja tudi nekaj podobnosti. Največja razlika med obema je dejstvo, da v celoti opisujeta različne količine, torej ko enkrat razumete osnove, kaj je vsak, jih verjetno ne boste zamenjali z enim drugo.
Razmerje med napetostjo in tokom
Napetostna razlika in električni tok sta v skladu z Ohmovim zakonom, ki je ena najpomembnejših enačb v fiziki električnih tokokrogov, sorazmerna med seboj. Enačba povezuje napetost (tj. Potencialno razliko, ki jo ustvari baterija ali drug vir energije) na tok v tokokrogu in upor proti toku toka, ki ga ustvarjajo sestavni deli vezje.
Ohmov zakon določa:
V = IR
KjeVje napetost,jazje električni tok inRje upor (izmerjen v ohmih, Ω). Iz tega razloga Ohmov zakon včasih imenujemo enačba napetosti, toka in upora. Če poznate kateri koli dve količini v tej enačbi, lahko enačbo preuredite tako, da poiščete drugo količina, zaradi česar je uporabna pri reševanju večine elektronskih problemov, s katerimi se boste srečali v fiziki razred.
Omeniti velja, da Ohmov zakon ninenehnoveljaven in kot tak ni "pravi" zakon fizike, ampak koristen približek za tako imenovanoohmičnomaterialov. Linearno razmerje, ki ga pomeni med tokom in napetostjo, ne velja za stvari, kot je žarilna nitka žarnica, kjer povišanje temperature povzroči povečanje upora in s tem vpliva na linearno razmerje. Vendar pa je v večini primerov (in zagotovo pri večini fizikalnih problemov, ki vas bodo vprašali, vključno z napetostjo in električnim tokom), brez težav uporabljen.
Ohmov zakon za moč
Ohmov zakon se uporablja predvsem za povezovanje napetosti s tokom in uporom; obstaja pa razširitev zakona, ki vam omogoča, da z enakimi količinami izračunate električno moč, ki se razprši v vezju, kjer je močPje hitrost prenosa energije v vatih (kjer je 1 W = 1 J / s). Najpreprostejša oblika te enačbe je:
P = IV
Torej z besedami je moč enaka toku, pomnoženemu z napetostjo. Zato je to ključno področje, na katerem sta napetostna razlika in električni tok podobna: oba imata sorazmerno razmerje z močjo, ki se odvaja v vezju. Če ne poznate toka, lahko s prerazporeditvijo Ohmovega zakona (I = V / R) izrazite moč kot:
\ začetek {poravnano} P & = \ frac {V} {R} × V \\ & = \ frac {V ^ 2} {R} \ konec {poravnano}
Ali pa s standardno obliko Ohmovega zakona lahko nadomestite napetost in zapišete:
P = I ^ 2R
S prerazporeditvijo teh enačb lahko izrazite napetost, upor ali tok tudi glede na moč in drugo količino.
Kirchhoffova napetostna in trenutna zakonodaja
Kirchhoffovi zakoni so še dva najpomembnejša zakona za električna vezja in so še posebej uporabna pri analiziranju vezja z več komponentami.
Kirchhoffov prvi zakon včasih imenujejo sedanji zakon, ker določa, da je skupni tok tok, ki teče v križišče, je enak toku, ki teče iz njega - v bistvu je naboj ohranjeno.
Kirchhoffov drugi zakon se imenuje napetostni zakon in določa, da mora biti za katero koli zaprto zanko v tokokrogu vsota vseh napetosti enaka nič. Za napetostni zakon baterijo obravnavate kot pozitivno napetost, padce napetosti na katerem koli sestavnem delu pa kot negativno napetost.
V kombinaciji z Ohmovim zakonom lahko ta dva zakona uporabimo za reševanje v bistvu vseh težav, s katerimi boste verjetno naleteli na električna vezja.
Napetost in tok: Primeri izračunov
Predstavljajte si, da imate vezje, ki vključuje 12-V baterijo in dva uporov, zaporedno povezana, z upori 30 Ω in 15 Ω. Skupni upor za vezje je podan vsoti teh dveh uporov, torej 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Upoštevajte, da kadar so upori razporejeni vzporedno, razmerje vključuje vzajemnosti, vendar to ni pomembno razumevanje razmerja med napetostno razliko in tokom, zato bo ta preprost primer za zdaj zadostoval namene.
Kakšen je električni tok, ki teče skozi vezje? Poskusite sami uporabiti Ohmov zakon, preden nadaljujete z branjem.
Naslednja oblika Ohmovega zakona:
I = \ frac {V} {R}
Omogoča izračun:
\ begin {align} I & = \ frac {12 \ text {V}} {45 \ text {Ω}} \\ & = 0,27 \ text {A} \ end {align}
Zdaj, ko poznamo tok skozi vezje, kakšen je padec napetosti na uporu 15 Ω? Za reševanje tega vprašanja lahko uporabimo Ohmov zakon v standardni obliki. Vstavljanje vrednostijaz= 0,27 A inR= 15 Ω daje:
\ začetek {poravnano} V & = IR \\ & = 0,27 \ besedilo {A} × 15 \ besedilo {Ω} \\ & = 4,05 \ besedilo {V} \ konec {poravnano}
Za namene uporabe Kirchhoffovih zakonov bo to negativna napetost (tj. Padec napetosti). Kot zaključno vajo lahko pokažete, da bo skupna napetost okoli zaprte zanke enaka nič? Ne pozabite, da ima baterija pozitivno napetost, vsi padci napetosti pa so negativni.