ความต่างศักย์ไฟฟ้าและการแบ่งแรงดันไฟฟ้าของตัวต้านทาน

หน่วยที่เราสามารถใช้วัดความต่างศักย์ระหว่างจุดใดๆ เรียกว่า a โวลต์ . โวลต์คือความต่างศักย์ไฟฟ้าที่จ่ายให้กับความต้านทาน 1 โอห์ม และจะส่งผลให้กระแสไฟฟ้าไหลจากขั้วบนไปยังขั้วล่าง

ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นจะไหลจากมูลค่าที่เป็นไปได้ที่สูงกว่าไปยังมูลค่าที่เป็นไปได้ที่ต่ำกว่าเสมอ นอกจากนี้เรายังสามารถกำหนด 1V ให้เป็นศักย์ได้เมื่อกระแส 1 แอมแปร์คูณด้วยความต้านทาน 1 โอห์ม เพื่ออธิบายความต่างศักย์ จะใช้สูตรกฎของโอห์ม ซึ่งเท่ากับ V=IxR .

ตามกฎของโอห์ม กระแสในวงจรเชิงเส้นจะเพิ่มขึ้นตามความต่างศักย์ไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น วงจรที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้ามากระหว่างจุดสองจุดใดๆ จะส่งผลให้กระแสไหลผ่านจุดทั้งสองจุดในวงจรมากขึ้น

ตัวอย่างเช่น ลองพิจารณาตัวต้านทาน 10 Ω และแรงดันไฟฟ้าที่ใช้กับปลายด้านหนึ่งคือ 8V ในทำนองเดียวกัน แรงดันไฟฟ้าที่ปลายอีกด้านหนึ่งคือ 5V ดังนั้นเราจะได้ความต่างศักย์ 3V (8V-5V) บนขั้วตัวต้านทาน ในการค้นหากระแสคร่อมตัวต้านทาน เราสามารถใช้กฎของโอห์ม กระแสของวงจรนี้จะเป็น 0.3A

ถ้าเราเพิ่มแรงดันไฟฟ้าจาก 8V เป็น 40V ความต่างศักย์ไฟฟ้าของตัวต้านทานจะกลายเป็น 40V – 5V = 35V ซึ่งจะส่งผลให้กระแสไฟไหล 3.5A เมื่อความต่างศักย์ระหว่างตัวต้านทานเพิ่มขึ้น จะส่งผลให้กระแสเพิ่มขึ้นด้วย

ในการวัดแรงดันไฟฟ้าของจุดใดๆ ภายในวงจร เราต้องเปรียบเทียบกับจุดอ้างอิงทั่วไป โดยปกติเราใช้ 0V หรือพินกราวด์เป็นจุดอ้างอิงในวงจรเพื่อวัดความต่างศักย์

โครงร่างด่วน

• ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นคืออะไร
• ตัวอย่างความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น
• เครือข่ายแบ่งแรงดันไฟฟ้า
• สูตรตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า
• ตัวอย่างตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า
• บทสรุป

ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นคืออะไร

ความต่างศักย์หรือที่เรียกว่าแรงดัน เป็นแนวคิดหลักในด้านไฟฟ้า โดยพื้นฐานแล้วจะอธิบายความแตกต่างของพลังงานศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดภายในวงจรไฟฟ้า ความแตกต่างในศักย์ไฟฟ้าระหว่างจุดสองจุดทำให้ประจุเคลื่อนที่จากจุดที่สูงขึ้นไปยังจุดศักย์ที่ต่ำกว่า ซึ่งจะส่งผลให้เกิดการไหลของกระแสไฟฟ้า เราวัดความต่างศักย์เป็นโวลต์ (V) และเป็นปัจจัยสำคัญในการพิจารณาว่าไฟฟ้ามีพฤติกรรมอย่างไรในวงจรและวิธีการทำงานของอุปกรณ์ไฟฟ้า

ตัวอย่างความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น

ในภาพ ศักย์ไฟฟ้าที่จ่ายให้กับตัวต้านทานที่ปลายด้านหนึ่งคือ 10 V ศักย์ไฟฟ้าที่ปลายที่สองของตัวต้านทานคือ 5 V

ในการคำนวณความต่างศักย์ไฟฟ้าที่ปลายตัวต้านทาน ให้ลบศักย์ที่สูงกว่าออกจากค่าด้านล่าง:

ความต่างศักย์ที่คำนวณระหว่างตัวต้านทานคือ 5V

กระแสไฟฟ้าในตัวต้านทานเป็นสัดส่วนกับศักย์ไฟฟ้าที่ใช้ หากความต่างศักย์ระหว่างจุดสองจุดใด ๆ มากกว่า คุณจะเห็นกระแสไหลขนาดใหญ่

ใช้กฎของโอห์มเพื่อค้นหากระแส

ตอนนี้ เพิ่มศักยภาพจาก 10V เป็น 20V ที่ปลายด้านหนึ่งของตัวต้านทาน และ 5V เป็น 10V ที่ปลายอีกด้านหนึ่ง ความต่างศักย์จะกลายเป็น 10 V เมื่อใช้กฎของโอห์ม คุณจะพบกระแสผ่านตัวต้านทานซึ่งมีขนาด 8 แอมแปร์

ประจุไฟฟ้าทำให้กระแสไฟฟ้าไหล แต่ศักยภาพไม่ได้เคลื่อนไหวหรือไหลทางกายภาพ ศักย์ไฟฟ้าถูกนำไปใช้กับจุดเฉพาะสองจุดใดๆ ในวงจร

ในการค้นหาแรงดันไฟฟ้าวงจรรวม เราต้องบวกแรงดันไฟฟ้าที่เชื่อมต่อทั้งหมดในวงจรอนุกรม ซึ่งหมายความว่าเมื่อคุณมีตัวต้านทาน (ใน ₁ , ใน ₂ , และ ใน ₃ ) เมื่อเชื่อมต่อแบบอนุกรม คุณเพียงแค่รวมแรงดันไฟฟ้าเพื่อหาแรงดันไฟฟ้าทั้งหมด:

ในทางกลับกัน เมื่อคุณเชื่อมต่อตัวต้านทานแบบขนาน แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมตัวต้านทานหรือส่วนประกอบแต่ละตัวจะยังคงเท่าเดิม ในแบบคู่ขนาน แรงดันไฟฟ้าที่ตกคร่อมตัวต้านทานแต่ละตัวจะเท่ากัน และสามารถแสดงเป็น:

เครือข่ายแบ่งแรงดันไฟฟ้า

เรารู้ว่าถ้าเราเชื่อมต่อตัวต้านทานหลายตัวแบบอนุกรมกับความต่างศักย์ไฟฟ้า ก็จะได้ตัวต้านทานตัวใหม่ วงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้า จะก่อตัว วงจรนี้จะแบ่งแรงดันไฟฟ้าให้กับตัวต้านทานตามอัตราส่วนเฉพาะ ตัวต้านทานแต่ละตัวจะได้รับแรงดันไฟฟ้าส่วนหนึ่งสัมพันธ์กับความต้านทาน

หลักวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้านี้ใช้กับตัวต้านทานที่ต่อแบบอนุกรมเท่านั้น หากเราต่อตัวต้านทานแบบขนาน จะส่งผลให้มีการตั้งค่าที่แตกต่างไปจากเดิมอย่างสิ้นเชิง ซึ่งเรียกว่า a เครือข่ายตัวแบ่งปัจจุบัน

แผนกแรงดันไฟฟ้า

วงจรที่กำหนดจะอธิบายแนวคิดพื้นฐานของวงจรแบ่งแรงดันไฟฟ้า ในวงจรนี้ ตัวต้านทานต่างกันจะอนุกรมกัน มีตัวต้านทาน 4 ตัวในอนุกรมชื่อ ร ₁ , อาร์ ₂ , อาร์ ₃ , และ ร ₄ . ตัวต้านทานทั้งหมดนี้มีจุดอ้างอิงร่วมกันซึ่งเท่ากับศูนย์โวลต์หรือกราวด์

เมื่อคุณเชื่อมต่อตัวต้านทานแบบอนุกรม แรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่าย (ใน _ส ) มีการกระจายไปตามตัวต้านทานแต่ละตัว คุณจะเห็นว่าตัวต้านทานแต่ละตัวจะลดแรงดันไฟฟ้าลง ซึ่งหมายความว่าตัวต้านทานแต่ละตัวจะได้รับส่วนแบ่งแรงดันไฟฟ้าทั้งหมด

จากนั้นใช้กฎของโอห์มเพื่อแสดงวงจรนี้ ตามคำจำกัดความของกฎของโอห์ม กระแส (I) ที่ไหลผ่านชุดตัวต้านทานจะเท่ากับแรงดันไฟจ่าย (ใน _ส ) หารด้วยความต้านทานรวม (ร _ต ).

นิพจน์ทางคณิตศาสตร์กฎของโอห์มได้รับเป็น

ตอนนี้ใช้กฎของโอห์มแล้วคูณกระแส (ฉัน) กับการต่อต้าน (ร) ค่าของตัวต้านทานแต่ละตัว

ที่ไหน ใน แสดงถึงแรงดันไฟฟ้าตก

หลังจากย้ายจากจุดหนึ่งไปยังอีกจุดหนึ่งตามอนุกรมของตัวต้านทาน แรงดันไฟฟ้าที่แต่ละจุดจะเพิ่มขึ้นเมื่อคุณสรุปผลรวมของแรงดันไฟฟ้าที่ลดลง ผลรวมแรงดันไฟฟ้าตกแต่ละตัวจะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าอินพุตของวงจร (ใน _ส ) .

ไม่จำเป็นต้องค้นหากระแสรวมของวงจรเพื่อหาแรงดันไฟฟ้าที่จุดใดจุดหนึ่ง คุณสามารถใช้สูตรง่ายๆ ในการคำนวณแรงดันไฟฟ้าตก ณ จุดใดก็ได้ โดยพิจารณาจากความต้านทานของตัวต้านทานและกระแสที่ไหลผ่านตัวต้านทานนั้น สิ่งนี้ทำให้การวิเคราะห์วงจรง่ายขึ้นและช่วยในการทำความเข้าใจว่าแรงดันไฟฟ้าถูกกระจายภายในวงจรอย่างไร

สูตรตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า

ในสูตรข้างต้น วี(เอ็กซ์) แสดงถึงแรงดันไฟฟ้า และ อาร์(เอ็กซ์) เท่ากับความต้านทานที่เกิดจากแรงดันไฟฟ้านี้ สัญลักษณ์ RT แสดงถึงความต้านทานอนุกรมรวมของตัวต้านทาน และ VS คือแรงดันไฟฟ้า

สูตรตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้า

พิจารณาวงจรด้านล่างเพื่อค้นหาแรงดันเอาต์พุตของวงจรทั่ว R2 โดยใช้กฎตัวแบ่งแรงดัน

ในวงจรนี้ V _ใน หมายถึงแรงดันไฟฟ้า เป็นกระแสที่ไหลผ่านวงจร กระแสนี้ไหลทั้งสองทิศทาง

ลองพิจารณาดู ใน _R1 และ ใน _R2 จะเป็นแรงดันตกคร่อมของ ร ₁ และ ร ₂ . เนื่องจากตัวต้านทานที่กำหนดต่ออนุกรมกัน แรงดันไฟฟ้าขาเข้า V _ใน ของวงจรจะเท่ากับผลรวมของแรงดันไฟฟ้าแต่ละตัวที่ตกลงกับตัวต้านทานแต่ละตัว

ในการคำนวณแรงดันไฟฟ้าตกคร่อมตัวต้านทานแต่ละตัว ให้ใช้สมการกฎของโอห์ม:

ในทำนองเดียวกันสำหรับตัวต้านทาน ร ₂

จากภาพเราจะเห็นว่าแรงดันไฟฟ้าคร่อม R ₂ คือวี _ออก . แรงดันเอาต์พุตนี้สามารถกำหนดได้เป็น:

จากสมการข้างต้น เราสามารถคำนวณแรงดันไฟฟ้าอินพุต V ได้ _ใน .

เพื่อคำนวณกระแสรวมในรูปของ V _ออก แรงดันไฟฟ้าให้ใช้ V ข้างต้น _ออก สมการ

ดังนั้น วี _ออก สมการจะกลายเป็น:

ตอนนี้ให้พิจารณาวงจรตัวแบ่งแรงดันไฟฟ้าหลายตัวที่มีเอาต์พุตหลายตัวผ่านตัวต้านทาน

สมการเอาท์พุตจะกลายเป็น:

ในสมการข้างต้นนี้ ใน _{เอ็กซ์} คือแรงดันไฟขาออก

ร _{เอ็กซ์} คือผลรวมของตัวต้านทานทั้งหมดที่ต่ออยู่ในวงจร

ค่าที่เป็นไปได้ของ ร _{เอ็กซ์} เป็น: