Spänning mot ström: Vad är likheterna och skillnaderna?

Om du är ny på elens fysik, villkor somSpänningochförstärkarekan nästan verka utbytbara baserat på hur de används. Men i verkligheten är de väldigt olika kvantiteter, även om de är nära kopplade till hur de arbetar tillsammans i en elektrisk krets, som beskrivs i Ohms lag.

Egentligen är "förstärkare" ett mått på elektrisk ström (som mäts iampere) och spänning är en term som betyder elektrisk potential (uppmätt ivolt), men om du inte har lärt dig detaljerna är det förståeligt att du kan få de två förvirrade med varandra.

För att förstå skillnaden - och aldrig blanda dem igen - behöver du bara en grundläggande grundfärg för vad de menar och hur de relaterar till en elektrisk krets.

Spänning är en annan term för den elektriska potentialskillnaden mellan två punkter, och den kan enkelt definieras som den elektriska potentialenergin per laddningsenhet.

Precis som gravitationspotential är den potentiella energi som ett objekt har på grund av sin position inom a gravitationsfält, elektrisk potential är den potentiella energi som ett laddat objekt har på grund av sin position i ett elektriskt fält. Spänning beskriver specifikt detta per enhet av elektrisk laddning, och så kan det skrivas:

VarVär spänningen,E​_el är den elektriska potentiella energin ochqär den elektriska laddningen. Eftersom enheten för elektrisk potentiell energi är joule (J) och enheten för elektrisk laddning är coulomb (C), spänningsenheten är volt (V), där 1 V = 1 J / C, eller i ord, en volt är lika med en joule per coulomb.

Detta säger att om du låter en laddning på 1 coulomb passera genom en potentialskillnad (dvs. en spänning) på 1 V, kommer den att få 1 J energi, eller omvänt, det tar en joule energi att flytta en laddningskulom genom en potentialskillnad på 1 V. Spänning kallas också iblandelektromotorisk kraft(EMF).

Spänningsskillnaden (eller potentialskillnaden) mellan två punkter, såsom på vardera sidan om ett element i en elektrisk krets, kan mätas genom att ansluta en voltmeter parallellt med det element du är intresserad av i. Som namnet antyder mäter en voltmeter spänningen mellan två punkter på kretsen, men när du använder en måste den vara anslutenparallelltför att undvika störningar i spänningsavläsningen eller skada på enheten.

Elektrisk ström, som ibland kallas strömstyrka (eftersom den har enheten för ampere), är flödeshastigheten för elektrisk laddning förbi en punkt i en krets. Den elektriska laddningen bärs av elektroner, de negativt laddade partiklarna som omger atomens kärna, så mängden ström berättar verkligen elektronernas flödeshastighet. En enkel matematisk definition av elektrisk ström är:

VarJagär strömmen (i ampere),qär den elektriska laddningen (i coulomb) ochtär den förflutna tiden (i sekunder). Som denna ekvation visar är definitionen av en ampere (A) 1 A = 1 C / s, eller ett flöde av en elektrisk laddning på 1 coulomb per sekund. När det gäller elektroner handlar det om 6,2 × 10¹⁸ elektroner (cirka sex miljarder miljarder) som flyter förbi referenspunkten per sekund för ett strömflöde på bara 1 A.

Ström kan mätas i en elektrisk krets genom att ansluta en amperemätare i serie - vilket betyder i huvudströmens väg - med sektionen av kretsen vill du mäta strömmen genom.

Om du fortfarande kämpar för att förstå rollerna spelar spänningsskillnaden och den elektriska strömmen inom en elektrisk krets bör en mycket använd analogi mellan el och vatten hjälpa till att klargöra saker. Två olika scenarier kan användas för att representera spänningen i en elektrisk krets: antingen ett vattenrör som rinner nerför en kulle eller en vattentank fylld med en utloppsrör i botten.

För vattenröret med ena änden på toppen av en kulle och den andra änden längst ner, bör din intuition berätta för dig att vatten skulle rinna genom den snabbare om kullen var högre och långsammare om den var lägre. För exempel på vattentanken, om det fanns två vattentankar fyllda till olika nivåer, skulle du förvänta dig den mer fyllda tanken för att släppa ut vatten från utloppet i en snabbare takt än den som fylls till en lägre nivå.

Oavsett om det är potentialen från höjden på kullen (på grund av gravitationspotentialen) eller potentialen skapas av vattentrycket i tanken, förmedlar båda dessa exempel ett nyckelfakta om spänning skillnader. Ju större potential, desto snabbare kommer vattnet (dvs. strömmen) att strömma.

Själva vattenflödet är analogt med elektrisk ström. Om du mätte vattnet som rinner förbi en enda punkt på röret per sekund är det som strömflödet i en krets, förutom med vatten istället för elektrisk laddning i form av elektroner. Så om allt annat är lika leder en hög spänning till en hög ström och tvärtom. Den sista delen av bilden är motstånd, vilket är analogt med friktionen mellan väggarna i röret och vattnet, eller en fysisk hinder placerad i röret som delvis blockerar vattnet flöde.

Som tabellen visar har elektrisk ström och spänning fler skillnader än vad de gör likheter, men det finns också vissa likheter. Den största skillnaden mellan de två är det faktum att de beskriver olika kvantiteter helt, så när du förstår grunderna i var och en är det osannolikt att du förvirrar dem med en annan.

Spänningsskillnad och elektrisk ström är direkt proportionella mot varandra i linje med Ohms lag, en av de viktigaste ekvationerna i fysiska kretsar. Ekvationen relaterar spänningen (dvs. potentialskillnaden som skapas av batteriet eller annan strömkälla) till strömmen i kretsen och motståndet mot strömflödet som skapas av komponenterna i krets.

Ohms lag säger:

VarVär spänningen,Jagär den elektriska strömmen ochRär motståndet (uppmätt i ohm, Ω). Av denna anledning kallas Ohms lag ibland för spännings-, ström- och motståndsekvationen. Om du känner till två kvantiteter i denna ekvation kan du ordna om ekvationen för att hitta den andra kvantitet, vilket gör det användbart för att lösa de flesta elektronikproblem som du stöter på i fysik klass.

Det är värt att notera att Ohms lag inte är detalltidgiltig, och som sådan är det inte en ”sann” fysiklag, utan en användbar approximation för vad som kallasohmiskmaterial. Det linjära förhållandet det innebär mellan ström och spänning håller inte för saker som en glödtråd glödlampa, där temperaturökningen orsakar en ökning av motståndet och därmed påverkar linjären relation. Men i de flesta fall (och säkert de flesta fysikproblem som du kommer att bli tillfrågad om spänning och elektrisk ström) kan den användas utan problem.

Ohms lag används främst för att relatera spänning till ström och motstånd; Det finns emellertid en utvidgning av lagen som låter dig använda samma kvantiteter för att beräkna den elektriska kraften som släpps ut i en krets, där kraftenPär energiöverföringshastigheten i watt (där 1 W = 1 J / s). Den enklaste formen av denna ekvation är:

Så med ord är kraften lika med ström multiplicerad med spänning. Därför är detta ett nyckelområde där spänningsskillnaden och den elektriska strömmen liknar varandra: De delar båda ett direkt proportionellt förhållande med den ström som försvinner i en krets. Om du inte känner till strömmen kan du använda en omordning av Ohms lag (I = V / R) för att uttrycka makt som:

Eller med hjälp av standardformen för Ohms lag kan du byta ut spänning och skriva:

Genom att ordna om dessa ekvationer kan du också uttrycka spänning, motstånd eller ström när det gäller effekt och en annan mängd.

Kirchhoffs lagar är två av de andra viktigaste lagarna för elektriska kretsar, och de är särskilt användbara när du analyserar en krets med flera komponenter.

Kirchhoffs första lag kallas ibland den nuvarande lagen, eftersom den anger att den totala strömmen att strömma in i en korsning är lika med strömmen som flyter ut ur den - i huvudsak är laddningen konserverad.

Kirchhoffs andra lag kallas spänningslagen och den säger att för alla slutna slingor i en krets måste summan av alla spänningar vara lika med noll. För spänningslagen behandlar du batteriet som en positiv spänning och behandlar spänningsfallet över alla komponenter som en negativ spänning.

I kombination med Ohms lag kan dessa två lagar användas för att lösa i princip alla problem som du sannolikt kommer att stöta på med elektriska kretsar.

Tänk dig att du har en krets som involverar ett 12-V batteri och två motstånd, seriekopplade, med motstånd på 30 Ω och 15 Ω. Det totala motståndet för kretsen ges av summan av dessa två motstånd, så 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Observera att när motstånd är ordnade parallellt innebär förhållandet ömsesidiga, men detta är inte viktigt för förstå förhållandet mellan spänningsskillnad och ström, så det här enkla exemplet räcker för närvarande syften.

Vad är den elektriska strömmen som flyter genom kretsen? Försök att tillämpa Ohms lag själv innan du läser vidare.

Följande form av Ohms lag:

Låter dig beräkna:

Nu, med vetskap om strömmen genom kretsen, vad är spänningsfallet över 15-Ω motståndet? Ohms lag i standardform kan användas för att ta itu med denna fråga. Infoga värdena förJag= 0,27 A ochR= 15 Ω ger:

För att använda Kirchhoffs lagar kommer detta att vara en negativ spänning (dvs. ett spänningsfall). Kan du som en slutövning visa att den totala spänningen runt den slutna slingan kommer att vara lika med noll? Kom ihåg att batteriet har en positiv spänning och att alla spänningsfall är negativa.