Kľúčový rozdiel – prúd vs. napätie
V elektrickom poli sú elektrické náboje ovplyvnené silou, ktorá na ne pôsobí; preto je potrebné vykonať prácu na nabitej častici, aby sa presunula z jedného bodu v elektrickom poli do iného bodu. Táto práca je definovaná ako rozdiel elektrického potenciálu medzi týmito dvoma bodmi. Rozdiel elektrického potenciálu sa tiež nazýva napätie medzi dvoma bodmi. Pohyb alebo tok elektrických nábojov pod vplyvom rozdielu potenciálov je známy ako elektrický prúd. Kľúčový rozdiel medzi prúdom a napätím je v tom, že prúd vždy zahŕňa pohyb elektrických nábojov pod elektrickým poľom, zatiaľ čo napätie nezahŕňa tok nábojov. K napätiu dochádza iba v dôsledku existencie nevyváženého náboja.
Čo je napätie?
Keďže atóm má rovnaký počet protónov a elektrónov, všetka stabilná hmota vo vesmíre je elektricky vyvážená. Pozitívne alebo negatívne nabité častice však môžu mať viac alebo menej elektrónov ako protóny v dôsledku vonkajších fyzikálnych a chemických účinkov. Pod zhromaždením podobných nábojov vzniká elektrické pole, ktoré dáva elektrický potenciál alebo napätie do každého bodu okolo neho. Napätie možno považovať za najzákladnejšiu vlastnosť elektriny. Meria sa vo voltoch (V) pomocou voltmetra.
Elektrický potenciál v bode sa vždy považuje za rozdiel medzi dvoma bodmi alebo v určitom bode sa napätie považuje za nekonečno, kde je potenciál nulový. Z hľadiska elektrického obvodu sa zem považuje za bod s nulovým potenciálom; preto sa napätie v každom bode obvodu meria vzhľadom na zem (alebo zem).
V dôsledku mnohých prírodných alebo vynútených javov môže vzniknúť napätie. Blesk je príkladom napätia v dôsledku prirodzeného výskytu; v dôsledku trenia vznikajú v oblaku stovky miliónov napätia. Batéria vo veľmi malom rozsahu vytvára napätie chemickou reakciou, pričom akumuluje nabité ióny v kladných (anóda) a záporných (katódových) svorkách. Fotovoltaické články zahrnuté v solárnych paneloch generujú napätie v dôsledku uvoľnenia elektrónov z polovodičového materiálu absorbujúceho slnečné svetlo. Podobný efekt možno vidieť na fotodiódach používaných vo fotoaparátoch na detekciu úrovne okolitého svetla.
Čo je prúd?
Prúd je tok niečoho, ako je morská voda alebo atmosférický vzduch. V elektrickom kontexte je tok elektrických nábojov, najčastejšie tok elektrónov cez vodič, známy ako elektrický prúd. Prúd sa meria v ampéroch (A) pomocou ampérmetra. Ampér je definovaný ako coulomby za sekundu a je úmerný rozdielu napätia medzi dvoma bodmi, kde prúdi prúd.
Obrázok 01: Jednoduchý elektrický obvod
Ako je znázornené na obrázku 01, keď prúd prechádza cez čistý odpor R, pomer napätia k prúdu sa rovná R. Toto je uvedené v Ohmovom zákone, ktorý je daný ako:
V=I x R
Ak sa napätie dV na cievke, známej aj ako induktor, mení, prúd dI cez cievku sa mení podľa:
dI=1/L∫dV dt
V tomto prípade je L indukčnosť cievky. To sa deje, pretože cievka je odolná voči zmene napätia na nej a vytvára protinapätie.
V prípade kondenzátora je zmena prúdu na ňom dI nasledovná:
dI=C (dV/dt)
Tu je C kapacita. Je to spôsobené vybíjaním a nabíjaním kondenzátora podľa kolísania napätia.
Obrázok 02: Flemingovo pravidlo pravej ruky
Keď sa vodič pohybuje cez magnetické pole, cez vodič vzniká prúd a následne napätie podľa Flemingovho pravidla pravej ruky.
Toto je základ elektrického generátora, v ktorom sa séria vodičov rýchlo otáča cez magnetické pole. Ako je vysvetlené v predchádzajúcej časti, akumulácia nábojov vytvára napätie v batérii. Keď drôt spojí dva terminály, začne prúdiť prúd pozdĺž drôtu, to znamená, že elektróny v drôte sa pohybujú v dôsledku rozdielu napätia medzi terminálmi. Čím väčší je odpor vodiča, tým väčší je prúd a tým rýchlejšie sa batéria vybíja. Podobne záťaž s vyššou spotrebou energie odoberá vyšší prúd zo zdroja. Napríklad 100W lampa pripojená k napájaniu 230V, prúd, ktorý odoberá, možno vypočítať ako:
P=V ×I
I=100 W ÷230 V
I=0,434 A
Tu, keď je výkon vyšší, spotreba prúdu bude vysoká.
Aký je rozdiel medzi napätím a prúdom?
Napätie vs prúd |
|
| Napätie je definované ako rozdiel elektrickej potenciálnej energie medzi dvoma bodmi v elektrickom poli. | Prúd je definovaný ako pohyb elektrických nábojov pri rozdiele potenciálnej energie v elektrickom poli. |
| Výskyt | |
| Uniká napätie kvôli existencii elektrických nábojov. | Prúd vzniká pohybom nábojov. Neexistuje žiadny prúd so statickými elektrickými nábojmi. |
| Závislosť | |
| Napätie môže existovať bez vytvárania prúdu; napríklad v batériách. | Prúd vždy závisí od napätia, pretože tok nabíjania nemôže nastať bez rozdielu potenciálov. |
| Meranie | |
| Napätie sa meria vo voltoch. Vždy sa meria vzhľadom na iný bod, aspoň neutrálnu zem. Meranie napätia je preto jednoduché, pretože obvod na umiestnenie meracích svoriek nie je prerušený. | Prúd sa meria v ampéroch a meria sa cez vodič. Meranie prúdu je náročnejšie, pretože na umiestnenie meracích svoriek sa musí prerušiť vodič, alebo by sa mali použiť sofistikované upínacie ampérmetre. |
Zhrnutie – Napätie vs prúd
V elektrickom poli sa potenciálny rozdiel medzi akýmikoľvek dvoma bodmi nazýva rozdiel napätia. Na generovanie prúdu by mal byť vždy rozdiel napätia. V zdroji napätia, ako je fotobunka alebo batéria, vzniká napätie v dôsledku akumulácie nábojov na svorkách. Ak sú tieto svorky spojené drôtom, v dôsledku rozdielu napätia medzi svorkami začne pretekať prúd. Podľa Ohmovho zákona sa prúd vo vodiči úmerne mení s napätím. Aj keď sú prúd a napätie vzájomne prepojené odporom, prúd nemôže existovať bez napätia. Toto je rozdiel medzi prúdom a napätím.
