Tegangan listrik.
Perbedaan potensial. Tegangan.

Topik: apa itu tegangan listrik dan beda potensial.

Mungkin salah satu ungkapan yang paling sering digunakan di kalangan ahli listrik adalah konsep tegangan listrik. Disebut juga beda potensial dan ungkapan yang kurang tepat seperti tegangan arus, nah, arti namanya pada dasarnya umum. Apa sebenarnya arti konsep ini? Mungkin sebagai permulaan saya akan memberikan rumusan bukunya: tegangan listrik - itu adalah sikap kerja Medan listrik biaya saat mentransfer biaya tes dari titik 1 ke titik 2. baik dan dengan kata-kata sederhana ngomong-ngomong, dijelaskan seperti ini.

Izinkan saya mengingatkan Anda bahwa ada dua jenis muatan: positif dengan tanda “+” dan negatif dengan tanda “-”. Sebagian besar dari kita sebagai anak-anak bermain dengan magnet, yang sejujurnya diperoleh dari mobil rusak lain yang bermotor listrik, tempat mereka berdiri. Jadi, ketika kita mencoba mendekatkan magnet-magnet ini satu sama lain, dalam satu kasus mereka akan tertarik, dan jika kita memutar salah satu dari mereka ke arah lain, mereka akan menolaknya.

Hal ini terjadi karena setiap magnet mempunyai dua kutub, yaitu selatan dan utara. Jika kutub-kutubnya sama maka magnet akan tolak-menolak, tetapi jika kutub-kutubnya berlawanan maka akan tarik-menarik. Hal yang sama terjadi dengan muatan listrik, dan kekuatan interaksi bergantung pada jumlah dan keragaman partikel bermuatan tersebut. Sederhananya, semakin banyak “plus” pada satu objek dan “minus” pada objek lain, semakin kuat pula gaya tarik-menariknya satu sama lain. Atau sebaliknya, dorong kapan biaya yang sama(+ dan + atau - dan -).

Sekarang bayangkan kita mempunyai dua bola besi kecil. Jika Anda melihatnya secara mental, Anda dapat melihat sejumlah besar partikel kecil yang terletak pada jarak yang dekat satu sama lain dan tidak mampu bergerak bebas; inilah inti materi kita. Di sekitar partikel-partikel ini dengan luar biasa kecepatan tinggi partikel yang lebih kecil berputar, disebut elektron. Mereka dapat melepaskan diri dari beberapa inti dan bergabung dengan inti lainnya, sehingga menyebar ke seluruh bola besi. Jika jumlah elektron sesuai dengan jumlah proton dalam inti, maka bola tersebut netral secara listrik.

Tetapi jika Anda entah bagaimana mengambil sejumlah tertentu, bola seperti itu akan berusaha menarik jumlah elektron yang sangat hilang ini ke dirinya sendiri, sehingga terbentuk di sekelilingnya. bidang positif dengan tanda "+". Semakin banyak elektron yang hilang, maka akan semakin kuat bidang positif. Pada bola berikutnya kita akan melakukan kebalikannya dan menambahkan elektron ekstra. Hasilnya, kita mendapatkan kelebihan dan, karenanya, sama saja Medan listrik, tetapi dengan tanda “-”.

Hasilnya, kita memperoleh dua potensi, yang satu ingin menerima elektron, dan yang lain melepaskannya. Dalam bola yang berlebih, terjadi crowding dan partikel-partikel ini, yang disekitarnya terdapat medan, saling mendorong dan mendorong keluar dari bola. Dan ketika ada kekurangan dari mereka, sesuatu seperti kekosongan terjadi, yang mencoba untuk menarik hal-hal tersebut ke dalam dirinya sendiri. elektron. Ini adalah contoh nyata dari perbedaan potensial dan tidak lebih dari tegangan di antara keduanya. Namun, begitu bola-bola besi ini saling terhubung, akan terjadi pertukaran dan ketegangan akan hilang, karena netralitas akan terbentuk.

Secara kasar, gaya kecenderungan partikel bermuatan untuk berpindah dari bagian yang lebih bermuatan ke bagian yang bermuatan lebih kecil di antara dua titik akan menjadi beda potensial. Bayangkan secara mental kabel yang dihubungkan ke baterai dari senter biasa. Hal ini terjadi pada baterai itu sendiri reaksi kimia, akibatnya terjadi kelebihan elektron (“-”), di dalam baterai mereka didorong ke terminal negatif. Elektron-elektron ini berusaha untuk kembali ke tempatnya semula dari tempat mereka sebelumnya diusir.

Mereka tidak bisa melakukannya di dalam baterai, jadi mereka hanya perlu menunggu saat mereka akan membuat jembatan dalam bentuk konduktor listrik dan sepanjang itu mereka akan segera berlari ke terminal positif baterai, tempat mereka tertarik. Dan meski tidak ada jembatan, akan ada keinginan untuk menyeberang dalam bentuk ini tegangan listrik atau perbedaan potensial(tegangan).

Saya akan memberikan beberapa contoh serupa dalam representasi yang berbeda. Ada keran air biasa. Keran ditutup sehingga air tidak keluar, tetapi masih ada air di dalamnya dan terlebih lagi ada tekanan di sana, karena tekanan ini cenderung keluar, tetapi keran yang tertutup menghalanginya. Dan begitu Anda memutar pegangan keran, air akan langsung mengalir. Jadi tekanan ini secara kasar dapat dibandingkan dengan tegangan, dan air dapat dibandingkan dengan partikel bermuatan. Aliran airnya sendiri akan masuk dalam contoh ini bertindak sebagai listrik di kabel itu sendiri, dan keran yang tertutup berperan saklar listrik. Saya memberikan contoh ini hanya untuk kejelasan, dan ini bukanlah analogi yang lengkap!

Anehnya, orang yang tidak terlalu dekat dengan profesi tukang listrik sering menyebut tegangan listrik , ekspresi adalah tegangan arus dan ini adalah rumusan yang salah, karena tegangan, seperti yang kita ketahui, adalah beda potensial muatan listrik, dan arus adalah aliran partikel bermuatan itu sendiri. Dan ternyata saat mengucapkan tegangan arus, terdapat sedikit perbedaan pada konsep itu sendiri.

Tegangan, sama seperti besaran lainnya, memiliki satuan pengukurannya sendiri. Itu diukur dalam Volt. Ini adalah voltase yang sama yang tertulis pada perangkat dan catu daya. Misalnya pada stopkontak rumah biasa ada 220 V, atau baterai yang Anda beli bertegangan 1,5 V. Secara umum saya rasa Anda sudah mengerti garis besar umum, apa sebenarnya tegangan listrik ini? Pada artikel kali ini saya hanya mendasarkan pada pemahaman sederhana tentang istilah tersebut dan tidak mendalami rumusan dan rumusnya secara mendalam, agar tidak mempersulit pemahamannya. Sebenarnya topik ini bisa dipelajari lebih luas, tapi itu tergantung Anda dan keinginan Anda.

P.S. Hati-hati saat bekerja dengan listrik, tegangan tinggi berbahaya bagi kehidupan.

Mari kita memiliki medan listrik seragam yang tak terhingga. Muatan + Q ditempatkan di titik M - Muatan + Q yang dibiarkan sendiri di bawah pengaruh gaya listrik medan akan bergerak searah medan tanpa batas jarak jauh. Energi medan listrik akan digunakan untuk pergerakan muatan ini. Potensial suatu titik medan tertentu adalah usaha yang dikeluarkan oleh medan listrik ketika menggerakkan satuan muatan positif dari suatu titik medan tertentu ke suatu titik di tak terhingga. Untuk memindahkan muatan +Q dari titik tak terhingga kembali ke titik M, gaya luar harus menghasilkan usaha A, yang digunakan untuk mengatasi gaya listrik medan. Maka untuk potensial titik M diperoleh :

Jadi, satuan potensial elektrostatis absolut adalah tiga ratus kali lebih besar daripada satuan praktis volt.

Jika muatan sebesar 1 coulomb berpindah dari suatu titik tak terhingga ke suatu titik dalam medan yang potensialnya 1 volt, maka usaha yang dilakukan adalah 1 joule. Jika listrik sebesar 15 coulomb dipindahkan ke suatu titik medan yang potensial 10 V dari suatu titik yang jauhnya tak terhingga, maka usaha yang dilakukan adalah 10 -15 = 150 joule.

Secara matematis, ketergantungan ini dinyatakan dengan rumus:

Untuk berpindah dari titik A yang potensial 20 V ke titik B yang potensial listriknya 15 V 10 coulomb, medan harus melakukan usaha:

Ketika mempelajari medan listrik, kita perhatikan bahwa dalam medan ini beda potensial antara dua titik medan disebut juga tegangan antara keduanya, diukur dalam volt dan dilambangkan dengan huruf U.

Usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya medan listrik dapat dituliskan sebagai berikut:

Untuk memindahkan muatan q sepanjang garis medan dari satu titik lapangan seragam ke yang lain, terletak di kejauhan l, Anda perlu melakukan pekerjaan:

Ini adalah hubungan paling sederhana antara kuat medan listrik dan tegangan listrik untuk medan seragam.

Letak titik-titik yang potensialnya sama di sekitar permukaan konduktor bermuatan bergantung pada bentuk permukaan tersebut. Jika Anda mengambil misalnya bola logam bermuatan, maka titik-titik yang potensialnya sama masuk Medan listrik, yang diciptakan oleh bola, akan terletak pada permukaan bola yang mengelilingi bola bermuatan. Permukaan dengan potensial yang sama, atau disebut juga permukaan ekuipotensial, berfungsi sebagai cara grafis yang mudah untuk menggambarkan medan. Pada gambar. Gambar 13 menunjukkan gambar permukaan ekuipotensial bola bermuatan positif.

Untuk gambaran yang jelas tentang bagaimana beda potensial berubah dalam suatu medan tertentu, permukaan ekuipotensial harus digambar sehingga beda potensial antara titik-titik yang terletak pada dua

Permukaan tengahnya sama, misalnya sama dengan 1 inci. Mari kita buat garis besar permukaan ekuipotensial awal, nol dengan radius sembarang. Kita gambarkan sisa permukaan 1, 2, 3, 4 sehingga beda potensial antara titik-titik yang terletak pada permukaan ini dan permukaan yang berdekatan adalah 1 V. Menurut definisi permukaan ekuipotensial, beda potensial antara titik-titik individu yang terletak pada permukaan yang sama adalah nol; oleh karena itu, muatan bergerak sepanjang permukaan ekuipotensial tanpa mengeluarkan usaha. Dari gambar ini jelas bahwa ketika kita mendekati benda bermuatan, permukaan ekuipotensial terletak lebih dekat satu sama lain, karena potensial titik-titik medan meningkat, dan beda potensial antara permukaan yang berdekatan, menurut kondisi yang diterima, tetap sama. . Dan, sebaliknya, saat Anda menjauh dari benda bermuatan, permukaan ekuipotensial lebih jarang ditemukan. Garis-garis gaya listrik tegak lurus terhadap permukaan ekuipotensial di suatu titik, karena hanya jika gaya dan perpindahan tegak lurus maka kerja gaya-gaya listrik ketika suatu muatan bergerak sepanjang permukaan ekuipotensial dapat sama dengan nol. Permukaan konduktor bermuatan sendiri merupakan permukaan ekuipotensial, yaitu semua titik pada permukaan konduktor mempunyai potensial yang sama. Semua titik di dalam konduktor mempunyai potensial yang sama.

Jika Anda mengambil dua konduktor dengan potensial berbeda dan menghubungkannya dengan kawat logam, maka karena ada beda potensial atau tegangan antara ujung-ujung kawat, medan listrik akan bekerja sepanjang kawat. Elektron bebas pada kawat, di bawah pengaruh medan, akan mulai bergerak ke arah peningkatan potensial, yaitu arus listrik akan mulai mengalir melalui kawat. Pergerakan elektron akan terus berlanjut hingga potensial penghantar menjadi sama dan beda potensial di antara keduanya menjadi nol.

Jika dua buah bejana yang ketinggian airnya berbeda dihubungkan dari bawah dengan sebuah tabung, maka air akan mengalir melalui tabung tersebut. Pergerakan air akan terus berlanjut sampai ketinggian air di dalam bejana mencapai ketinggian yang sama, dan perbedaan ketinggian menjadi nol.

Karena setiap konduktor bermuatan yang terhubung ke tanah kehilangan hampir seluruh muatannya, potensial tanah secara konvensional diasumsikan nol.

Untuk mempelajari medan elektrostatik dari sudut pandang energi, seperti dalam kasus mempertimbangkan tegangan, benda titik bermuatan positif dimasukkan ke dalamnya - muatan uji. Mari kita asumsikan bahwa medan listrik seragam, yang bergerak dari titik 1 ke titik 2, suatu benda yang dimasukkan ke dalamnya dengan muatan q dan sepanjang lintasan l, melakukan usaha SEBUAH = qEl(Gbr. 62, a). Jika jumlah biaya yang diperkenalkan adalah 2q, 3q, ..., nq, maka lapangan akan melakukan pekerjaan sesuai: 2A, 3A, ..., tidak. Usaha-usaha ini berbeda besarnya, dan oleh karena itu tidak dapat dijadikan sebagai ciri medan listrik. Jika kita mengambil perbandingan nilai usaha-usaha tersebut dengan nilai muatan benda, ternyata perbandingan dua titik (1 dan 2) ini adalah besaran tetap:

Jika kita mempelajari medan listrik antara dua titiknya dengan cara yang sama, kita akan sampai pada kesimpulan bahwa untuk dua titik mana pun di medan, rasio jumlah usaha dengan jumlah muatan benda yang digerakkan oleh medan antar titik bernilai konstan, namun nilainya berbeda-beda tergantung jarak antar titik. Besaran yang diukur dengan Perbandingan ini disebut beda potensial antara dua titik medan listrik (dilambangkan dengan φ 2 - φ 1) atau tegangan U antar titik-titik medan tersebut. Besaran skalar, yang merupakan sifat energi suatu medan listrik dan diukur dengan usaha yang dilakukannya ketika menggerakkan suatu benda titik, yang muatannya +1, dari satu titik medan ke titik lainnya, disebut beda potensial antara dua titik medan, atau tegangan antara titik-titik ini. Dari definisi beda potensial tegangan kamu = φ 2 - φ 1 = Δφ.

Ada medan listrik di sekitar setiap benda bermuatan. Dengan bertambahnya jarak dari suatu benda ke titik mana pun dalam medan, gaya yang bekerja pada muatan yang dimasukkan ke dalamnya berkurang (hukum Coulomb) dan pada suatu titik dalam ruang praktis menjadi sama dengan nol. Tempat di mana aksi medan listrik suatu benda bermuatan tertentu tidak terdeteksi disebut jauh tak terhingga Dari dia.

Jika bola elektroskop ditempatkan pada titik yang berbeda dalam medan listrik bola bermuatan mesin elektrofor, maka bola tersebut akan mengisi elektroskop. Ketika bola elektroskop dibumikan, medan listrik mesin tidak berpengaruh sama sekali pada elektroskop. Beda potensial antara suatu titik sembarang medan listrik dan suatu titik yang terletak di permukaan bumi disebut potensial titik medan tersebut relatif terhadap Bumi. Itu diukur dengan usaha, untuk menghitungnya Anda perlu mengetahui titik awal dan akhir jalan. Suatu titik di permukaan bumi diambil sebagai salah satu dari titik-titik ini, dan usaha untuk memindahkan muatan, dan oleh karena itu potensial dari titik lainnya, dihitung relatif terhadap titik tersebut.

Jika medan listrik dibentuk oleh benda bermuatan positif (Gbr. 62, b), maka medan listrik itu sendiri yang menggerakkan benda bermuatan positif C yang dibawa ke permukaan bumi.Potensi titik-titik medan tersebut dianggap positif . Ketika medan listrik dibentuk oleh benda bermuatan negatif (Gbr. 62, c), untuk memindahkan benda bermuatan positif C ke permukaan bumi, diperlukan tiang F gaya asing. Potensi titik-titik pada bidang tersebut dianggap negatif.

Jika potensial titik-titik medan φ 1 dan φ 2 diketahui, maka berdasarkan rumus beda potensial, kita dapat menghitung usaha memindahkan benda bermuatan dari satu titik medan ke titik medan lainnya: SEBUAH = q(φ 2 - φ 1), atau SEBUAH = qU. Oleh karena itu, beda potensial merupakan karakteristik energi medan listrik. Dengan menggunakan rumus ini, usaha untuk memindahkan muatan dalam medan listrik homogen dan tidak homogen dihitung.

Mari kita tentukan satuan pengukuran tegangan (beda potensial) dalam sistem SI. Untuk melakukan ini, kita mengganti nilainya ke dalam rumus tegangan SEBUAH = 1J Dan q = 1k:

Satuan tegangan - volt - dianggap sebagai beda potensial antara dua titik medan listrik, ketika bergerak di antara titik tersebut suatu benda titik dengan muatan 1 ke medan tersebut melakukan kerja 1 J.

Bidang potensial. Dapat dibuktikan bahwa kerja medan elektrostatik ketika memindahkan benda bermuatan dari satu titik ke titik lain tidak bergantung pada bentuk lintasannya, seperti halnya kerja medan seragam. Pada lintasan tertutup, kerja medan elektrostatis selalu nol. Bidang yang mempunyai sifat ini disebut potensial. Secara khusus, medan elektrostatik muatan titik mempunyai karakter potensial.

Kerja suatu medan potensial dapat dinyatakan dalam perubahan energi potensial. Rumusnya berlaku untuk medan elektrostatis sembarang. Tetapi hanya dalam kasus medan seragam, energinya dinyatakan dengan rumus (8.19)

Potensi. Energi potensial suatu muatan dalam medan elektrostatis sebanding dengan muatannya. Hal ini berlaku baik untuk bidang homogen (lihat rumus 8.19) dan untuk bidang lainnya. Oleh karena itu, perbandingan energi potensial terhadap muatan tidak bergantung pada muatan yang ditempatkan di lapangan.

Hal ini memungkinkan kami untuk memperkenalkan karakteristik kuantitatif baru dari potensi lapangan. Potensi medan elektrostatis adalah rasio energi potensial suatu muatan di medan terhadap muatan tersebut.

Berdasarkan definisi ini potensi sama dengan:

Kekuatan medan adalah vektor dan mewakili karakteristik kekuatan medan; itu menentukan gaya yang bekerja pada muatan pada titik tertentu di lapangan. Potensi adalah skalar, merupakan karakteristik energi medan; itu menentukan energi potensial muatan pada titik tertentu di lapangan.

Jika kita mengambil pelat bermuatan negatif (Gbr. 124) sebagai tingkat energi potensial nol, dan karenanya potensial, maka menurut rumus (8.19 dan 8.20) potensi medan seragam adalah:

Perbedaan potensial. Seperti energi potensial, nilai potensial pada suatu titik bergantung pada pilihan tingkat nol untuk membaca potensial. Yang penting secara praktis bukanlah potensial itu sendiri pada suatu titik, melainkan perubahan potensial, yang tidak bergantung pada pilihan titik referensi potensial nol.

Jadi, beda potensial (tegangan) antara dua titik sama dengan perbandingan usaha yang dilakukan medan untuk memindahkan muatan dari titik awal ke titik akhir ke muatan tersebut.

Mengetahui tegangan dalam jaringan penerangan, dengan demikian kita mengetahui kerja yang dapat dilakukan medan listrik ketika memindahkan muatan satuan dari satu kontak soket ke kontak lainnya sepanjang rangkaian listrik. Kita akan membahas konsep beda potensial sepanjang kursus fisika.

Satuan beda potensial. Satuan beda potensial diatur menggunakan rumus (8.24). Dalam Sistem Satuan Internasional, usaha dinyatakan dalam joule dan muatan dalam coulomb. Oleh karena itu, beda potensial antara dua titik sama dengan satu jika, ketika muatan 1 C berpindah dari satu titik ke titik lain, medan listrik melakukan kerja sebesar 1 J. Satuan ini disebut volt

1. Bidang apa saja yang disebut potensi? 2. Bagaimana hubungan perubahan energi potensial dengan usaha? 3. Sama dengan apa? energi potensial partikel bermuatan dalam medan listrik seragam? 4. Definisikan potensi. Berapakah beda potensial antara dua titik di lapangan?

Beda potensial antara dua titik dalam suatu rangkaian adalah beda tegangannya (relatif terhadap poin umum, biasanya tanah). Misalnya beda potensial antara titik A dan B pada Gambar. 1,8 VAB = (VA - VB), dimana VA adalah tegangan di titik A dan VB adalah tegangan di titik B. Tegangan Ud dan Ud diukur relatif terhadap kawat E yang potensialnya nol. Tegangan pada titik mana pun Diagram listrik diukur relatif terhadap kawat netral, perumahan atau tanah.

Misalnya, jika VA = 5 V dan VB = 3 V, maka VAB = VA - VB = 5 - 3 = 2 V (Gbr. 1.9(a)).

Tegangan dapat berbeda tandanya - menjadi negatif dan positif. Beda potensial antara dua titik yang bertegangan dengan tanda-tanda yang berlawanan, sama dengan jumlah tegangan ini.

Misalnya, jika VC = 3 V dan VD = -2 V, maka V = VC + VD = 3 + 2 = 5 V (Gbr. 1.9(b)).

Jadi, jika dua tegangan mempunyai polaritas atau tanda yang sama, maka beda potensial di antara keduanya sama dengan bedanya. Jika tegangan-tegangan tersebut mempunyai tanda-tanda yang berbeda, maka beda potensial di antara keduanya sama dengan jumlah keduanya.

Beras. 1.9. Representasi visual dari tekanan dengan tanda-tanda yang berbeda relatif terhadap garis potensial nol

Koneksi paralel resistor

Pada Gambar. Gambar 1.10 menunjukkan dua resistor, R1 dan R2 yang dihubungkan secara paralel. Arus I dari baterai bercabang di titik A menjadi arus I1 yang mengalir melalui hambatan R1 dan arus I2 yang mengalir melalui hambatan R2. Di titik B arus-arus ini bertambah dan terbentuk arus penuh Saya = I1 + I2.

Beras. 1.10.

Di sisi lain, tegangan penuh V diterapkan ke setiap resistor, mis.

Tegangan total V = tegangan pada R1

Tegangan pada R2.

Resistensi total

Resistansi total (R) dari dua resistor yang dihubungkan secara paralel diberikan oleh:

Perhatikan bahwa resistansi total dua resistor paralel selalu lebih kecil daripada resistansi resistor yang lebih kecil. Hambatan total dari dua buah resistor yang dirangkai paralel dan mempunyai hambatan yang sama sama dengan setengah hambatan salah satunya.

Koneksi paralel dari tiga atau lebih resistor

Secara umum, resistansi total dari sejumlah resistor yang dihubungkan secara paralel dapat ditentukan dengan menggunakan rumus di atas.

Contoh 4

Tentukan resistansi total rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar. 1.11(a).

Larutan

R1 dan R2 dihubungkan secara seri dan hambatan totalnya RT1 = R1 + R2 = 6 + 8 = 14 Ohm.

Sekarang, setelah mengganti resistor R1 dan R2 dengan resistansi bersama RT1 (rangkaian pada Gambar 1.11(b)), resistor R3 ternyata dihubungkan secara paralel dengan RT1, yang nilainya sama. Oleh karena itu, resistansi total RT2 mereka adalah setengah dari resistansi masing-masing RT2. Sekarang rangkaiannya akan mengambil bentuk seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1.11(c), dimana RT2 = 7 Ohm dan dihubungkan secara seri dengan R4. Jadi hambatan total rangkaian antara titik A dan B adalah RT2 + R4 = 7 + 3 = 10 Ohm

Beras. 1.11