Уявіть, як вода тече вниз по системі труб. Ваша інтуїція повинна сказати вам, які фактори змусять воду текти швидше, а що повільніше. Чим вище пагорб, тим швидше буде струм, і чим більше перешкод у трубі, тим повільніше вона буде протікати.
Це все завдяки aрізниця потенціальних енергій між вершиною пагорба і дном, оскільки вода має гравітаційну потенційну енергію на вершині пагорба і жодної до того моменту, коли вона досягне дна.
Це чудова аналогія для електрикиНапруга. Таким же чином, коли існує різниця електричних потенціалів між двома точками електричного кола, електричний струм перетікає з однієї частини кола в іншу.
Як і у прикладі з водою, різниця потенційних енергій між двома точками (створювана розподілом електричного заряду) є тим, що створює поточний потік. Звичайно, фізики мають більш точні визначення, ніж це, і вивчення рівнянь, таких як закон Ома, дає вам краще розуміння напруги.
Визначення напруги
Напруга - це назва різниці електричних потенційних енергій між двома точками, і вона визначається як електрична потенціальна енергія на одиницю заряду. Хоча
електричний потенціалє більш точним терміном, той факт, що одиницею електричного потенціалу СІ є вольт (V), означає, що його зазвичай називають напруги, особливо коли люди говорять про різницю потенціалів між клемами акумулятора або іншими частинами батареї ланцюга.Визначення можна записати математично як:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
ДеV- різниця потенціалів,Еел - електрична потенціальна енергія (в джоулях) іq- заряд (у кулонах). З цього ви мали б бачити, що 1 V = 1 J / C, тобто один вольт визначається як один джоуль на кулон (тобто на одиницю заряду). Іноді ви побачитеЕвикористовується як символ напруги, оскільки інший термін для тієї ж величини - "електрорушійна сила" (ЕРС), але багато джерел використовуютьVвідповідно до повсякденного вживання цього терміна.
Вольт взяв свою назву від італійського фізика Алессандро Вольта, який відомий тим, що винайшов першу електричну батарею (так звану «вольтову купу»).
Рівняння напруги
Однак вищевказане рівняння не є найбільш часто використовуваним рівнянням напруги, оскільки більшість із них коли ви зустрінете термін, він буде включати електричну ланцюг і найбільш корисне рівняння для це єЗакон Ома. Це пов'язує напругу зі струмом струму в ланцюзі та опором струму струму від проводів та компонентів ланцюга і має вигляд:
V = ІЧ
ДеV- різниця потенціалів у вольтах (V);Я- поточний потік з короткою одиницею ампера або підсилювача (А); іР.- опір в Омах (Ом). З одного погляду це рівняння говорить вам, що при однаковому опорі вищі напруги виробляють вищі струми (аналогічно збільшенню висоти (при введенні) і при однаковій напрузі потік струму зменшується для більших опорів (аналогічно перешкодам трубам у приклад). Якщо різниці напруг немає, струм не буде протікати.
Різні компоненти схеми матимуть різніпадіння напругичерез них, і ви можете скористатися законом Ома, щоб визначити, якими вони будуть. Однак, згідно із законом напруги Кірхгофа,сума падіння напруги навколо будь-якого повного контуру в ланцюзі повинна дорівнювати нулю.
Як виміряти напругу в ланцюзі
Напругу на елементі електричного кола можна виміряти за допомогою вольтметра або мультиметра, причому останній містить вольтметр, а також інші інструменти, такі як амперметр (для вимірювання струму). Ви підключаєте вольтметр паралельно через вимірюваний елемент, щоб визначити падіння напруги між двома точками - ніколи не підключайте його послідовно!
Аналогові вольтметри працюють за допомогою гальванометра (приладу для вимірювання малих електричних струмів) послідовно з високоомним резистором, при цьому гальванометр містить котушку дроту в магнітному полі. Коли струм протікає по дроту, він створює магнітне поле, яке взаємодіє з існуючим магнітне поле, щоб змусити обертати котушку, яка потім рухає вказівник на приладі для позначення Напруга.
Оскільки обертання котушки пропорційне струму, а сила струму в свою чергу пропорційна напрузі (за законом Ома), чим більше обертається котушка, тим більша напруга між ними два моменти. Це складніше, якщо ви вимірюєте змінний, а не постійний струм, але різні конструкції роблять це можливим.
Вам потрібно підключити вольтметр паралельно, оскільки два елементи ланцюга паралельно мають однакову напругу на них. Вольтметр повинен мати високий опір, оскільки це заважає йому виводити занадто великий струм з основної схеми і тим самим заважати результату. Крім того, вольтметри не сконструйовані для витягування великих струмів, тому якщо ви підключаєте один послідовно, він може легко зламатися або перегорити запобіжник.
Приклади напруги
Навчання роботі з електричним потенціалом передбачає навчитися користуватися законом Ома та навчитися застосовувати закон напруги Кірхгофа для визначення падінь напруги на різних елементах кола. Найпростіше застосувати закон Ома до цілого кола.
Якщо ланцюг живиться від акумулятора 12 В і має загальний опір 70 Ом, який струм проходить через ланцюг?
Тут вам просто потрібно переставити закон Ома, щоб створити вираз для електричного струму. Закон передбачає:
V = ІЧ
Все, що вам потрібно зробити, це розділити обидві сторони наР.і назад, щоб отримати:
I = \ frac {V} {R}
Вставка значень дає:
\ begin {align} I & = \ frac {1 \ text {V}} {70 \ text {Ω}} \\ & = 0,1714 \ text {A} \ end {align}
Отже, сила струму становить 0,1714 А, або 171,4 міліампер (мА).
Але тепер уявіть, що цей опір 70 Ом розділений на три різні резистори послідовно, зі значеннями 20 Ом, 10 Ом і 40 Ом. Яке падіння напруги на кожному компоненті?
Знову ж таки, ви можете скористатися законом Ома, щоб по черзі розглянути кожен компонент, зазначивши загальний електричний струм навколо ланцюга 0,1714 А. Використовуючи V = IR для кожного з трьох резисторів по черзі:
Для першого:
\ begin {align} V_1 & = 0.1714 \ text {A} × 20 \ text {Ω} \\ & = 3.428 \ text {V} \ end {align}
Другий:
\ begin {align} V_2 & = 0.1714 \ text {A} × 10 \ text {Ω} \\ & = 1.714 \ text {V} \ end {align}
І третє:
\ begin {align} V_3 & = 0.1714 \ text {A} × 40 \ text {Ω} \\ & = 6.856 \ text {V} \ end {align}
Відповідно до закону напруги Кірхгофа ці три падіння напруги повинні додати до 12 В:
\ begin {align} V_1 + V_2 + V_3 & = 3.428 \ text {V} + 1.714 \ text {V} + 6.856 \ text {V} \\ & = 11.998 \ text {V} \ end {align}
Це дорівнює 12 В до двох знаків після коми, з невеликою невідповідністю через помилки округлення.
Падіння напруги на паралельних компонентах
Під час обговорення способу вимірювання напруги вище було зазначено, що падіння напруги на паралельних компонентах в ланцюзі однакові. Це пояснюєтьсяЗакон напруги Кірхгофа, який стверджує, що сума всіх напруг (додатна напруга від джерела живлення та падіння напруги від компонентів) у замкнутому контурі повинна дорівнювати нулю.
Для паралельної схеми з декількома гілками можна створити таку петлю, включаючи будь-яку з паралельних гілок та акумулятор. Незалежно від компонента на кожній гілці, падіння напруги на будь-якій гілціповинентому дорівнюйте напрузі, яку забезпечує акумулятор (ігноруючи можливість інших компонентів послідовно, для простоти). Це справедливо для всіх гілок, і тому паралельні компоненти завжди матимуть рівні перепади напруги на них.
Напруга та потужність в лампочках
Закон Ома також можна розширити, щоб стосуватися влади (P), що є швидкістю подачі енергії в джоулях за секунду (ват,W), і виявляється, що P = IV.
Для такого компонента ланцюга, як лампочка, це показує, що потужність, яку він розсіює (тобто перетворюється на світло), залежить від напруги на ній, при цьому вищі напруги ведуть до вищої вихідної потужності. Відповідно до обговорення паралельних компонентів у попередньому розділі, кілька лампочок, розташованих паралельно, світяться яскравіше, ніж однакові лампи послідовно, тому що повна напруга акумулятора падає на кожній лампочці при паралельному підключенні, тоді як лише третина з них це робить, коли вони підключені серії.