Czym dokładnie jest napięcie?

Trochę dziwne pytanie, ale co to jest? Mój nauczyciel fizyki powiedział, że to coś w rodzaju „pchnięcia”, które popycha elektrony wokół obwodu. Czy mogę uzyskać bardziej złożone wyjaśnienie? Każda pomoc jest mile widziana.

Twój nauczyciel miał rację.

Prąd to poruszające się ładunki elektryczne (zwykle elektrony). Nie robią tego sami bez żadnego powodu, podobnie jak wózek sklepowy przesuwa się po podłodze sklepu sam w sobie. W fizyce nazywamy siłę, która popycha ładunki, siłą elektromotoryczną lub „EMF”. Prawie zawsze wyraża się ją w jednostkach woltów, więc zwykle bierzemy mały skrót i przez większość czasu mówimy „napięcie”. Technicznie EMF to wielkość fizyczna, a wolty to jedna jednostka, w której można ją obliczyć.

EMF można wygenerować na kilka sposobów:

1. Elektromagnetyczny. Gdy przewodnik (jak drut) przesunie się na boki przez pole magnetyczne, na całej długości drutu powstanie napięcie. Generatory elektryczne, takie jak w elektrowniach i alternator w samochodzie, działają na tej zasadzie.

2. Elektrochemiczny. Reakcja chemiczna może powodować różnicę napięcia. Baterie działają na tej zasadzie.

3. Fotowoltaiczne. Rozbij fotony na półprzewodnikową diodę we właściwym miejscu, a otrzymasz napięcie. Tak działają ogniwa słoneczne.

4. Elektrostatyczny. Pocieraj dwa odpowiednie materiały razem, a jeden zrzuca elektrony na drugi. Dwa materiały, które dobrze wykazują to zjawisko, to plastikowy grzebień i kot. Dzieje się tak, gdy przetasujesz odpowiedni dywan, a następnie dostaniesz trzasku po dotknięciu metalowego przedmiotu. Wcieranie balonu w koszulę powoduje, że balon „przykleja się” do czegoś innego. W takim przypadku pole elektromagnetyczne nie może wprawić elektronów w ruch, ale wciąż je ciągnie, co z kolei pociąga za balon, na którym utknęły.

   Ten efekt można skalować w celu uzyskania różnych wysokich napięć i stanowi on podstawę działania generatorów Van de Graaffa .

5. Termoelektryczny. Gradient temperatury wzdłuż większości przewodów powoduje napięcie. Nazywa się to efektem Siebecka . Niestety nie można tego wykorzystać, ponieważ aby użyć tego napięcia, ostatecznie powstaje zamknięta pętla. Wszelkie napięcie uzyskane w wyniku wzrostu temperatury w części pętli jest następnie kompensowane spadkiem temperatury w innej części pętli. Sztuką jest użycie dwóch różnych materiałów, które wykazują różne napięcie w wyniku tego samego gradientu temperatury (inny współczynnik Siebecka). Użyj jednego materiału wychodzącego do źródła ciepła i innego wracającego, a otrzymasz napięcie netto, którego możesz użyć w tej samej temperaturze.

   Całkowite napięcie, które dostajesz z jednego wyjścia z powrotem, nawet przy wysokiej różnicy temperatur, jest dość małe. Zestawiając wiele z tych kombinacji z powrotem i z powrotem, możesz uzyskać przydatne napięcie. Pojedyncze wyjście i powrót nazywane jest termoparą i może być używane do wykrywania temperatury. Wiele razem jest generatorem termopar. Tak, one faktycznie istnieją. Statki kosmiczne zasilane były na tej zasadzie, a źródło ciepła pochodziło z rozpadu izotopu radiowego.

6. Thermionic . Jeśli podgrzejesz coś wystarczająco wysoko (100 ° C), wówczas elektrony na jego powierzchni poruszają się tak szybko, że czasami odlatują. Jeśli mają miejsce do lądowania, które jest zimniejsze (aby nie stamtąd odlatywały), masz generator termionowy. Może to zabrzmieć zbyt daleko, ale były też statki kosmiczne zasilane z tej zasady, a źródło ciepła znów ulegało rozpadowi radioizotopowemu.

   Lampy elektronowe wykorzystują tę zasadę częściowo. Zamiast czegoś podgrzewać, aby elektrony odlatywały same, możesz ogrzać je prawie do tego punktu, aby odlatywały, gdy przyłoży się trochę dodatkowego napięcia. Jest to podstawa diody lampy próżniowej i ważna dla większości lamp próżniowych. Właśnie dlatego te lampy miały grzejniki i widać było, że świecą. Dotarcie do temperatury tam, gdzie efekt termionowy jest znaczący, wymaga świecących temperatur.

7. Piezoelektryczny. Niektóre materiały (na przykład kryształ kwarcu) wytwarzają napięcie po ściśnięciu. Niektóre mikrofony działają na tej zasadzie. Zmienne fale ciśnienia w powietrzu, które nazywamy dźwiękiem, ściskają się na przemian i wyciskają na przemian kryształ kwarcu, co powoduje, że wytwarza on małe fale napięcia. Możemy je wzmocnić, aby w końcu wytwarzać sygnały, które można nagrywać, napędzać głośniki, aby można je było usłyszeć itp.

   Ta zasada jest również stosowana w wielu zapalnikach do grilla. Mechanizm sprężynowy dość mocno uderza kryształ kwarcu, aby wytworzył napięcie wystarczające do wywołania iskry.

Stosując analogię płynów, napięcie to ciśnienie, prąd to natężenie przepływu.

„Napięcie” jest wielkością pochodną. Trudno zrozumieć jego fizyczne znaczenie bez zrozumienia ilości, z których się wywodzi.

$P_1$$P_2$$q_1$$q_2$$r$

$F = k\dfrac{q_1 q_2 }{r^2}$

$P_1$$P_2$$P_1$$P_2$$q_2$$q_1$$q_2$

$\bar{E} = \lim \limits_{q_1 \to 0} \dfrac{\bar{F}}{q_1} \quad \mbox{(} q_2 \mbox{ is unit positive charge)}$

Podejmujemy podejście do zera, aby pominąć niektóre inne efekty elektromagnetyczne; nie pozwól, żeby cię to tak bardzo mylić. Jest to coś w rodzaju „aury, która jest w stanie wytworzyć pewną siłę na jednoczący ładunek elektryczny”. Jego kierunek jest taki sam, jak kierunek siły, którą wytwarza, a jego wielkość jest proporcjonalna do wielkości siły.$q_1$

Teraz przekonujemy się, że te wielkości, które zdefiniowaliśmy, są bardzo podobne do niektórych innych znanych nam wielkości fizycznych. Na przykład powyższa siła jest bardzo podobna do siły między Ziemią a obiektem kosmicznym, takim jak Księżyc. A pole jest bardzo podobne do pola grawitacyjnego Ziemi.$\bar{E}$

Powstaje wówczas idea zdefiniowania potencjału elektrycznego, który jest podobny do potencjału obiektu kosmicznego względem Ziemi. Potencjałem punktu w przestrzeni wokół Ziemi jest energia na jednostkę masy, która doprowadzi obiekt (który ma masę jednostkową) z nieskończoności do tego punktu. Kiedy zdefiniujemy to w Elektrostatyki, potencjał punktu staje się:$P_2$

$V_2 = - \int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

Następnie potencjalna różnica między dwoma niezależnymi punktami ( i ) w przestrzeni w polu (spowodowana przez ) wynosi:$P_2$$P_3$$\bar{E}$$q_1$

$V_2 - V_3 = \left(-\int \limits_{\infty}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}\right) - \left(-\int \limits_{\infty}^{P_3} \bar{E} d\bar{\ell}\right) = \int \limits_{P_3}^{P_2} \bar{E} d\bar{\ell}$

Zauważ, że pole elektryczne jest wolne od zwijania się, co oznacza, że ​​zawsze może być reprezentowane jako gradient pola skalarnego ( ). Te całki liniowe są niezależne od ścieżki.$\bar{E} = - \bar{\nabla} V$

To jest definicja pola potencjalnego. Punkt zawsze będzie miał potencjał, nawet jeśli nie będzie za niego obciążony. Pomyśl o tym jako o „energii potrzebnej do przeniesienia ładunku jednostkowego z nieskończoności”. Potencjalna różnica między dwoma punktami jest podobna; jest to energia potrzebna do przeniesienia ładunku jednostkowego z jednego punktu do drugiego. Albo pomyśl o tym na bardziej konkretnym przykładzie, takim jak ciała niebieskie. Potencjalna różnica między wysokością 100 km a 200 km nad powierzchnią Ziemi to nic innego jak różnice w energii potencjalnej między dwoma 1 kg obiektami na danych wysokościach.

Kiedy dochodzimy do prawdziwego świata, potencjał punktu to niektóre ze wszystkich indywidualnych potencjałów wywołanych przez otaczające ładunki (obowiązuje teoria superpozycji).

Napięcie pojawia się zawsze, gdy występuje nierównowaga ładunku elektrycznego (tj. Elektronów). Ponieważ podobne ładunki odpychają się i przyciągają przeciwne ładunki, każda kolekcja naładowanych elektrycznie cząstek wytwarza na sobie pewną siłę. Jeśli występuje nierównowaga od ujemnej do dodatniej, powstaje rodzaj „nacisku” lub „pchnięcia”. Podczas przewodzenia materiałów elektrony mogą swobodnie przepływać przez materiał, w przeciwieństwie do wiązania się w atomach, a zatem będą płynąć do punktu najmniejszego „ciśnienia”.

Kilka skomplikowanych uwag:

• Elektryczność i chemia są ze sobą ściśle powiązane. Na przykład w akumulatorze nierównowaga chemiczna powoduje nierównowagę elektryczną (napięcie) na zaciskach, zmuszając naładowane cząstki na jedną stronę. Chemia wpływa również na warunki elektryczne na inne sposoby.
• Prąd (I) to przepływ elektronów, jednak elektrony (ponieważ są ujemne) przepływają w przeciwnym kierunku niż „prąd”. Prąd jest wówczas konceptualnym przepływem ładunku dodatniego, mimo że rzeczywisty przepływ jest ujemny, ale w przeciwnym kierunku. To pokazuje, że negatywne „push” jest dokładnie takie samo jak pozytywne „pull”.

Definicja, którą słyszałem to:

Napięcie to potencjał (opłaty) do wykonania pracy.

Innymi słowy, napięcie to energia podana jednostce ładunku, tj. , gdzie to energia, a to ładunek. E$V = {dE \over dQ}$$E$$Q$

Szybki numerek, pierwsze przybliżenie, praktyczna odpowiedź: napięcie to ciśnienie elektryczne.

Ale rozwijając to: napięcie nie jest jak ciśnienie, nie do końca. Zamiast tego jest to koncepcja matematyki / fizyki zwana „potencjałami”. Napięcie jest bardziej podobne do wysokości w polu grawitacyjnym, gdzie każdy elektron lub proton jest jak głaz. Wysokość nie jest ciśnieniem, ciężarem ani siłą. Jeśli głaz znajduje się na szczycie wzgórza, głaz znajduje się w miejscu o wysokim potencjale. Oznacza to, że głaz gromadzi energię potencjalną (PE) i uwolni tę energię jako energię kinetyczną (KE), jeśli będzie mógł zjechać w dół (przejść do miejsca o niskim potencjale). Podniesiony do tego samego napięcia (wysokości) większych głazów miałby wyższy PE.

Dokładniej: napięcie jest elektryczne Potencjał. To nie jest siła (nie jest to siła docisku głazu ani ciężar, ani nie jest to jak siła wywierana na ładunek elektryczny w polu elektrycznym.) Również napięcie nie jest energią potencjalną, ponieważ jeśli zabierzemy głaz, wtedy grawitacja, wysokość i potencjał nadal istnieją. Potencjały są częścią samego pola. Wzory napięcia mogą wisieć w pustej przestrzeni.

Napięcie to sposób opisywania / wizualizacji / pomiaru pól elektrycznych.

Aby opisać pola elektryczne, możemy narysować linie strumienia między przeciwnymi ładunkami elektrycznymi. Lub zamiast tego możemy narysować wzór napięcia, powierzchnie potencjometru, rysując je prostopadle do linii strumienia. Gdziekolwiek znajdziemy elektryczne linie siły, znajdziemy również napięcie.

Czym nie jest napięcie? Jakie są typowe nieporozumienia? Oto duży: „napięcie jest rodzajem energii potencjalnej”. Nie, źle. Zamiast tego napięcie jest pojęciem matematycznym „Potencjały”, które nie są energią, ani „potencjałem do zrobienia czegoś”. Oto kolejny błąd: „napięcie to energia potencjalna na jednostkę ładunku”. Nie, źle. To tylko fizyczna definicja jednostki Volta, łącząca ją z jednostkami Joule'a i Coulomba. W rzeczywistości dzieje się w drugą stronę: ilość energii (ilość pracy wykonanej w celu przesunięcia ładunku o pewną różnicę napięcia) znajduje się poprzez pomnożenie ładunku przez zmianę napięcia! Energia elektryczna zależy od napięcia! Ale samo napięcie nie wymaga ruchu ładunku ani magazynowania energii potencjalnej, ponieważ napięcie jest sposobem na opisanie pola w pustej przestrzeni. Ładunki testowe stosowane do opisu napięcia są urojonymi ładunkami nieskończenie małymi. Kolejny błąd: „napięcie pojawia się na powierzchni drutów”. Źle, napięcie faktycznie rozciąga się na przestrzeń wokół drutów. W połowie odległości między zaciskami akumulatora 9 V znajdziesz potencjał 4,5 V, wiszący samotnie w pustej przestrzeni! Ale typowe woltomierze nie wykryją napięcia kosmicznego, ponieważ wymaga to woltomierza z nieskończonym Z (inp), lub co najmniej kilkuset gigomów. Normalne woltomierze 10Meg DMM pobierają znaczny prąd, powodują zwarcie wszelkich czystych pól elektrycznych, dlatego należy je dotykać powierzchni przewodów w celu pomiaru napięcia. Znajdę potencjał 4,5 V, wiszący samotnie w pustej przestrzeni! Ale typowe woltomierze nie wykryją napięcia kosmicznego, ponieważ wymaga to woltomierza z nieskończonym Z (inp), lub co najmniej kilkuset gigomów. Normalne woltomierze 10Meg DMM pobierają znaczny prąd, powodują zwarcie wszelkich czystych pól elektrycznych, dlatego należy je dotykać powierzchni przewodów w celu pomiaru napięcia. Znajdę potencjał 4,5 V, wiszący samotnie w pustej przestrzeni! Ale typowe woltomierze nie wykryją napięcia kosmicznego, ponieważ wymaga to woltomierza z nieskończonym Z (inp), lub co najmniej kilkuset gigomów. Normalne woltomierze 10Meg DMM pobierają znaczny prąd, powodują zwarcie wszelkich czystych pól elektrycznych, dlatego należy je dotykać powierzchni przewodów w celu pomiaru napięcia.

Co to jest napięcie? To stos niewidzialnych membran, które wypełniają przestrzeń między naładowanymi płytami kondensatora. Napięcie to wzór koncentrycznych warstw cebuli otaczających dowolny naładowany przedmiot, przy czym warstwy cebuli biegną prostopadle do linii strumienia pola elektrycznego. Tak więc „stosy warstw napięcia” to jeden ze sposobów opisu pola elektrycznego. Innym bardziej znanym sposobem jest użycie „linii siły”.

Właściwie nie możemy.

Siła elektrostatyczna jest proporcjonalna do gradientu potencjału, ale nie bezpośrednio do potencjału. Siła na jeden kulomb ładunku jest proporcjonalna do gradientu potencjału:

$F= Q \times {d[V]\over dl }$

W rzeczywistości 1 V oznacza, że ​​jeśli masz 1 dżul energii elektrycznej, zostanie ona przeniesiona do energii mechanicznej na ładunkach kulombowskich +1 [więc przyspieszy lub zwiększy swój 1 / 2mV ^ 2 o 1 J]. W rzeczywistości jest analogiczny do energii.

Dodając do tego, co powiedział Gunnish:

Napięcie w punkcie A jest dosłownie miarą pracy, którą musiałbyś spędzić, gdybyś przesunął ładunek dodatni z 0 V (zwykle zdefiniowany jako nieskończenie daleko od A lub uziemienia) do A.

Napięcie jest ważne w elektronice, ponieważ jeśli zaczniemy z ładunkiem dodatnim w punkcie A, jest on w stanie wykonać taką samą pracę, dochodząc do 0 V (np. Włączenie diody LED w procesie).

To, co popycha wybory, to różnica w energii potencjalnej, podobnie jak sposób, w jaki jesteś przyciągany / przyciągany na ziemię przez grawitację. Powoduje to sprzyjające prawdopodobnie przemieszczanie się elektronów w jedną stronę, co częściowo tłumaczy, dlaczego elektrony poruszają się „losowo” w drucie.