แรงดันและกระแส: ความเหมือนและความแตกต่างคืออะไร?

หากคุณยังใหม่ต่อฟิสิกส์ของไฟฟ้า คำศัพท์เช่นแรงดันไฟฟ้าและแอมป์อาจดูเหมือนใช้แทนกันได้เกือบตามวิธีการใช้งาน แต่ในความเป็นจริง พวกมันมีปริมาณต่างกันมาก แม้ว่าจะมีการเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดโดยการทำงานร่วมกันในวงจรไฟฟ้า ตามที่อธิบายโดยกฎของโอห์ม

จริงๆ แล้ว “แอมป์” เป็นหน่วยวัดกระแสไฟฟ้า (ซึ่งวัดเป็นแอมแปร์) และแรงดันไฟฟ้าเป็นคำที่หมายถึงศักย์ไฟฟ้า (วัดเป็นโวลต์) แต่ถ้าคุณไม่ได้เรียนรู้รายละเอียด เป็นที่เข้าใจได้ว่าคุณอาจทำให้ทั้งสองสับสนกันได้

เพื่อให้เข้าใจถึงความแตกต่าง - และไม่ต้องปะปนกันอีกต่อไป - คุณเพียงแค่ต้องมีไพรเมอร์พื้นฐานเกี่ยวกับความหมายและความเกี่ยวข้องกับวงจรไฟฟ้า

แรงดันไฟฟ้าเป็นอีกคำหนึ่งสำหรับความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุด และสามารถกำหนดได้ง่ายๆ ว่าเป็นพลังงานศักย์ไฟฟ้าต่อหน่วยประจุ

ศักย์โน้มถ่วงคือพลังงานศักย์ที่วัตถุมีโดยอาศัยตำแหน่งภายใน a. เช่นเดียวกัน สนามโน้มถ่วงศักย์ไฟฟ้าคือพลังงานศักย์ที่วัตถุมีประจุมีตามตำแหน่งใน สนามไฟฟ้า. แรงดันไฟฟ้าอธิบายสิ่งนี้โดยเฉพาะต่อหน่วยของประจุไฟฟ้า และสามารถเขียนได้:

ที่ไหนวีคือแรงดันไฟฟ้าอี​_เอล คือ พลังงานศักย์ไฟฟ้า และ

สิ่งนี้บอกคุณว่าหากคุณปล่อยให้ประจุ 1 คูลอมบ์ผ่านความต่างศักย์ (เช่น แรงดันไฟ) ที่ 1 V มันจะ ได้รับพลังงาน 1 จูล หรือในทางกลับกัน มันจะใช้พลังงานหนึ่งจูลเพื่อเคลื่อนคูลอมบ์ของประจุผ่านความต่างศักย์ที่ 1 วี แรงดันไฟฟ้าบางครั้งเรียกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้า(อีเอ็มเอฟ).

ความต่างศักย์ไฟฟ้า (หรือความต่างศักย์) ระหว่างจุดสองจุด เช่น ที่ด้านใดด้านหนึ่งขององค์ประกอบใน วงจรไฟฟ้าสามารถวัดได้โดยการเชื่อมต่อโวลต์มิเตอร์แบบขนานกับองค์ประกอบที่คุณสนใจ ใน. ตามชื่อเลย โวลต์มิเตอร์จะวัดแรงดันไฟระหว่างจุดสองจุดบนวงจร แต่เมื่อใช้งานจุดเดียวต้องต่อในแบบคู่ขนานเพื่อหลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวนการอ่านค่าแรงดันไฟฟ้าหรือความเสียหายต่ออุปกรณ์

กระแสไฟฟ้า ซึ่งบางครั้งเรียกว่าแอมแปร์ (เนื่องจากมีหน่วยของแอมแปร์) คืออัตราการไหลของประจุไฟฟ้าผ่านจุดหนึ่งในวงจร ประจุไฟฟ้าถูกนำพาโดยอิเล็กตรอน ซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุลบซึ่งล้อมรอบนิวเคลียสของอะตอม ดังนั้นปริมาณของกระแสไฟจึงบอกอัตราการไหลของอิเล็กตรอนได้อย่างแท้จริง คำจำกัดความทางคณิตศาสตร์อย่างง่ายของกระแสไฟฟ้าคือ:

ที่ไหนผมเป็นกระแส (ในหน่วยแอมแปร์)qคือประจุไฟฟ้า (ในคูลอมบ์) และtคือเวลาที่ผ่านไป (เป็นวินาที) ตามสมการนี้ คำจำกัดความของแอมแปร์ (A) คือ 1 A = 1 C/s หรือการไหลของประจุไฟฟ้า 1 คูลอมบ์ต่อวินาที ในแง่ของอิเล็กตรอน นี่คือประมาณ 6.2 × 10¹⁸ อิเล็กตรอน (ประมาณ 6 พันล้าน) ไหลผ่านจุดอ้างอิงต่อวินาทีสำหรับกระแสเพียง 1 A

สามารถวัดกระแสในวงจรไฟฟ้าได้โดยต่อแอมมิเตอร์แบบอนุกรม หมายถึง in เส้นทางของกระแสหลัก – ด้วยส่วนของวงจรที่คุณต้องการวัดปริมาณกระแส ผ่าน.

หากคุณยังคงพยายามทำความเข้าใจบทบาทของความต่างศักย์ไฟฟ้าและการเล่นกระแสไฟฟ้า ภายในวงจรไฟฟ้า การเปรียบเทียบที่ใช้กันอย่างแพร่หลายระหว่างไฟฟ้ากับน้ำน่าจะช่วยอธิบายได้ สิ่งของ สามารถใช้สถานการณ์ที่แตกต่างกันสองแบบเพื่อแสดงแรงดันไฟฟ้าในวงจรไฟฟ้า: ท่อน้ำที่ไหลลงเขา หรือถังเก็บน้ำที่เติมด้วยรางจ่ายน้ำที่ด้านล่าง

สำหรับท่อน้ำที่มีปลายด้านหนึ่งอยู่บนเนินเขาและปลายอีกด้านหนึ่งอยู่ด้านล่าง สัญชาตญาณของคุณควร your บอกคุณว่าน้ำจะไหลผ่านเร็วขึ้นหากเนินเขาสูงขึ้น และช้าลงหากเนินเขาต่ำลง สำหรับตัวอย่างถังเก็บน้ำ หากมีถังเก็บน้ำสองถังเต็มถึงระดับต่างๆ กัน ก็คงคาดไม่ถึง ถังที่เติมมากขึ้นเพื่อปล่อยน้ำออกจากทางออกในอัตราที่เร็วกว่าถังที่เติมลงไปที่ต่ำกว่า ระดับ

ไม่ว่าจะเป็นศักยภาพจากความสูงของเนิน (เนื่องจากศักย์โน้มถ่วง) หรือศักย์ไฟฟ้า ที่เกิดจากแรงดันน้ำในถัง ทั้งสองตัวอย่างนี้นำเสนอข้อเท็จจริงที่สำคัญเกี่ยวกับแรงดันไฟฟ้า ความแตกต่าง ยิ่งมีศักยภาพมากเท่าใด น้ำก็จะยิ่งไหลเร็วขึ้น (เช่น กระแสน้ำ)

การไหลของน้ำนั้นคล้ายคลึงกับกระแสไฟฟ้า หากคุณวัดน้ำที่ไหลผ่านจุดเดียวบนท่อต่อวินาที นี่จะเหมือนกับการไหลของกระแสในวงจร ยกเว้นน้ำที่มีประจุไฟฟ้าในรูปของอิเล็กตรอน ดังนั้นหากทุกอย่างเท่ากัน ไฟฟ้าแรงสูงจะนำไปสู่กระแสไฟสูงและในทางกลับกัน ส่วนสุดท้ายของภาพคือความต้านทาน ซึ่งคล้ายกับการเสียดสีระหว่างผนังของ ท่อและน้ำหรือสิ่งกีดขวางทางกายภาพที่วางอยู่ในท่อที่ปิดกั้นน้ำบางส่วน ไหล.

ตามตารางที่แสดง กระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้ามีความแตกต่างกันมากกว่าความคล้ายคลึงกัน แต่ก็มีความคล้ายคลึงกันบางประการเช่นกัน ความแตกต่างที่ใหญ่ที่สุดระหว่างทั้งสองคือการอธิบายปริมาณที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง ดังนั้น entirely เมื่อคุณเข้าใจพื้นฐานของแต่ละอย่างแล้ว คุณจะไม่สับสนกับมันอีก อื่น

ความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้าเป็นสัดส่วนโดยตรงต่อกันตามกฎของโอห์ม ซึ่งเป็นหนึ่งในสมการที่สำคัญที่สุดทางฟิสิกส์ของวงจรไฟฟ้า สมการนี้เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้า (เช่น ความต่างศักย์ที่เกิดจากแบตเตอรี่หรือแหล่งพลังงานอื่นๆ) ต่อกระแสในวงจรและความต้านทานกระแสที่เกิดจากส่วนประกอบของ components วงจร

กฎของโอห์มกล่าวว่า:

ที่ไหนวีคือแรงดันไฟฟ้าผมคือกระแสไฟฟ้าและRคือความต้านทาน (วัดเป็นโอห์ม, Ω) ด้วยเหตุผลนี้ บางครั้งกฎของโอห์มจึงเรียกว่าสมการแรงดัน กระแส และความต้านทาน ถ้าคุณรู้ปริมาณสองค่าใดๆ ในสมการนี้ คุณสามารถจัดเรียงสมการใหม่เพื่อหาค่าอื่นได้ ปริมาณ ซึ่งมีประโยชน์ในการแก้ปัญหาอิเล็กทรอนิกส์ส่วนใหญ่ที่คุณจะพบในวิชาฟิสิกส์ ชั้นเรียน

เป็นที่น่าสังเกตว่ากฎของโอห์มไม่ใช่เสมอถูกต้องและด้วยเหตุนี้จึงไม่ใช่กฎฟิสิกส์ "จริง" แต่เป็นการประมาณที่มีประโยชน์สำหรับสิ่งที่เรียกว่าโอห์มมิกวัสดุ ความสัมพันธ์เชิงเส้นที่บอกเป็นนัยระหว่างกระแสและแรงดันไม่ยึดติดสำหรับสิ่งต่างๆ เช่น ฟิลาเมนต์ กระเปาะซึ่งอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นทำให้เกิดความต้านทานเพิ่มขึ้นและส่งผลกระทบต่อเส้นตรง ความสัมพันธ์ อย่างไรก็ตาม ในกรณีส่วนใหญ่ (และแน่นอนว่าปัญหาทางฟิสิกส์ส่วนใหญ่ คุณจะถูกถามเกี่ยวกับแรงดันและกระแสไฟฟ้า) มันสามารถใช้ได้โดยไม่มีปัญหา

กฎของโอห์มใช้เป็นหลักในการสร้างความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันกับกระแสและความต้านทาน อย่างไรก็ตามมีการขยายกฎหมายที่อนุญาตให้คุณใช้ปริมาณเท่ากันในการคำนวณกำลังไฟฟ้าที่กระจายในวงจรที่มีกำลังพีคืออัตราการถ่ายโอนพลังงานในหน่วยวัตต์ (โดยที่ 1 W = 1 J/s) รูปแบบที่ง่ายที่สุดของสมการนี้คือ:

กล่าวได้ว่ากำลังเท่ากับกระแสคูณด้วยแรงดัน ดังนั้นนี่คือประเด็นสำคัญที่ความต่างศักย์และกระแสไฟฟ้ามีความคล้ายคลึงกัน: ทั้งสองมีความสัมพันธ์ตามสัดส่วนโดยตรงกับกำลังงานที่กระจายไปในวงจร หากคุณไม่ทราบกระแส คุณสามารถใช้การจัดเรียงกฎของโอห์มใหม่ (I = V / R) เพื่อแสดงกำลังดังนี้:

หรือใช้รูปแบบมาตรฐานของกฎของโอห์ม คุณสามารถแทนที่แรงดันไฟและเขียน:

เมื่อจัดเรียงสมการเหล่านี้ใหม่ คุณยังสามารถแสดงแรงดัน ความต้านทาน หรือกระแสในรูปของกำลังไฟฟ้าและปริมาณอื่นได้อีกด้วย

กฎของ Kirchhoff เป็นกฎที่สำคัญที่สุดอีกสองข้อสำหรับวงจรไฟฟ้า และมีประโยชน์อย่างยิ่งเมื่อคุณวิเคราะห์วงจรที่มีส่วนประกอบหลายอย่าง

กฎข้อที่หนึ่งของ Kirchhoff บางครั้งเรียกว่ากฎปัจจุบัน เพราะมันระบุว่ากระแสรวมทั้งหมด ไหลเข้าสู่ทางแยกเท่ากับกระแสที่ไหลออก – โดยพื้นฐานแล้วประจุนั้นเท่ากับ อนุรักษ์

กฎข้อที่สองของ Kirchhoff เรียกว่ากฎแรงดันไฟฟ้า และระบุว่าสำหรับวงปิดใดๆ ในวงจร ผลรวมของแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดจะต้องเท่ากับศูนย์ สำหรับกฎหมายว่าด้วยแรงดันไฟฟ้า คุณถือว่าแบตเตอรี่เป็นแรงดันไฟฟ้าบวก และปฏิบัติต่อแรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมส่วนประกอบใดๆ เป็นแรงดันไฟฟ้าเชิงลบ

เมื่อใช้ร่วมกับกฎของโอห์ม กฎทั้งสองนี้สามารถใช้เพื่อแก้ปัญหาใดๆ ก็ตามที่คุณน่าจะประสบเกี่ยวกับวงจรไฟฟ้า

ลองนึกภาพว่าคุณมีวงจรที่เกี่ยวข้องกับแบตเตอรี่ 12 โวลต์และตัวต้านทานสองตัวที่เชื่อมต่อแบบอนุกรม โดยมีความต้านทาน 30 Ω และ 15 Ω ความต้านทานรวมของวงจรคำนวณจากผลรวมของความต้านทานทั้งสองนี้ ดังนั้น 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω โปรดทราบว่าเมื่อมีการจัดเรียงตัวต้านทานแบบขนาน ความสัมพันธ์จะเกี่ยวข้องกับส่วนกลับ แต่สิ่งนี้ไม่สำคัญสำหรับ เข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างความต่างศักย์กับกระแส ดังนั้นตัวอย่างง่ายๆ นี้จะเพียงพอสำหรับปัจจุบัน วัตถุประสงค์

กระแสไฟฟ้าไหลผ่านวงจรคืออะไร? ลองใช้กฎของโอห์มด้วยตัวเองก่อนอ่านต่อ

รูปแบบต่อไปนี้ของกฎของโอห์ม:

ช่วยให้คุณคำนวณ:

ทีนี้ เมื่อรู้กระแสที่ไหลผ่านวงจรแล้ว แรงดันตกคร่อมตัวต้านทาน 15-Ω คืออะไร? กฎของโอห์มในรูปแบบมาตรฐานสามารถใช้เพื่อตอบคำถามนี้ได้ การใส่ค่าของผม= 0.27 A และR= 15 Ω ให้:

เพื่อวัตถุประสงค์ในการใช้กฎของ Kirchhoff ค่านี้จะเป็นแรงดันลบ (เช่น แรงดันตกคร่อม) ในแบบฝึกหัดสุดท้าย คุณสามารถแสดงได้หรือไม่ว่าแรงดันไฟฟ้าทั้งหมดรอบวงปิดจะเท่ากับศูนย์ โปรดจำไว้ว่าแบตเตอรี่มีแรงดันไฟฟ้าเป็นบวก และแรงดันไฟฟ้าตกทั้งหมดเป็นค่าลบ