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1.4电阻网络的潜在差异

考虑在均匀电场中将电荷从A点移动到B点的任务。假设这种移动是与电场方向相反的。外部力会对这个电荷做功,而这个功会使电荷的电势能增加。所做的功等于电势能的变化量。这种电势能的变化会在A点和B点之间产生电势差。这种电势差被称为电势差,其单位是伏特(V)。

电势差的定义

电势差用ΔV表示,定义为两点之间的电势或电压的差值。 如果A点的电势是VA,B点的电势是VB,那么根据电势差的定义,

ΔVBA = VB - VA

例如,考虑以下电阻R1。

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在电阻的一端(点A)施加的电势为8伏特,而在电阻的另一端(点B)的电势为5伏特。

两点A和B之间的电势差为

VAB = 8 - 5 = 3伏特。

这也被称为电阻两端的电势。

电流以电荷的形式在电路中流动,而电势本身并不流动或移动。电势差是施加在两点之间的。

两点之间的电势差单位是伏特。伏特被定义为通过1欧姆(Ω)电阻的1安培电流所产生的电势降。

因此

1伏特 = 1安培 × 1欧姆
V = I × R

根据欧姆定律,线性电路中的电流与电路两端的电势差成正比。因此,如果施加在电路两端的电势差更大,那么电路中的电流就更大。

例如,如果一个1Ω电阻的一侧电势为8伏特,而另一侧为2伏特,那么电阻两端的电势差为5伏特。流经电阻的电流为

I = V/R = 5V/1Ω = 5安培

现在,对于同一个1Ω电阻,如果一端的电势从8伏特提高到12伏特,而另一端从2伏特提高到4伏特。那么电阻两端的电势差现在为8伏特。在这种情况下,流经电阻的电流为8安培。

I = V/R = 8V/1Ω = 8安培

通常在电路中,较低的电势是地或接地。这个值通常被认为是0伏特。因此,电势差等于施加的电压。地被认为是电路中的公共点。将地或接地作为电路中的公共点,有助于更容易地理解电路。电势差也被称为电压。

串联连接的电压相加得到电路中的总电压。这可以在串联电阻中观察到。如果V1、V2和V3串联连接,那么总电压VT由以下公式给出

VT = V1 + V2 + V3

在并联连接的元件中,它们两端的电压是相等的。这可以在并联电阻的教程中观察到。

VT = V1 = V2 = V3。

电势差示例

1.如果将1500焦耳的电势能转移到125库仑的电荷之间,那么电势差为:

∆E = 1500焦耳
Q = 125库仑
电势差 V = ∆E / Q
V = 1500 / 125 = 12焦耳/库仑 = 12伏特

2.考虑一个电阻为10Ω的电阻器。假设电阻器的一端连接到15伏特的电势,另一端连接到5伏特的电势。流过电阻器的电流可以如下计算。

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电阻的两个端点分别处于两个不同的电势,即分别为15伏特和5伏特。设这两个端点分别为A和B。因此,A点的电压为VA = 15伏特,B点的电压为VB = 5伏特。那么,A和B之间的电势差即为电阻两端的电压。

VAB = VA - VB = 15 - 5 = 10伏特

然后,流经电阻的电流可以利用欧姆定律计算如下:

I = VAB / R = 10 / 10 = 1安培。

电压分配器电路

串联连接的电阻用于产生电压分配器电路。电压分配器是一种线性电路,其输出电压是输入电压的一个分数。

下面展示了一个带有两个电阻的简单电压分配器电路。

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串联连接中每个电阻上的电压与电阻的阻值有关。分压原理是产生一个输入电压的分数部分的电压。

以下电路用于展示多路输出电压的分压原理。

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在这里,电阻R1、R2、R3和R4是串联连接的。每个电阻上的输出电压都参考一个公共点P。设串联电阻的等效电阻为RT,那么RT = R1 + R2 + R3 + R4。

设每个电阻上的电位差分别为R1的VR1、R2的VR2、R3的VR3和R4的VR4。那么上述电路可以产生4个不同的电压,这些电压是电源电压V的分数。

分压公式

典型分压电路中输出电压的值按以下方式计算。

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这里,Vin是电源电压。I是电路中的电流,它流经两个电阻。

设VR1是电阻R1上的电压降,VR2是电阻R2上的电压降。那么这些单独的电压降之和等于电路的总电压,即电源电压Vin。

Vin=VR1+VR2---1

每个电阻上的单独电压降可以根据欧姆定律计算得出。

VR1=I×R1---2
以及VR2=I×R2---3

但电阻R2上的电压是VOUT。

因此VOUT=I×R2---4

因此,根据方程1、2和3

Vin=I×R1+I×R2=I×(R1+R2)---5

但电流I的值可以用方程4以输出电压的形式表示如下。

I = VOUT/R2---6

使用方程5和6

​VOUT = Vin × (R¬2 / R1 + R2)
因此VOUT = VIN × R2/(R1+R2)

在具有多个输出的分压电路中,可以使用以下公式计算输出电压。

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VX = V × (RX / REQ)
其中,VX是要找到的电压。
RX是输出电压之间的总电阻。

RX的可能值是:

在P和P1之间是
在P和P2之间是 R1+R2
在P和P3之间是 R1+R2+R3
在P和P4之间是 R1+R2+R3+R4

REQ是串联电阻的等效电阻。

REQ=R1+R2+R3+R4

V是电源电压。

因此,可能的输出电压是:

V1 = V × R1 / REQ
V2 = V ×(R1 + R2) / REQ
V3 = V × (R1 + R2 + R3) / REQ
V4 = V × (R1 + R2 + R3 + R4) / REQ = V

分压器示例

考虑以下分压器电路。

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它由三个串联连接的电阻组成,用于产生两个输出电压。电源电压为240伏。

电阻的阻值分别为:R1=10Ω,R2=20Ω,R3=30Ω。

因此,电路的等效电阻为:

REQ=R1+R2+R3=10+20+30=60Ω

现在,两个可能的输出电压可以按以下方式计算:

Vout1 = V × (R2 + R3) / REQ
Vout1 = 240 × (20 + 30) / 60
Vout1= 200 V.
Vout2 = V× R3 / REQ
Vout2= 240 × 30 / 60
Vout2 = 120 V.

电路中的电流为:

I = V / REQ = 240 / 60 = 4 Amps.

因此,每个电阻上的单独电压降可以按以下方式计算:

VR1 = I × R1 = 4 × 10 = 40 V.
VR2 = I × R2 = 4 × 20 = 80 V.
VR3= I × R3 = 4 ×30 = 120 V.

分压电路的应用

串联连接的电阻会形成分压电路。分压原理是构建电位器的基础,电位器可以作为简单的电压调节器。

分压电路用于传感电路。最常以分压电路形式使用的传感器是热敏电阻和光敏电阻。