Якщо ви новачок у фізиці електрики, такі терміни, якНапругаіпідсилювачіможе здатися майже взаємозамінним залежно від способу їх використання. Але насправді це дуже різні величини, хоча вони тісно пов’язані між собою тим, як вони працюють разом в електричному ланцюзі, як це описано законом Ома.
Справді, "підсилювачі" - це міра електричного струму (який вимірюється вампер), а напруга - це термін, який означає електричний потенціал (виміряний ввольт), але якщо ви не дізналися подробиці, цілком зрозуміло, що ви можете переплутати цих двох.
Щоб зрозуміти різницю - і більше ніколи їх не змішувати - вам потрібен лише основний грунтовний матеріал про те, що вони означають і як вони пов’язані з електричним колом.
Що таке напруга?
Напруга - це ще один термін різниці електричних потенціалів між двома точками, і її можна просто визначити як електричну потенційну енергію на одиницю заряду.
Подібно до того, як гравітаційний потенціал - це потенційна енергія, яку об'єкт має в силу свого положення в межах гравітаційне поле, електричний потенціал - це потенційна енергія, яку має заряджений об'єкт в силу свого положення в електричне поле. Напруга конкретно описує це на одиницю електричного заряду, і тому його можна записати:
V = \ frac {E_ {el}} {q}
ДеV- напруга,Еел - електрична потенціальна енергія іq- це електричний заряд. Оскільки одиницею електричної потенціальної енергії є джоуль (J), а одиницею електричного заряду - кулон (C), одиницею напруги є вольт (V), де 1 V = 1 J / C, або словами, один вольт дорівнює одному джоулю на кулон.
Це говорить вам, що якщо ви дозволите заряду в 1 кулон пройти через різницю потенціалів (тобто напругу) 1 В, це буде отримати 1 Дж енергії, або навпаки, знадобиться один джоуль енергії, щоб перемістити кулон заряду через різницю потенціалів 1 В. Напруга також іноді називаютьелектрорушійна сила(ЕРС).
Різниця напруги (або різниця потенціалів) між двома точками, наприклад, з обох боків елемента в електричного кола, можна виміряти, підключивши вольтметр паралельно до цікавить вас елемента в. Як випливає з назви, вольтметр вимірює напругу між двома точками в ланцюзі, але коли ви використовуєте одну, вона повинна бути підключенапаралельнощоб уникнути перешкод при зчитуванні напруги або пошкодження пристрою.
Що таке струм?
Електричний струм, який іноді називають силою струму (оскільки він має одиницю ампера), - це швидкість потоку електричного заряду, що проходить через точку в ланцюзі. Електричний заряд несуть електрони, негативно заряджені частинки, які оточують ядро атома, тому кількість струму насправді говорить вам про швидкість потоку електронів. Просте математичне визначення електричного струму:
I = \ frac {q} {t}
ДеЯ- сила струму (в амперах),q- електричний заряд (у кулонах) іт- час, що минув (у секундах). Як показує це рівняння, визначення ампера (А) становить 1 А = 1 С / с, або потік електричного заряду в 1 кулон в секунду. Що стосується електронів, це приблизно 6,2 × 1018 електрони (близько шести мільярдів мільярдів), що протікають за контрольною точкою в секунду при поточному потоці всього 1 А.
Струм можна виміряти в електричному ланцюзі, послідовно підключивши амперметр - мається на увазі в шлях основного струму - за допомогою ділянки ланцюга потрібно виміряти величину струму через.
Потік води: аналогія
Якщо ви все ще намагаєтесь зрозуміти, яку роль відіграють різниця напруги та електричний струм в межах електричного кола широко зрозуміла аналогія між електрикою та водою повинна допомогти прояснити речі. Для представлення напруги в електричному контурі можна використовувати два різні сценарії: або водопровід, що проходить вниз з пагорба, або резервуар для води, заповнений вихідним носиком внизу.
Що стосується водопровідної труби з одним кінцем на вершині пагорба, а другим кінцем на дні, ваша інтуїція повинна скажу вам, що вода буде текти через нього швидше, якщо пагорб буде вище і повільніше, якщо він буде нижче. Для прикладу резервуара для води, якби було два резервуари для води, наповнені різними рівнями, ви б очікували більш заповнений резервуар для випуску води з випускного отвору швидше, ніж той, що заповнений до нижчого рівень.
Будь то потенціал з висоти пагорба (через гравітаційний потенціал) чи потенціал обидва ці приклади передають ключовий факт про напругу відмінності. Чим більше потенціал, тим швидше буде текти вода (тобто струм).
Сам потік води аналогічний електричному струму. Якщо ви вимірювали воду, що протікає за одну точку на трубі за секунду, це схоже на поточний потік в ланцюзі, за винятком води замість електричного заряду у вигляді електронів. Отже, якщо все інше рівне, висока напруга призводить до сильного струму, і навпаки. Кінцевою частиною картини є опір, який є аналогом тертя між стінками труба та вода, або фізична перешкода, розміщена в трубі, частково перекриває воду потік.
Подібності та відмінності
\ def \ arraystretch {1.5} \ begin {array} {c: c} \ text {Подібності} & \ text {Різниці} \\ \ hline \ hline \ text {Обидва стосуються електричних ланцюгів} & \ text {Різні блоки, напруга становить вимірюється у вольтах, де 1 V = 1 J / C} \\ & \ text {, а струм вимірюється в амперах, де 1 A = 1 C / s} \\ \ hline \ text {Обидва впливають на те, скільки потужності розсіюється по ланцюга element} & \ text {Струм рівномірно розподіляється у всіх компонентах, коли послідовно} \\ & \ text {при цьому падіння напруги на компонентах може відрізнятися} \\ \ hline \ text {Можуть обидва бути у змінному полярність (наприклад, змінна} & \ text {Падіння напруги дорівнює для всіх} \\ \ text {струм або змінна напруга) або пряма полярність} & \ text {компоненти, підключені паралельно, при цьому струм різниться} \\ \ hline \ text {Вони прямо пропорційні один одному відповідно до закону Ома} & \ text {Напруга створює електричне поле, тоді як струм створює магнітне поле} \\ \ hline & \ text {Напруга спричиняє струм, тоді як струм - це ефект напруги} \\ \ hline & \ text {Струм тече лише тоді, коли ланцюг завершений, але різниця напруг залишитися} \ end {масив}
Як видно з таблиці, електричний струм і напруга мають більше відмінностей, ніж подібності, але є й деякі подібності. Найбільша різниця між ними полягає в тому, що вони повністю описують різні величини, отже як тільки ви зрозумієте основи, що таке кожен, ви навряд чи зможете їх сплутати з одним інший.
Зв'язок між напругою та струмом
Різниця напруги та електричний струм прямо пропорційні один одному відповідно до закону Ома, одного з найважливіших рівнянь у фізиці електричних кіл. Рівняння стосується напруги (тобто різниці потенціалів, що створюється акумулятором або іншим джерелом живлення) до струму в ланцюзі та опору потоку струму, створюваного компонентами ланцюга.
Закон Ома говорить:
V = ІЧ
ДеV- напруга,Я- електричний струм іР- опір (вимірюється в Омах, Ом). З цієї причини закон Ома іноді називають рівнянням напруги, струму та опору. Якщо ви знаєте будь-які дві величини в цьому рівнянні, ви можете переставити рівняння, щоб знайти іншу кількість, що робить його корисним для вирішення більшості проблем електроніки, з якими ви стикаєтесь у фізиці клас.
Варто зазначити, що закон Ома - це не такзавждидійсний, і як такий, це не "справжній" закон фізики, а корисне наближення для того, що називаєтьсяомічнийматеріалів. Лінійний зв’язок, який він означає між струмом і напругою, не має значення для таких речей, як нитка розжарювання лампочка, де підвищення температури викликає збільшення опору і, отже, впливає на лінійну відносини. Однак у більшості випадків (і, звичайно, у більшості фізичних проблем, які вам будуть задані, пов’язані з напругою та електричним струмом), його можна використовувати без проблем.
Закон влади Ома
Закон Ома в основному використовується для співвідношення напруги зі струмом і опором; однак існує розширення закону, яке дозволяє використовувати однакові величини для розрахунку електричної потужності, що розсіюється в ланцюзі, де потужністьP- швидкість передачі енергії у ватах (де 1 Вт = 1 Дж / с). Найпростішою формою цього рівняння є:
Р = IV
Отже, словами, потужність дорівнює струму, помноженому на напругу. Отже, це ключова область, в якій різниця напруги та електричний струм схожі: вони обидва мають прямо пропорційне відношення до потужності, що розсіюється в ланцюзі. Якщо ви не знаєте струму, ви можете використати перестановку закону Ома (I = V / R), щоб виразити силу як:
\ begin {align} P & = \ frac {V} {R} × V \\ & = \ frac {V ^ 2} {R} \ end {align}
Або використовуючи стандартну форму закону Ома, ви можете замінити напругу і написати:
P = I ^ 2R
Переставивши ці рівняння, ви також можете виразити напругу, опір або струм у перерахунку на потужність та іншу величину.
Закони про напругу та поточні норми Кірхгофа
Закони Кірхгофа - це два інших найважливіших закони для електричних ланцюгів, і вони особливо корисні при аналізі схеми з декількома компонентами.
Перший закон Кірхгофа іноді називають чинним законом, оскільки він говорить, що загальний струм течія в перехід дорівнює струму, що витікає з нього - по суті, такий заряд і є збережений.
Другий закон Кірхгофа називається законом напруги, і він стверджує, що для будь-якого замкнутого контуру в ланцюзі сума всіх напруг повинна дорівнювати нулю. Для закону напруги ви вважаєте акумулятор позитивною напругою, а падіння напруги на будь-якому компоненті - негативною.
У поєднанні із законом Ома ці два закони можуть бути використані для вирішення по суті будь-якої проблеми, з якою ви, мабуть, зіткнетесь за участю електричних ланцюгів.
Напруга та сила струму: Приклади розрахунків
Уявіть, у вас є схема, що включає 12-В батарею і два резистори, з'єднані послідовно, з опорами 30 Ом і 15 Ом. Загальний опір для схеми визначається сумою цих двох опорів, отже, 30 Ом + 15 Ом = 45 Ом. Зверніть увагу, що коли паралельно розташовані резистори, взаємозв'язок включає взаємні взаємні відповіді, але це не важливо розуміння взаємозв'язку між різницею напруги та струмом, тому цього простого прикладу буде цілком достатньо цілі.
Який електричний струм протікає по ланцюгу? Спробуйте застосувати закон Ома самостійно, перш ніж читати далі.
Наступна форма закону Ома:
I = \ frac {V} {R}
Дозволяє розрахувати:
\ begin {align} I & = \ frac {12 \ text {V}} {45 \ text {Ω}} \\ & = 0,27 \ text {A} \ end {align}
Тепер, знаючи струм по ланцюгу, яке падіння напруги на резисторі 15 Ом? Для вирішення цього питання можна використовувати закон Ома у стандартній формі. Вставка значеньЯ= 0,27 А іР= 15 Ом дає:
\ begin {align} V & = IR \\ & = 0,27 \ text {A} × 15 \ text {Ω} \\ & = 4.05 \ text {V} \ end {align}
Для цілей використання законів Кірхгофа це буде від’ємна напруга (тобто падіння напруги). Як заключну вправу, чи можете ви показати, що загальна напруга навколо замкнутого циклу буде дорівнює нулю? Пам'ятайте, що акумулятор має позитивну напругу, і всі падіння напруги є негативними.
