Gerilim ve Akım: Benzerlikler ve Farklılıklar Nelerdir?

Elektrik fiziğinde yeniyseniz, aşağıdaki gibi terimler:Voltajveamperkullanılma biçimlerine bağlı olarak neredeyse birbirinin yerine kullanılabilir gibi görünebilir. Ama gerçekte, çok farklı niceliklerdir, ancak Ohm kanununda tanımlandığı gibi, bir elektrik devresinde birlikte nasıl çalıştıkları ile yakından bağlantılıdırlar.

Gerçekten, "amper" bir elektrik akımı ölçüsüdür (bu,amper) ve voltaj, elektrik potansiyeli anlamına gelen bir terimdir (ölçülenvolt), ancak detayları öğrenmediyseniz, ikisini birbiriyle karıştırabilmeniz anlaşılabilir.

Farkı anlamak ve onları bir daha asla karıştırmamak için, sadece bunların ne anlama geldiği ve bir elektrik devresiyle nasıl bir ilişkisi olduğu konusunda temel bir kaynağa ihtiyacınız var.

Voltaj, iki nokta arasındaki elektrik potansiyeli farkı için başka bir terimdir ve basitçe birim yük başına elektrik potansiyel enerjisi olarak tanımlanabilir.

Tıpkı yerçekimi potansiyelinin, bir nesnenin bir alandaki konumu nedeniyle sahip olduğu potansiyel enerji olması gibi. yerçekimi alanı, elektrik potansiyeli, yüklü bir cismin bir yerdeki konumundan dolayı sahip olduğu potansiyel enerjidir. Elektrik alanı. Voltaj bunu özellikle elektrik yükü birimi başına tanımlar ve bu nedenle şöyle yazılabilir:

NeredeVgerilimdir,E​_el elektrik potansiyel enerjisidir veqelektrik yüküdür. Elektrik potansiyel enerjisi birimi joule (J) ve elektrik yükü birimi coulomb olduğundan (C), voltajın birimi volttur (V), burada 1 V = 1 J/C, veya başka bir deyişle, bir volt, bir joule başına eşittir. kulomb.

Bu size, 1 Coulomb'luk bir yükün 1 V'luk bir potansiyel farktan (yani bir voltajdan) geçmesine izin verirseniz, bunun olacağını söyler. 1 J enerji kazanın veya tersine, bir coulomb yükü 1'lik bir potansiyel fark boyunca hareket ettirmek bir joule enerji alacaktır. V. Voltaj bazen şu şekilde de adlandırılır:elektrik hareket gücü(EMF).

Bir elemanın her iki tarafında olduğu gibi iki nokta arasındaki voltaj farkı (veya potansiyel farkı) bir elektrik devresi, ilgilendiğiniz elemana paralel bir voltmetre bağlayarak ölçülebilir içinde. Adından da anlaşılacağı gibi, bir voltmetre devredeki iki nokta arasındaki voltajı ölçer, ancak birini kullandığınızda bağlı olması gerekir.paralelVoltaj okumasında paraziti önlemek veya cihaza zarar vermemek için.

Bazen amper olarak adlandırılan elektrik akımı (birimi amper olduğundan), bir devrede bir noktadan geçen elektrik yükünün akış hızıdır. Elektrik yükü, bir atomun çekirdeğini çevreleyen negatif yüklü parçacıklar olan elektronlar tarafından taşınır, bu nedenle akım miktarı size gerçekten elektronların akış hızını söyler. Elektrik akımının basit bir matematiksel tanımı:

Neredebenakımdır (amper cinsinden),qelektrik yükü (coulomb cinsinden) vetgeçen süredir (saniye cinsinden). Bu denklemin gösterdiği gibi, bir amper (A) tanımı 1 A = 1 C/s'dir veya saniyede 1 coulomb'luk bir elektrik yükünün akışıdır. Elektronlar açısından, bu yaklaşık 6.2 × 10'dur.¹⁸ sadece 1 A'lık bir akım akışı için saniyede referans noktasından geçen elektronlar (yaklaşık altı milyar milyar).

Akım, bir ampermetreyi seri bağlayarak bir elektrik devresinde ölçülebilir - yani ana akımın yolu – akım miktarını ölçmek istediğiniz devre bölümü ile vasıtasıyla.

Voltaj farkının ve elektrik akımının oynadığı rolü hala anlamakta zorlanıyorsanız Bir elektrik devresi içinde, elektrik ve su arasında yaygın olarak kullanılan bir analoji, durumu netleştirmeye yardımcı olmalıdır. bir şeyler. Bir elektrik devresindeki voltajı temsil etmek için iki farklı senaryo kullanılabilir: ya bir tepeden aşağı inen bir su borusu ya da altta bir çıkış oluğu ile dolu bir su deposu.

Bir ucu tepenin üstünde, diğer ucu aşağıda olan nargile için sezginiz gerekir. Tepe daha yüksekse suyun içinden daha hızlı akacağını, tepenin daha alçaktaysa daha yavaş akacağını söyleyin. Su deposu örneği için, farklı seviyelerde doldurulmuş iki su deposu olsaydı, Daha fazla doldurulmuş tank, suyu çıkıştan daha hızlı bir şekilde boşaltmak için daha düşük bir seviyeye doldurulmuş olandan daha hızlı seviye.

Tepenin yüksekliğinden gelen potansiyel (yerçekimi potansiyeli nedeniyle) veya potansiyel tanktaki su basıncı tarafından yaratılan bu örneklerin her ikisi de voltaj hakkında önemli bir gerçeği ifade eder. farklılıklar. Potansiyel ne kadar büyük olursa, su (yani akım) o kadar hızlı akacaktır.

Suyun akışı elektrik akımına benzer. Saniyede borunun tek bir noktasından geçen suyu ölçtüyseniz, bu, elektron şeklindeki elektrik yükü yerine su hariç, bir devredeki akım akışına benzer. Yani, eğer her şey eşitse, yüksek bir voltaj, yüksek bir akıma yol açar ve bunun tersi de geçerlidir. Resmin son kısmı, duvarlar arasındaki sürtünmeye benzer olan dirençtir. boru ve su veya boruya yerleştirilen fiziksel bir engel, suyu kısmen bloke ediyor akış.

Tablonun gösterdiği gibi, elektrik akımı ve voltajı benzerliklerinden daha fazla farklılıklara sahiptir, ancak bazı benzerlikler de vardır. İkisi arasındaki en büyük fark, farklı miktarları tamamen tanımlamalarıdır. Her birinin ne olduğunun temellerini bir kez anladığınızda, onları bir tanesiyle karıştırmanız pek olası değildir. bir diğeri.

Voltaj farkı ve elektrik akımı, elektrik devreleri fiziğindeki en önemli denklemlerden biri olan Ohm kanunu doğrultusunda birbiriyle doğru orantılıdır. Denklem voltajı ilişkilendirir (yani, pil veya diğer güç kaynağı tarafından oluşturulan potansiyel fark) devredeki akıma ve devrenin bileşenleri tarafından oluşturulan akımın akışına karşı dirence devre.

Ohm yasası şunları belirtir:

NeredeVgerilimdir,benelektrik akımı ve$dirençtir (ohm, Ω cinsinden ölçülür). Bu nedenle Ohm yasasına bazen voltaj, akım ve direnç denklemi denir. Bu denklemdeki herhangi iki niceliği biliyorsanız, diğerini bulmak için denklemi yeniden düzenleyebilirsiniz. fizikte karşılaşacağınız çoğu elektronik problemin çözümünde faydalı kılan miktar sınıf.

Ohm yasasının olmadığını belirtmekte fayda var.her zamangeçerlidir ve bu nedenle "gerçek" bir fizik kanunu değildir, ancak ne denir için yararlı bir yaklaşımdır.ohmikmalzemeler. Akım ve voltaj arasında ima ettiği doğrusal ilişki, filament gibi şeyler için geçerli değildir. Ampul, sıcaklıktaki artışın dirençte bir artışa neden olduğu ve dolayısıyla doğrusallığı etkilediği ilişki. Bununla birlikte, çoğu durumda (ve kesinlikle çoğu fizik probleminde voltaj ve elektrik akımıyla ilgili sorulacak), sorunsuz bir şekilde kullanılabilir.

Ohm yasası öncelikle voltajı akım ve dirençle ilişkilendirmek için kullanılır; ancak, bir devrede harcanan elektrik gücünü hesaplamak için aynı miktarları kullanmanıza izin veren yasanın bir uzantısı vardır;Pwatt cinsinden enerji transfer oranıdır (1 W = 1 J/s). Bu denklemin en basit şekli şudur:

Yani kelimelerle, güç, gerilimle çarpılan akıma eşittir. Dolayısıyla bu, voltaj farkının ve elektrik akımının benzer olduğu kilit bir alandır: Her ikisi de bir devrede dağıtılan güç ile doğru orantılı bir ilişkiyi paylaşır. Akımı bilmiyorsanız, gücü şu şekilde ifade etmek için Ohm yasasının (I = V / R) yeniden düzenlenmesini kullanabilirsiniz:

Veya Ohm yasasının standart biçimini kullanarak voltajı değiştirebilir ve şunu yazabilirsiniz:

Bu denklemleri yeniden düzenleyerek, voltaj, direnç veya akımı güç ve başka bir miktar cinsinden de ifade edebilirsiniz.

Kirchhoff yasaları, elektrik devreleri için diğer en önemli yasalardan ikisidir ve özellikle birden çok bileşenli bir devreyi analiz ederken kullanışlıdır.

Kirchhoff'un birinci yasasına bazen akım yasası denir, çünkü toplam akımın bir kavşağa akan akım, ondan akan akıma eşittir - esasen bu yük korunmuş.

Kirchhoff'un ikinci yasasına voltaj yasası denir ve bir devredeki herhangi bir kapalı döngü için tüm voltajların toplamının sıfıra eşit olması gerektiğini belirtir. Voltaj yasası için, pili pozitif voltaj olarak kabul edersiniz ve herhangi bir bileşendeki voltaj düşüşlerini negatif voltaj olarak kabul edersiniz.

Ohm yasasıyla birlikte, bu iki yasa, elektrik devreleriyle ilgili karşılaşabileceğiniz herhangi bir sorunu çözmek için kullanılabilir.

12 V pil ve 30 Ω ve 15 Ω dirençli seri bağlı iki direnç içeren bir devreniz olduğunu hayal edin. Devrenin toplam direnci, bu iki direncin toplamı ile verilir, yani 30 Ω + 15 Ω = 45 Ω. Dirençler paralel olarak düzenlendiğinde, ilişkinin karşılıklı olduğunu unutmayın, ancak bu önemli değildir. voltaj farkı ve akım arasındaki ilişkiyi anlamak, bu nedenle bu basit örnek şimdilik yeterli olacaktır. amaçlar.

Devreden geçen elektrik akımı nedir? Okumaya devam etmeden önce Ohm yasasını kendiniz uygulamaya çalışın.

Ohm yasasının aşağıdaki formu:

Hesaplamanızı sağlar:

Şimdi, devreden geçen akımı bilerek, 15-Ω direnç üzerindeki voltaj düşüşü nedir? Ohm kanunu standart formda bu soruyu ele almak için kullanılabilir. değerlerinin eklenmesiben= 0.27 A ve$= 15 Ω verir:

Kirchhoff yasalarını kullanmak amacıyla, bu bir negatif voltaj olacaktır (yani bir voltaj düşüşü). Son bir alıştırma olarak, kapalı döngü etrafındaki toplam voltajın sıfıra eşit olacağını gösterebilir misiniz? Akünün pozitif bir voltajı olduğunu ve tüm voltaj düşüşlerinin negatif olduğunu unutmayın.