Co to jest spadek napięcia w obwodzie elektrycznym?

W tym często zadawanym pytaniu inżynierskim przedstawimy krótkie wyjaśnienie pojęciowe spadku napięcia i omówimy biegunowość napięć spadających na rezystorach, kondensatorach i cewkach indukcyjnych.

Napięcie, praca i przepływ prądu

Bateria przekształca energię chemiczną w elektryczną, wytwarzając napięcie – tj. różnicę potencjału elektrycznego – pomiędzy jej dwoma zaciskami. Rezystor to element, który wytwarza określoną wielkość oporu dla prądu elektrycznego. Kiedy połączymy dwa zaciski rezystora z dwoma zaciskami baterii, nośniki ładunku przemieszczają się w obwodzie i nazywamy to prądem elektrycznym.

Napięcie wyraża zdolność do wykonywania pracy polegającej na przemieszczaniu ładunku z jednego punktu do drugiego. Na przykład bateria o napięciu 5 V może wykonać 5 dżuli pracy na każdy kulomb ładunku. Kiedy prąd płynie przez rezystor, możemy zmierzyć ilość pracy (na jednostkę ładunku) wymaganej do utrzymania prądu płynącego przez rezystor.

To jest istota spadku napięcia: bateria (lub źródło napięcia) dostarcza energii do wykonania pracy przenoszenia ładunku. Kiedy płynie prąd, komponenty takie jak rezystory zużywają energię, a ilość pracy na jednostkę ładunku związaną z prądem płynącym przez dany komponent to spadek napięcia tego komponentu.

Napięcie obniżone przez komponent stanowi część napięcia generowanego przez baterię. Innymi słowy, praca wykonana przez baterię jest dzielona pomiędzy komponenty w obwodzie.

Możemy intuicyjnie zauważyć, że przepuszczenie danej ilości prądu przez większy opór będzie wymagało więcej pracy. Tak więc, jeśli dwa oporniki są w szeregu (co oznacza, że płynie przez nie ten sam prąd), opornik o większej rezystancji ma większy spadek napięcia. Jest to podstawa działania obwodu dzielnika napięcia.

Polaryzacja spadków napięcia

Rezystor zawsze działa jako obciążenie – to znaczy, jako element, który zużywa energię. Jeśli przyjmiemy konwencjonalny model przepływu prądu, w którym prąd płynie od wyższego napięcia do niższego, spadek napięcia na rezystorze jest dodatni tam, gdzie prąd wpływa do rezystora i ujemny tam, gdzie prąd z niego wypływa:

Model przepływu prądu przedstawiający spadek napięcia jest dodatni tam, gdzie prąd wpływa do rezystora i ujemny tam, gdzie z niego wypływa.

Ta polaryzacja „przeciwstawia się” napięciu źródłowemu: gdybyśmy podłączyli baterię o tej samej orientacji polaryzacji, napędzałaby ona prąd w przeciwnym kierunku (lub przeciwdziałałaby napięciu źródłowemu, w zależności od tego, jak o tym myślimy).

Kondensatory i cewki indukcyjne przechowują energię, a co za tym idzie, mogą działać jako obciążenie lub źródło. Gdy działają jako obciążenie, mają taką samą polaryzację spadku napięcia jak rezystor.

Gdy działają jako obciążenie, kondensatory i cewki mają taką samą polaryzację spadku napięcia jak rezystor.

Polaryzacja spadku napięcia kondensatora nie zmienia się, gdy zaczyna się on rozładowywać. Nawet jeśli działa on jako źródło, wytwarza prąd, którego kierunek jest przeciwny do kierunku prądu ładowania.

Jednakże, gdy cewka indukcyjna rozładowuje się, stara się utrzymać przepływ prądu. Zmienia się więc biegunowość spadku napięcia cewki, ponieważ wytwarza ona prąd, którego kierunek jest taki sam jak kierunek prądu ładowania wytwarzanego przez źródło.

.