Ključna razlika – tok v primerjavi z napetostjo
V električnem polju na električne naboje vpliva sila, ki deluje nanje; tako je treba opraviti delo na nabitem delcu, da se premakne iz ene točke v električnem polju v drugo točko. To delo je opredeljeno kot razlika električnega potenciala med tema dvema točkama. Razlika električnega potenciala se imenuje tudi napetost med dvema točkama. Gibanje ali tok električnih nabojev pod vplivom potencialne razlike poznamo kot električni tok. Ključna razlika med tokom in napetostjo je, da tok vedno vključuje gibanje električnih nabojev pod električnim poljem, medtem ko napetost ne vključuje toka nabojev. Napetost se pojavi le zaradi obstoja neuravnoteženega naboja.
Kaj je napetost?
Ker ima atom enako število protonov in elektronov, je vsa stabilna snov v vesolju električno uravnotežena. Vendar pa imajo lahko pozitivno ali negativno nabiti delci več ali manj elektronov kot protoni zaradi zunanjih fizikalnih in kemičnih učinkov. Pod zbiranjem podobnih nabojev nastane električno polje, ki daje električni potencial ali napetost vsaki točki okoli sebe. Napetost lahko obravnavamo kot najbolj temeljno lastnost elektrike. Meri se v voltih (V) z voltmetrom.
Električni potencial v točki se vedno obravnava kot razlika med dvema točkama ali pa se na določeni točki upošteva napetost glede na neskončnost, kjer je potencial enak nič. Z vidika električnega tokokroga se zemlja šteje za ničelno potencialno točko; zato se napetost na vsaki točki vezja meri glede na zemljo (ali tla).
Napetost lahko nastane kot posledica številnih naravnih ali prisilnih pojavov. Strela je primer napetosti zaradi naravnega pojava; zaradi trenja se v oblaku pojavi več sto milijonov napetosti. V zelo majhnem obsegu baterija proizvaja napetost s kemično reakcijo, ki kopiči nabite ione na pozitivnem (anoda) in negativnem (katoda) koncu. Fotovoltaične celice, ki so vključene v sončne kolektorje, ustvarjajo napetost zaradi sproščanja elektronov iz polprevodniškega materiala, ki absorbira sončno svetlobo. Podoben učinek je mogoče opaziti pri fotodiodah, ki se uporabljajo v fotoaparatih za zaznavanje ravni svetlobe v okolju.
Kaj je tok?
Tok je tok nečesa, na primer morske vode ali atmosferskega zraka. V električnem kontekstu je tok električnih nabojev, najpogosteje tok elektronov skozi prevodnik, znan kot električni tok. Tok se meri v amperih (A) z ampermetrom. Amper je definiran kot kulon na sekundo in je sorazmeren napetostni razliki med dvema točkama, kjer tok teče.
Slika 01: Enostavno električno vezje
Kot je prikazano na sliki 01, ko tok teče skozi čisti upor R, je razmerje med napetostjo in tokom enako R. To je predstavljeno v Ohmovem zakonu, ki je podan kot:
V=I x R
Če se napetost dV spreminja na tuljavi, znani tudi kot induktor, se tok dI skozi tuljavo spreminja glede na:
dI=1/L∫dV dt
Tukaj je L induktivnost tuljave. To se zgodi, ker je tuljava odporna na spremembo napetosti na njej in proizvaja protinapetost.
V primeru kondenzatorja je sprememba toka preko njega dI naslednja:
dI=C (dV/dt)
Tukaj je C kapacitivnost. To je posledica praznjenja in polnjenja kondenzatorja glede na variacijo napetosti.
Slika 02: Flemingovo pravilo desne roke
Ko se prevodnik giblje čez magnetno polje, nastane tok in posledično napetost na prevodniku v skladu s Flemingovim pravilom desne roke.
To je osnova električnega generatorja, v katerem se niz prevodnikov hitro vrti po magnetnem polju. Kot je razloženo v prejšnjem razdelku, kopičenje nabojev povzroči napetost v bateriji. Ko žica poveže obe sponki, začne po žici teči tok, to pomeni, da se elektroni v žici premikajo zaradi napetostne razlike med sponkama. Večji kot je upor žice, večji je tok in hitreje se baterija izprazni. Podobno obremenitev z večjo porabo energije črpa večji tok iz napajanja. Na primer, 100 W sijalka, priključena na 230 V napajanje, lahko tok, ki ga porabi, izračuna kot:
P=V ×I
I=100W ÷230 V
I=0,434 A
Tukaj, ko je moč večja, bo poraba toka visoka.
Kakšna je razlika med napetostjo in tokom?
Napetost proti toku |
|
| Napetost je definirana kot razlika električne potencialne energije med dvema točkama v električnem polju. | Tok je definiran kot gibanje električnih nabojev pod razliko potencialne energije v električnem polju. |
| Pojav | |
| Napetost izstopa zaradi obstoja električnih nabojev. | Tok nastane s premikanjem nabojev. Ni toka s statičnim električnim nabojem. |
| Odvisnost | |
| Napetost lahko obstaja brez proizvajanja toka; na primer v baterijah. | Tok je vedno odvisen od napetosti, saj do toka naboja ne more priti brez potencialne razlike. |
| Meritev | |
| Napetost se meri v voltih. Vedno se meri glede na drugo točko, vsaj nevtralno zemljo. Zato je merjenje napetosti preprosto, saj tokokrog ni prekinjen za namestitev merilnih sponk. | Tok se meri v amperih in se meri na prevodniku. Merjenje toka je težje, ker je treba prevodnik prekiniti, da se namestijo merilne sponke, ali pa uporabiti sofisticirane vpenjalne ampermetre. |
Povzetek – Napetost v primerjavi s tokom
V električnem polju se potencialna razlika med katerima koli dvema točkama imenuje napetostna razlika. Za ustvarjanje toka mora vedno obstajati napetostna razlika. V viru napetosti, kot je fotocelica ali baterija, nastane napetost zaradi kopičenja nabojev na sponkah. Če te priključke povežemo z žico, začne teči tok zaradi napetostne razlike med priključkoma. Po Ohmovem zakonu se tok v prevodniku sorazmerno spreminja z napetostjo. Čeprav sta tok in napetost med seboj povezana z uporom, tok ne more obstajati brez napetosti. To je razlika med tokom in napetostjo.
