Mi a feszültségesés egy elektromos áramkörben?
Egy gyakori mérnöki kérdésben röviden elmagyarázzuk a feszültségesés fogalmát, és megvitatjuk az ellenállásokon, kondenzátorokon és induktivitásokon átesett feszültségek polaritását.
Feszültség, munka és áramáramlás
Az akkumulátor kémiai energiát alakít át elektromos energiává, feszültséget – azaz elektromos potenciálkülönbséget – termelve két kapcsa között. Az ellenállás olyan alkatrész, amely meghatározott mértékű ellenállást hoz létre az elektromos árammal szemben. Amikor egy ellenállás két pólusát összekötjük egy akkumulátor két pólusával, töltéshordozók mozognak az áramkörön keresztül, és ezt elektromos áramnak nevezzük.
A feszültség azt a képességet közvetíti, hogy a töltés egyik pontból a másikba történő mozgatásával munkát végezhetünk. Egy 5 V-os akkumulátor például 5 joule munkát képes végezni egy coulomb töltésenként. Amikor egy ellenálláson áram folyik keresztül, megmérhetjük azt a munkát (töltésegységenként), amely ahhoz szükséges, hogy az áram az ellenálláson keresztül folyjon.
Ez a feszültségesés lényege: egy akkumulátor (vagy feszültségforrás) energiát szolgáltat a töltés mozgatásával járó munka elvégzéséhez. Amikor áram folyik, az alkatrészek, például az ellenállások energiát fogyasztanak, és az adott alkatrészen átfolyó áramhoz kapcsolódó, egységnyi töltésre jutó munka mennyisége az alkatrész feszültségesése.
Az alkatrész által leadott feszültség az akkumulátor által generált feszültség egy részét teszi ki. Más szóval, az akkumulátor által végzett munka megoszlik az áramkörben lévő alkatrészek között.
Intuitív módon felismerhetjük, hogy egy adott mennyiségű áram nagyobb ellenálláson keresztül történő vezetése több munkát igényel. Így, ha két ellenállás sorba van kötve (ami azt jelenti, hogy ugyanannyi áram folyik át rajtuk), a nagyobb ellenállású ellenállásnak nagyobb a feszültségesése. Ez az alapja a feszültségosztó áramkör működésének.
A feszültségesések polaritása
Az ellenállás mindig terhelésként – azaz energiát fogyasztó alkatrészként – működik. Ha elfogadjuk a hagyományos áramáramlási modellt, amelyben az áram a magasabb feszültségtől az alacsonyabb feszültség felé áramlik, akkor az ellenálláson keresztüli feszültségesés pozitív, ahol az áram belép az ellenállásba, és negatív, ahol az áram kilép az ellenállásból:
Egy áramáramlási modell, amely bemutatja, hogy a feszültségesés pozitív, ahol az áram belép az ellenállásba, és negatív, ahol kilép.
Ez a polaritás “szemben áll” a forrásfeszültséggel: ha egy akkumulátort ugyanilyen polaritású orientációval csatlakoztatnánk, az ellenkező irányba vezetné az áramot (vagy a forrásfeszültséggel szemben állna, attól függően, hogyan gondolkodunk róla).
A kondenzátorok és induktorok energiát tárolnak, következésképpen vagy terhelésként, vagy forrásként működhetnek. Amikor teherként működnek, ugyanolyan feszültségesés-polaritásúak, mint egy ellenállás.
Ha teherként működnek, a kondenzátorok és az induktorok ugyanolyan feszültségesés-polaritásúak, mint egy ellenállás.
A kondenzátor feszültségesés-polaritása nem változik, amikor elkezd kisülni. Annak ellenére, hogy forrásként működik, olyan áramot termel, amelynek iránya ellentétes a töltőáraméval.
Az induktor azonban, amikor kisül, megpróbálja fenntartani az áramáramlást. Így az induktor feszültségesésének polaritása megváltozik, mivel olyan áramot termel, amelynek iránya megegyezik a forrás által termelt töltőáraméval.