แรงดันไฟฟ้า: นิยาม สมการ หน่วย (w/ ตัวอย่าง)

ลองนึกภาพน้ำไหลลงเขาผ่านระบบท่อ สัญชาตญาณของคุณควรบอกคุณว่าอะไรที่ทำให้น้ำไหลเร็วขึ้นและอะไรจะทำให้น้ำไหลช้าลง ยิ่งเนินสูง กระแสน้ำก็จะยิ่งเร็วขึ้น และมีสิ่งกีดขวางในท่อมากก็จะไหลช้าลง

ทั้งหมดนี้เกิดจาก aความแตกต่างของพลังงานศักย์​ ​ระหว่างยอดดอยกับเบื้องล่างเนื่องจากน้ำมีพลังงานศักย์โน้มถ่วงอยู่ที่ด้านบนของเนินเขาและจะไม่มีเมื่อถึงด้านล่าง

นี่เป็นการเปรียบเทียบที่ดีสำหรับไฟฟ้าแรงดันไฟฟ้า. ในทำนองเดียวกัน เมื่อมีความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดบนวงจรไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะไหลจากส่วนหนึ่งของวงจรไปยังส่วนอื่น

เช่นเดียวกับในตัวอย่างน้ำ ความต่างของพลังงานศักย์ระหว่างจุดสองจุด (ที่เกิดจากการกระจายประจุไฟฟ้า) คือสิ่งที่สร้างกระแส แน่นอน นักฟิสิกส์มีคำจำกัดความที่แม่นยำกว่านี้ และการเรียนรู้สมการ เช่น กฎของโอห์ม จะช่วยให้คุณเข้าใจแรงดันไฟฟ้าได้ดีขึ้น

แรงดันไฟฟ้าเป็นชื่อที่กำหนดให้กับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุด และถูกกำหนดให้เป็นพลังงานศักย์ไฟฟ้าต่อหน่วยประจุ แม้ว่าศักย์ไฟฟ้าเป็นคำที่แม่นยำยิ่งขึ้น โดยหน่วย SI ของศักย์ไฟฟ้าคือโวลต์ (V) หมายความว่าโดยทั่วไปจะเรียกว่า โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อมีคนพูดถึงความต่างศักย์ระหว่างขั้วของแบตเตอรี่หรือส่วนอื่นๆ ของ a วงจร

คำจำกัดความสามารถเขียนทางคณิตศาสตร์ได้ดังนี้:

ที่ไหนวีคือความต่างศักย์อี​_เอล คือ พลังงานศักย์ไฟฟ้า (เป็นจูล) และqคือประจุ (ในคูลอมบ์) จากนี้ คุณควรจะเห็นได้ว่า 1 V = 1 J/C หมายความว่าหนึ่งโวลต์ถูกกำหนดเป็นหนึ่งจูลต่อคูลอมบ์ (เช่น ต่อหน่วยประจุ) บางครั้งคุณจะเห็น youอีที่ใช้เป็นสัญลักษณ์แสดงแรงดันไฟฟ้า เพราะอีกคำหนึ่งสำหรับปริมาณเดียวกันคือ “แรงเคลื่อนไฟฟ้า” (EMF) แต่หลายแหล่งใช้วีเพื่อให้ตรงกับการใช้คำศัพท์ในชีวิตประจำวัน

โวลต์ใช้ชื่อมาจากนักฟิสิกส์ชาวอิตาลี Alessandro Volta ซึ่งเป็นที่รู้จักกันเป็นอย่างดีในการประดิษฐ์แบตเตอรี่ไฟฟ้าก้อนแรก (เรียกว่า "กอง voltaic")

อย่างไรก็ตาม สมการข้างต้นไม่ใช่สมการที่ใช้กันมากที่สุดสำหรับแรงดันไฟฟ้า เนื่องจาก. ส่วนใหญ่ เวลาที่คุณพบเทอมนั้นจะเกี่ยวข้องกับวงจรไฟฟ้าและสมการที่มีประโยชน์ที่สุดสำหรับ นี่คือกฎของโอห์ม. สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้ากับกระแสในวงจรและความต้านทานการไหลของกระแสจากสายไฟและส่วนประกอบของวงจรและมีรูปแบบดังนี้:

ที่ไหนวีคือความต่างศักย์ในหน่วยโวลต์ (V);ผมคือกระแสไหล โดยมีหน่วยของแอมแปร์หรือแอมป์สั้น (A) และRคือ ความต้านทานมีหน่วยเป็นโอห์ม (Ω) โดยสรุป สมการนี้บอกคุณว่าสำหรับความต้านทานเท่ากัน แรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าจะสร้างกระแสที่สูงขึ้น (คล้ายกับการเพิ่มความสูงของ เนินเขาในเบื้องต้น) และสำหรับแรงดันเดียวกัน กระแสจะลดลงสำหรับความต้านทานที่สูงขึ้น (คล้ายกับสิ่งกีดขวางกับท่อใน ตัวอย่าง). หากไม่มีความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้า กระแสจะไม่ไหล

ส่วนประกอบต่าง ๆ ของวงจรก็จะมีความแตกต่างกันแรงดันตกข้ามพวกเขาและคุณสามารถใช้กฎของโอห์มเพื่อหาว่าจะเป็นอย่างไร ตามกฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoffผลรวมของแรงดันตกคร่อมวงสมบูรณ์ใดๆ ในวงจรต้องเท่ากับศูนย์​.

แรงดันไฟฟ้าข้ามองค์ประกอบในวงจรไฟฟ้าสามารถวัดได้โดยใช้โวลต์มิเตอร์หรือมัลติมิเตอร์ โดยที่แรงดันไฟหลังมีโวลต์มิเตอร์แต่ยังมีเครื่องมืออื่นๆ เช่น แอมมิเตอร์ (เพื่อวัดกระแส) คุณเชื่อมต่อโวลต์มิเตอร์แบบขนานทั่วทั้งองค์ประกอบที่กำลังวัดเพื่อกำหนดแรงดันตกคร่อมระหว่างจุดสองจุด - อย่าเชื่อมต่อเป็นอนุกรม

โวลต์มิเตอร์แบบแอนะล็อกทำงานโดยใช้กัลวาโนมิเตอร์ (อุปกรณ์สำหรับวัดกระแสไฟฟ้าขนาดเล็ก) แบบอนุกรมที่มีตัวต้านทานโอห์มสูง โดยมีกัลวาโนมิเตอร์ที่มีขดลวดอยู่ในสนามแม่เหล็ก เมื่อกระแสไหลผ่านเส้นลวด จะทำให้เกิดสนามแม่เหล็กซึ่งทำปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กที่มีอยู่ สนามแม่เหล็กเพื่อให้ขดลวดหมุนซึ่งจะเลื่อนตัวชี้บนอุปกรณ์เพื่อระบุ indicate แรงดันไฟฟ้า.

เพราะการหมุนของคอยล์เป็นสัดส่วนกับกระแส และกระแสก็ในทางกลับกัน ตามสัดส่วนของแรงดันไฟ (ตามกฎของโอห์ม) ยิ่งคอยล์หมุนมากเท่าใด แรงดันไฟระหว่าง biggerก็จะยิ่งมากขึ้น ทั้งสองจุด สิ่งนี้ซับซ้อนกว่าหากคุณกำลังวัดกระแสสลับมากกว่ากระแสตรง แต่การออกแบบที่แตกต่างกันทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้เช่นกัน

คุณต้องเชื่อมต่อโวลต์มิเตอร์แบบขนานเนื่องจากองค์ประกอบวงจรสองวงจรขนานกันมีแรงดันไฟฟ้าเท่ากัน โวลต์มิเตอร์ต้องมีความต้านทานสูงเพราะจะป้องกันไม่ให้ดึงกระแสไฟขนาดใหญ่เกินไปจากวงจรหลักและด้วยเหตุนี้จึงรบกวนผลลัพธ์ นอกจากนี้ โวลต์มิเตอร์ไม่ได้สร้างขึ้นเพื่อดึงกระแสขนาดใหญ่ ดังนั้น หากคุณต่อหนึ่งชุดต่ออนุกรม ฟิวส์อาจแตกหรือเป่าได้ง่าย

การเรียนรู้การทำงานด้วยศักย์ไฟฟ้าเกี่ยวข้องกับการเรียนรู้การใช้กฎของโอห์มและการเรียนรู้ที่จะใช้กฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff เพื่อกำหนดแรงดันตกคร่อมองค์ประกอบต่างๆ ในวงจร สิ่งที่ง่ายที่สุดที่จะทำคือใช้กฎของโอห์มกับวงจรทั้งหมด

ถ้าวงจรขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่ขนาด 12 โวลต์ และมีความต้านทานรวม 70 โอห์ม กระแสที่ไหลผ่านวงจรจะเป็นเท่าใด

ที่นี่ คุณเพียงแค่ต้องจัดกฎของโอห์มใหม่เพื่อสร้างนิพจน์สำหรับกระแสไฟฟ้า กฎหมายระบุว่า:

สิ่งที่คุณต้องทำคือหารทั้งสองข้างด้วยRและย้อนกลับเพื่อรับ:

การใส่ค่าจะทำให้:

ดังนั้นกระแสคือ 0.1714 A หรือ 171.4 มิลลิแอมป์ (mA)

แต่ตอนนี้ ลองจินตนาการว่าความต้านทาน 70 Ω นี้แบ่งออกเป็นตัวต้านทานที่แตกต่างกันสามตัวในซีรีย์ โดยมีค่า 20 Ω, 10 Ω และ 40 Ω แรงดันตกคร่อมแต่ละส่วนประกอบคืออะไร?

อีกครั้ง คุณสามารถใช้กฎของโอห์มเพื่อดูแต่ละส่วนประกอบได้ โดยสังเกตกระแสไฟฟ้าโดยรวมรอบวงจรที่ 0.1714 A ใช้ V = IR สำหรับแต่ละตัวต้านทานสามตัวในทางกลับกัน:

สำหรับครั้งแรก:

ที่สอง:

และที่สาม:

ตามกฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff แรงดันตกทั้งสามนี้ควรรวมกันเป็น 12 V:

ซึ่งเท่ากับ 12 V ถึงทศนิยมสองตำแหน่ง โดยมีความคลาดเคลื่อนเล็กน้อยเนื่องจากข้อผิดพลาดในการปัดเศษ

ในการอภิปรายเกี่ยวกับวิธีการวัดแรงดันไฟข้างต้น พบว่าแรงดันตกคร่อมส่วนประกอบคู่ขนานในวงจรจะเหมือนกัน นี่คือคำอธิบายโดยกฎแรงดันไฟฟ้าของ Kirchhoff ซึ่งระบุว่าผลรวมของแรงดันไฟฟ้าทั้งหมด (แรงดันบวกจากแหล่งพลังงานและแรงดันตกจากส่วนประกอบ) ในวงปิดจะต้องเท่ากับศูนย์​.

สำหรับวงจรขนานที่มีหลายกิ่งก้าน คุณสามารถสร้างลูปดังกล่าวได้ ซึ่งรวมถึงกิ่งขนานอันใดอันหนึ่งและแบตเตอรี แรงดันตกคร่อมสาขาใดๆ โดยไม่คำนึงถึงส่วนประกอบในแต่ละสาขาต้องดังนั้นจะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่แบตเตอรี่ให้มา (โดยไม่สนใจความเป็นไปได้ของส่วนประกอบอื่น ๆ ในซีรีย์เพื่อความเรียบง่าย) สิ่งนี้เป็นจริงสำหรับทุกสาขา ดังนั้นส่วนประกอบแบบขนานมักจะมีแรงดันตกคร่อมเท่ากันเสมอ

กฎของโอห์มสามารถขยายให้สัมพันธ์กับกำลัง (พี) ซึ่งเป็นอัตราการจ่ายพลังงานเป็นจูลต่อวินาที (วัตต์W) และปรากฎว่า P = IV

สำหรับส่วนประกอบวงจร เช่น หลอดไฟ แสดงว่ากำลังที่จ่ายไป (เช่น เปลี่ยนเป็นแสง) ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าที่ส่งผ่าน โดยแรงดันไฟที่สูงกว่าจะทำให้มีกำลังส่งสูงขึ้น ตามการอภิปรายของส่วนประกอบคู่ขนานในหัวข้อที่แล้ว หลอดไฟหลายดวงถูกจัดเรียงแบบเรืองแสงคู่ขนานที่สว่างกว่าหลอดไฟแบบเดียวกันที่จัดวาง แบบอนุกรม เนื่องจากแรงดันไฟแบตเตอรี่เต็มจะลดลงในหลอดไฟแต่ละดวงเมื่อเชื่อมต่อแบบขนาน ในขณะที่เพียงหนึ่งในสามของหลอดไฟจะลดลงเมื่อต่อเข้าด้วยกัน ชุด.