Kluczowa różnica – prąd vs napięcie
W polu elektrycznym na ładunki elektryczne oddziałuje siła; w związku z tym trzeba wykonać pracę na naładowanej cząstce, aby przemieścić się z jednego punktu pola elektrycznego do innego punktu. Praca ta jest zdefiniowana jako różnica potencjałów elektrycznych między tymi dwoma punktami. Różnica potencjałów elektrycznych jest również nazywana napięciem między dwoma punktami. Ruch lub przepływ ładunków elektrycznych pod wpływem różnicy potencjałów nazywany jest prądem elektrycznym. Kluczowa różnica między prądem a napięciem polega na tym, że prąd zawsze pociąga za sobą ruch ładunków elektrycznych w polu elektrycznym, podczas gdy napięcie nie pociąga za sobą przepływu ładunków. Napięcie występuje tylko z powodu istnienia niezrównoważonego ładunku.
Co to jest napięcie?
Ponieważ atom ma taką samą liczbę protonów i elektronów, cała stabilna materia we wszechświecie jest elektrycznie zrównoważona. Jednak dodatnio lub ujemnie naładowane cząstki mogą mieć więcej lub mniej elektronów niż protony ze względu na zewnętrzne efekty fizyczne i chemiczne. Pod nagromadzeniem podobnych ładunków powstaje pole elektryczne dające potencjał elektryczny lub napięcie każdemu punktowi wokół niego. Napięcie można traktować jako najbardziej podstawową właściwość w elektryczności. Jest mierzony w woltach (V) za pomocą woltomierza.
Potencjał elektryczny w punkcie jest zawsze traktowany jako różnica między dwoma punktami lub w określonym punkcie napięcie jest traktowane w odniesieniu do nieskończoności, gdzie potencjał wynosi zero. Z punktu widzenia obwodu elektrycznego ziemia jest uważana za punkt o zerowym potencjale; stąd napięcie w każdym punkcie obwodu jest mierzone w odniesieniu do ziemi (lub ziemi).
Napięcie może być wytwarzane w wyniku wielu zjawisk naturalnych lub wymuszonych. Błyskawica jest przykładem napięcia spowodowanego naturalnym zjawiskiem; setki milionów napięć występuje w chmurze z powodu tarcia. W bardzo małej skali bateria wytwarza napięcie w wyniku reakcji chemicznej, gromadząc naładowane jony na biegunach dodatnim (anoda) i ujemnym (katoda). Ogniwa fotowoltaiczne zawarte w panelach słonecznych generują napięcie w wyniku uwolnienia elektronów z materiału półprzewodnikowego pochłaniającego światło słoneczne. Podobny efekt można zaobserwować w fotodiodach stosowanych w kamerach do wykrywania poziomu światła otoczenia.
Co to jest prąd?
Prąd to przepływ czegoś, na przykład wody morskiej lub powietrza atmosferycznego. W kontekście elektrycznym przepływ ładunków elektrycznych, najczęściej przepływ elektronów przez przewodnik, jest znany jako prąd elektryczny. Prąd mierzony jest w amperach (A) za pomocą amperomierza. Amper jest definiowany jako kulomby na sekundę i jest proporcjonalny do różnicy napięć między dwoma punktami, w których płynie prąd.
Rysunek 01: Prosty obwód elektryczny
Jak pokazano na rysunku 01, gdy prąd przepływa przez czystą rezystancję R, stosunek napięcia do prądu jest równy R. Jest to wprowadzone w prawie Ohma, które jest podane jako:
V=I x R
Jeżeli napięcie dV zmienia się na cewce, zwanej również cewką indukcyjną, prąd dI płynący przez cewkę zmienia się zgodnie z:
dI=1/L∫dV dt
Tutaj L jest indukcyjnością cewki. Dzieje się tak, ponieważ cewka jest odporna na zmianę napięcia na niej i wytwarza przeciwnapięcie.
W przypadku kondensatora, zmiana prądu na nim dI jest następująca:
dI=C (dV/dt)
Tutaj C jest pojemnością. Wynika to z rozładowywania i ładowania kondensatora zgodnie ze zmianą napięcia.
Rysunek 02: Zasada prawej ręki Fleminga
Gdy przewodnik porusza się w polu magnetycznym, w przewodniku wytwarzany jest prąd, a następnie napięcie, zgodnie z regułą prawej ręki Fleminga.
To jest podstawa generatora elektrycznego, w którym szereg przewodników szybko obraca się w polu magnetycznym. Jak wyjaśniono w poprzedniej sekcji, akumulacja ładunków tworzy napięcie w akumulatorze. Kiedy przewód łączy dwa zaciski, prąd zaczyna płynąć wzdłuż przewodu, to znaczy elektrony w przewodzie poruszają się z powodu różnicy napięć między zaciskami. Większa rezystancja drutu, tym większy prąd i tym szybciej bateria się wyczerpuje. Podobnie, większe obciążenie pobiera wyższy prąd z zasilacza. Np. lampa 100W podłączona do zasilania 230V, pobierany przez nią prąd można obliczyć jako:
P=V ×I
I=100W ÷230 V
I=0,434 A
Tutaj, gdy moc jest wyższa, pobierany prąd będzie wysoki.
Jaka jest różnica między napięciem a prądem?
Napięcie a prąd |
|
| Napięcie jest definiowane jako różnica energii potencjału elektrycznego między dwoma punktami w polu elektrycznym. | Prąd definiuje się jako ruch ładunków elektrycznych pod wpływem różnicy energii potencjalnej w polu elektrycznym. |
| Wystąpienie | |
| Odpływy napięcia z powodu obecności ładunków elektrycznych. | Current jest wytwarzany z ruchem ładunków. Nie ma prądu ze statycznymi ładunkami elektrycznymi. |
| Zależność | |
| Napięcie może istnieć bez wytwarzania prądu; na przykład w bateriach. | Prąd zawsze zależy od napięcia, ponieważ przepływ ładunku nie może wystąpić bez różnicy potencjałów. |
| Pomiar | |
| Napięcie jest mierzone w woltach. Jest zawsze mierzony względem innego punktu, przynajmniej neutralnej ziemi. Dlatego pomiar napięcia jest łatwy, ponieważ obwód nie jest uszkodzony, aby umieścić zaciski pomiarowe. | Prąd jest mierzony w amperach i mierzony w poprzek przewodnika. Pomiar prądu jest trudniejszy, ponieważ przewód musi zostać przerwany, aby umieścić zaciski pomiarowe, lub należy użyć wyrafinowanych amperomierzy zaciskowych. |
Podsumowanie - napięcie vs prąd
W polu elektrycznym różnica potencjałów między dowolnymi dwoma punktami nazywana jest różnicą napięcia. Zawsze powinna istnieć różnica napięcia, aby wygenerować prąd. W źródle napięciowym, takim jak fotokomórka lub bateria, napięcie występuje z powodu nagromadzenia ładunków na zaciskach. Jeśli te zaciski są połączone przewodem, prąd zaczyna płynąć z powodu różnicy napięć między zaciskami. Zgodnie z prawem Ohma prąd w przewodniku zmienia się proporcjonalnie do napięcia. Chociaż prąd i napięcie są połączone rezystancją, prąd nie może istnieć bez napięcia. To jest różnica między prądem a napięciem.
