Jeśli napięcie jest mierzone między dwoma punktami na przewodzie, bez rezystancji pomiędzy nimi, czy napięcie wynosi zero?

Mam obwód szeregowy. Powiedzmy, że bateria ma potencjalną różnicę wynoszącą 10 Volts.

W dwóch punktach drutu, zanim prąd uderzy w rezystory, podłączam czytniki woltomierza. Skoro nie ma oporu, a wzór na napięcie brzmi V = IR, czy to oznacza, że ​​napięcie odczytałoby zero między tymi dwoma punktami?

Ale jak to możliwe - wiemy, że płynie 10 woltów prądu!

Mój nauczyciel podaje przykład, że elektryczność jest jak płynąca rzeka. Napięcie jest siłą bieżącej wody. Ułóż skały na środku rzeki i to jest opór. Ale jeśli nie stosujesz kamieni i nie mierzysz w dwóch punktach, nie oznacza to, że w rzece nie ma prądu (czytaj: napięcie).

Czy ktoś może wyjaśnić?

Wygląda na to, że napięcie i prąd są splecione.

Napięcie jest bardziej poprawnie nazywane siłą elektromotoryczną . Sam w sobie nie płynie ani nie przenosi energii.

Prąd (zwykle mierzony w amperach) jest miarą przemieszczania się ładunku elektrycznego w jednostce czasu. Prąd sam w sobie nie jest również przepływem energii.

$I$$E$

Pomaga myśleć o tym w kategoriach analogicznych układów mechanicznych, ponieważ możemy obserwować układy mechaniczne bezpośrednio naszymi zmysłami. Układy mechaniczne mają również moc, gdzie jest ona równa iloczynowi siły i prędkości:

Jeśli masz siłę, ale nie masz prędkości, nie masz siły. Przykładem może być gumka rozciągnięta między dwoma stacjonarnymi podporami. Zespół wywiera siłę na podpory. To napięcie jest energią potencjalną. Ale nic się nie rusza i żadna z energii zgromadzonej w rozciągniętym paśmie nie jest przenoszona na nic innego.

Jeśli jednak zespół może poruszać podporami, teraz mamy prędkość. Gdy pasmo porusza podporami, energia zmagazynowana w rozciągniętym pasmie zostanie przekształcona w energię kinetyczną w podporach. Szybkość, z jaką odbywa się ten transfer energii, to moc.

Napięcie to siła poruszająca ładunek elektryczny. Prąd to prędkość ładunku elektrycznego. Opór to łatwość przenoszenia podpór.

Oto mechaniczny system, który jest bardziej analogiczny do twojego obwodu:

Mamy sztywny pierścień przymocowany do silnika, który przykłada pewną siłę, aby go obrócić. Również przymocowany do pierścienia mamy hamulec, który jest odporny na obrót pierścienia. Aby ta analogia była poprawna, musi to być hamulec, który zapewnia siłę proporcjonalną do prędkości poruszającego się przez nią pierścienia. Wyobraź sobie, że jest on sprzężony z wentylatorem, więc gdy pierścień obraca się szybciej, wentylator obraca się szybciej, tworząc większy opór aerodynamiczny .

$1kN$

Jakie inne siły działają na pierścień? Ponieważ rozważamy wyidealizowany system bez tarcia, nie ma go. Jeśli wstawisz tensometry w punktach A i B, zmierzysz różnicę między nimi. B jest ściskany, gdy silnik wpycha pierścień w hamulec wbrew jego oporności, a A jest rozciągany, gdy silnik wysysa go z hamulca.

Ale jaka jest różnica między B i C? nie ma żadnego. Jeśli nie jest to intuicyjnie oczywiste, zastanów się, że musisz wyciąć szczelinę w pierścieniu i włożyć rękę, aby ta maszyna mogła go zniszczyć. Czy jest punkt, w którym wolisz to zrobić? Nie, twoja ręka zostanie równo zmiażdżona, niezależnie od tego, gdzie to zrobisz po lewej stronie pierścienia.

Siły mierzone przez tensometry są analogiczne do napięcia. Możemy mierzyć tylko napięcia względem niektórych innych napięć. Dlatego twój woltomierz ma dwie sondy. Gdziekolwiek umieścisz czarny przewód zdefiniowany jest jako „0V”. Scenariusz przedstawiony w pytaniu przypomina pomiar różnicy między B i C: wynosi zero.

To wydaje się trochę dziwne, ponieważ wiemy, że po całej stronie pierścienia występuje siła ściskająca. Wydaje się, że to powinno być na coś dobre. Ale rozważ to: ciężar całego gazu w ziemskiej atmosferze powoduje ciśnienie na poziomie morza około 15 funtów na cal kwadratowy. Czy to oznacza, że ​​możemy stworzyć maszynę napędzaną tylko dlatego, że jest narażona na to ciśnienie? Nie. Aby pracować z tym ciśnieniem atmosferycznym, potrzebujemy różnicy ciśnień. Bez różnicy nie możemy poruszać powietrzem. Zastanów się ponownie nad powyższymi definicjami mocy i powinno być jasne, jak to jest prawdą.

Zarówno twój woltomierz, jak i nauczyciel mają rację, ale analogia wody do elektryczności może iść tak daleko. Jedną z dużych wad jest to, że w przeciwieństwie do wody nie ma napięcia absolutnego. Napięcie jest zawsze względne między dwoma punktami.

Nie ma czegoś takiego jak „10 woltów przepływającego prądu”. Napięcie to siła, która popycha ładunki do wytworzenia prądu. Prąd to ładunki faktycznie płynące. Jest całkiem możliwe, aby mieć napięcie bez prądu i prąd bez (lub bez mierzalnego) napięcia.

Analogia rzeki twojego nauczyciela faktycznie nadal działa w tym przypadku, jeśli zastosujesz ją poprawnie. Napięcie to ciśnienie w rzece pchające wodę w dół rzeki. W rzece można zobaczyć to ciśnienie jako wysokość powierzchni wody. Kiedy ułożysz skały w rzece, powierzchnia rzeki będzie wyżej nad skałami niż poniżej. Pojawiłoby się to jako różnica ciśnień, gdybyś dokonał pomiaru za pomocą względnego miernika ciśnienia między skałami.

Drut jest jak rzeka bez skał. Ciśnienie w jednym punkcie i kilku stopach powyżej jest nadal zasadniczo takie samo. Właśnie to pokazuje twój woltomierz. Jedną różnicą między prawdziwą rzeką a drutem miedzianym jest to, że drut miedziany jest rzeką znacznie bardziej idealną, w przeciwieństwie do wszystkiego, co może zrobić prawdziwa woda. Drut jest tak nieskalany (nie rezystor), że do przepływu przepływa bardzo niewielkie napięcie. W rzeczywistości istnieje niewielka różnica napięcia między dwoma punktami na przewodzie, ale drut jest tak dobrym przewodnikiem, że ta różnica napięcia jest zbyt mała, aby zmierzyć go zwykły multimetr. Jeśli zastąpisz krótki kawałek drutu kilkoma 10-metrowymi drutami, a następnie wykonasz pomiary, multimetr może pokazywać niewielkie napięcie.

płynie 10 woltów prądu!

Napięcie nie „płynie”. Jest to miara potencjału elektrowoltaicznego, a zatem istnieje tylko w dwóch punktach.

To tak samo, jak próba zmierzenia wysokości góry; nie ma czegoś takiego jak „wysokość bezwzględna”, istnieje tylko wysokość w stosunku do czegoś innego, np. równiny wokół niej, poziom morza itp.

Napięcie polega na tym, że zawsze musi być mierzone względem czegoś. Innymi słowy, mierniki mierzą różnice napięcia, a nie poszczególne poziomy napięcia . W idealnej sytuacji miernik w twoim przykładzie będzie czytał zero. Jednak nawet drut ma niewielką rezystancję, więc wystąpi bardzo mały odczyt napięcia, jeśli masz miernik o precyzji mikrowoltowej.

Odchodząc od małej stycznej z wyjaśnieniem różnicy napięcia, poziomy napięcia tak naprawdę nie ranią ludzi. Różnice napięcia ranią ludzi. W ten sposób technicy mogą pracować na 500 000 linii napięcia bez smażenia. Podnoszą poziom napięcia do 500 KV, więc różnica napięć na ciele wynosi zero.

Oto przykład, który jeden z moich nauczycieli fizyki powiedział nam, aby pomóc zrozumieć tę koncepcję. Wyobraź sobie, że jesteś na szczycie budynku Empire State. Ta wysokość cię nie skrzywdzi. Jeśli jednak skoczysz, różnica wysokości może cię zabić. Jest to ta sama koncepcja z napięciem.

W rzeczywistości występuje spadek napięcia między dowolnymi dwoma punktami wzdłuż drutu - ale będzie on niewielki, ponieważ rezystancja drutu jest niewielka (nawet drut ma kilka kamyków).

Przykład : Jeśli rezystancja drutu między dwoma bolcami jest bardzo mała (powiedzmy 1/1000 omów) i płynie prąd o wartości 1 Amp, nastąpi spadek napięcia o 1/1000 th wolta (0,001 V) zęby woltomierza.

Jeśli twój woltomierz jest ustawiony na zakres 10 V, nie zobaczysz tego spadku napięcia, a miernik odczyta zero.

Jeśli możesz uzyskać woltomierz do pomiaru w dół do zakresu mV lub nawet uV, zobaczysz, że przesuwając bolce miernika wzdłuż drutu, otrzymasz zmianę napięcia, o ile prąd przepływa przez obwód.

Jeśli nie płynie ŻADNY prąd (tj. Obwód jest przerwany), zmiana napięcia nie zostanie uzyskana.

Wynika to z tego, że woltomierz mierzy różnicę napięcia między dwiema sondami. Ponieważ między przewodami nie ma elementu obwodu, takiego jak rezystor, który obniża napięcie, różnica napięć wynosi zero, a odczyt napięcia wynosi zero. W odniesieniu do twojej analogii rzeki, ponieważ nie ma skał (oporników AKA), ilość wody i szybkość, z jaką woda płynie pomiędzy twoimi sondami, będzie taka sama.

Jeśli mierzone jest napięcie, wówczas napięcie jest zgodne z definicją. Jeśli po prostu nazwiesz to zero na podstawie innych argumentów, takich jak rezystywność i odległość drutu oraz ilość przepływającego prądu, to nie będzie to już uwzględniać pomiaru.