Почему схемы считаются петлями?

17

Итак, я знаю, что когда вы говорите о чем-то вроде схемы, которая включает в себя батарею, схема выглядит как петля, но это просто из-за того факта, что источник питания физически находится близко к выходу.

Тем не менее, это не должно быть так, верно? Батареи просто автономны, потому что это удобно, но вы можете разрядить источник питания, подключив его к ЛЮБОЙ положительно заряженной конечной точке, если я правильно понимаю.

Поэтому схемы считаются циклами только потому, что об этом так удобно думать? Как река не может течь по кругу, так и электричество не может, потому что оно сработает до чистого нулевого потенциала, что означает отсутствие движения!

dudewad
источник
8
«но вы можете отключить источник питания, подключив его к ЛЮБОЙ положительно заряженной конечной точке»… неправильно!
Trevor_G
49
Река течет в цикле, просто эта часть цикла включает в себя океан, облака и дождь.
Эндрю Мортон
4
Ваша проблема - попытаться подогнать энергию и электроны / ток к одной и той же модели. Ток - это цепь, которая передает энергию от источника питания к нагрузке. Как и все цепочки, чтобы продолжить работу .. они должны вернуться к источнику.
Trevor_G
4
Закон Ома и все в EE - это удобная абстракция реального беспорядка, который там происходит.
Евгений Ш.
7
Не технический ответ, но с этимологической точки зрения «схема» означает «петля»: etymonline.com/word/circuit
DukeZhou

Ответы:

25

Большинство цепей считаются петлями, потому что заряд в проводящих материалах имеет тенденцию сравнительно быстро выравнивать разности электростатического потенциала. Возьмите длинный провод / прут, например. Допустим, вы можете добавить электроны к одной стороне. Сначала вы начинаете с 0 электронов. Когда вы добавляете первый электрон, вокруг ничего больше нет, поэтому он может идти куда угодно. Когда вы добавляете второй электрон, он выталкивает первый электрон как можно дальше, чтобы попытаться создать баланс заряда в стержне. Это первое движение электрона на самом деле является крошечным током, и его движение можно использовать для извлечения из него работы (потому что для добавления второго электрона в систему потребовалась работа). Добавление третьего электрона подтолкнет второй электрон к середине. Второй электрон Движение - половина первого, так что вы можете извлечь из него только половину работы. Первый электрон находится на другом конце и не двигался в этой точке. Если вы продолжите добавлять электроны к стержню на одном конце, движение других электронов будет все меньше и меньше. Вскоре вы окажетесь под напряжением в тысячи вольт и не сможете извлечь из этого никакой работы, потому что электронам просто некуда деться.

Вместо этого, что если мы уберем электроны с одной стороны и добавим их с другой? Теперь каждый электрон, с которым вы это делаете, заставит все остальные электроны двигаться в одном направлении в одинаковом направлении. Теперь вы можете извлечь из системы единое количество работы для каждого перемещаемого вами электрона. Но что ты сделал? Вы создали петлю, в которой ваша рука перемещает отдельные электроны одновременно. Вот почему большинство схем используют петлю. Есть что-то, что толкает электроны в одном (или, может быть, в обоих) направлении. В вашем случае это батарея, но генераторы и различные другие методы могут быть использованы для «накачки» электронов с целью извлечения из них работы в другом месте.

Орта
источник
1
Это действительно хорошее объяснение, спасибо. Таким образом, в основном батарея является «насосом», а также «ловушкой» для толкания электронов в систему, а затем ловить их, когда они выпадают на другом конце?
dudewad
Я хочу уточнить суть моего вопроса, хотя: сторона «насоса» батареи и сторона «ловушки» батареи не связаны, кроме как через саму цепь, то есть это не является полностью замкнутым контуром в буквальном смысле. Definiton. Правильно ли я это сказал?
dudewad
8
@dudewad они на самом деле тесно связаны. Если вы посмотрите на батарею, то увидите, что единственная причина, по которой она работает, заключается в том, что она позволяет ионам (заряженным атомам) уравновесить разницу зарядов, вызываемую движущимися электронами. Для каждого движущегося электрона (-) положительный ион должен перемещаться внутри другой пластины батареи, чтобы сбалансировать это.
Орта
1
@dudewad Если бы вы разобрали батарею и удалили соединение электролита между ними (препятствуйте движению ионов), то ваша батарея быстро перестала бы работать.
Орта
1
@dudewad аккумулятор содержит «магические химические вещества», которые перемещают электроны с положительной стороны на отрицательную сторону.
user253751
6

Вы можете думать о батарее как о электронном насосе, он химически перемещает электроны от положительного конца к отрицательному, чтобы поддерживать определенное «электрическое давление» (это то, что ранние парни называли разностью потенциалов в некоторых старых книгах, и это не плохая модель).

Чтобы реально заставить эту вещь делать что-то полезное, вам нужно указать путь для потока электронов, который использует движущиеся электроны для выполнения какой-то интересной задачи [1]. Это может быть нагревание тонкого провода для освещения, или запуск какой-либо другой электрохимической реакции для зарядки другой батареи, или создание магнитного поля в двигателе или что-то еще. Этот путь, безусловно, должен быть циклом, если вы хотите, чтобы система работала дольше, чем очень кратко (подумайте, нано секунд).

Обратите внимание, что ни в одной точке не упоминается земля или что-то подобное, все напряжения измеряются относительно некоторой произвольной точки в ваших действиях, и для того, чтобы это напряжение делало что-либо полезное, должна быть петля для протекания тока [2].

Основание - одно из тех действительно дерьмовых слов, которое означает, по крайней мере, 3 разные вещи в очень зависимой от контекста форме, игнорируйте пока.

[1] Электроны в медном проводнике при любом токе, с которым вы хотите играть, двигаются в среднем очень медленно, думайте меньше миллиметра в секунду, но провод похож на трубу, полную шарикоподшипников, вы нажимаете один за другим конец, один выскочил другой намного быстрее, чем любой шар на самом деле движется вниз по трубе.

[2] Да, я знаю, ворота флэш-памяти, электростатические линзы, лазерные принтеры, всевозможные незначительные исключения, но пока с этим покончено.

Дэн Миллс
источник
Утешительно, что вы говорите это о земле ... потому что да, я смущен этим, поскольку это кажется движущимся определением. Удивительно, что мой дом еще не сгорел. Благодарность!
dudewad
3

Извини, нет. Батарея или любой источник питания в конечном итоге должны оставаться электрически нейтральными. Восстанавливающие силы на разделенном заряде очень велики, и постоянное разделение заряда в масштабе схемы просто не произойдет. Это означает, что если ток течет из одного терминала, он должен проходить через другой. Ближайшим исключением является электретный микрофон, который содержит постоянно разделенные заряды - но не много.

WhatRoughBeast
источник
Но можно ли хранить отрицательно заряженные частицы, скажем, на одном конце коридора, а принимающую среду - на другом конце? Это будет не петля, а, скорее, своего рода «выравнивание». Имеет ли это смысл? Думаю, я пытаюсь уточнить, следует ли понимать «петли» буквально или нет.
dudewad
@dudewad, петли взяты ОЧЕНЬ буквально. Все схемы анализа основаны на цикле. Люди любят указывать на исключения, которые случаются в очень экстремальных ситуациях. Но вы буквально сочтете невозможным анализ цепей, если убедите себя, что заряды могут перетекать в элемент цепи и оставаться там. Макроскопический физический мир достаточно хорошо соответствует этому поведению, так что вам, вероятно, не придется беспокоиться о каких-либо исключениях.
Mkeith
Не только в долгосрочной перспективе, но и мгновенно. Я не буду придираться к нескольким лишним электронам, запущенным из электронной пушки или чего-то еще, но с точки зрения анализа цепей, каждый элемент цепи должен оставаться электрически нейтральным как мгновенно, так и в долгосрочной перспективе.
Mkeith
@mkeith - я добавил фразу специально для учета электронных пушек и подобных источников ионов. И поскольку электронные пушки раньше были частью электронных схем (хотя они не были настроены на производство ненейтральных компонентов), я не понимаю, как их можно отмахнуться.
WhatRoughBeast
@dudewad Если вы только начинаете изучать схемы, воспринимайте идею «петель» буквально. Но имейте в виду, что «петли» и рассказывают только часть истории. Если вы хотите объяснить, что происходит на атомном уровне, когда ток течет по проводу, или что происходит на высоких частотах, или когда задействовано электромагнитное излучение (например, радиопередача), или как работает полупроводниковое устройство любого типа (даже самое основное) работает, нужно гораздо больше теории, чем просто "петли". Но вы должны начать с простых идей и опираться на них ...
alephzero
3

Схема ДОЛЖНА быть петлей. Когда контур замкнут, ток протекает через нагрузку. Когда петля разомкнута, цепь отключается.

Возможно, вы можете предположить, что напряжение - это «сила», которая заставляет заряды протекать в петле. Ток - это поток на единицу времени.

Без цикла нет тока.

... но вы можете отключить источник питания, подключив его к ЛЮБОЙ положительно заряженной конечной точке, если я правильно понимаю.

Нет . Посмотрите на энергосбережении и сохранения заряда . Если мы отводим заряды из положительной потенциальной точки, они ДОЛЖНЫ возвращаться через контрольную точку (отрицательный вывод батареи, GND и т. Д.), То есть течь в замкнутом контуре.

Мартин Петрей
источник
хорошо, это полезно ... это означает, что есть связь между источником и нагрузкой, которая имеет какое-либо отношение к близости?
dudewad
1
... я говорю это потому, что если у вас может быть «земля», где буквально электричество вытекает из петли на землю, тогда… земля каким-то образом становится частью «петли»? Это немного таинственно для меня.
dudewad
4
Это не точно. Заряд может и действительно течет от более высокого потенциала к более низкому потенциалу. Цикл не нужен.
Орта
1
Посмотрите на «землю» как на «обратный путь»
Мартин Петрей
Итак, мой вопрос не совсем безумный? Я буквально хочу уточнить, что это больше похоже на выравнивание заряда, а не на истинную петлю, где электроны каким-то образом магически движутся по кругу (потому что они этого не делают).
dudewad
1

Я считаю, что есть более общий ответ, и мы должны думать о токе, а не о напряжении.

Все цепи должны следовать закону Кирхгофа - основанному на фундаментальных уравнениях Максвелла, которые описывают, как ток течет в любой среде.

Если узел не подключен (через любой носитель на любой частоте), он не может составлять часть цепей. И наоборот, любой узел, который каким-либо образом связан, является частью схемы.

Закон Кирхгофа можно просто сформулировать как «сумма токов в любой цепи равна нулю», т. Е. Для каждого тока, выходящего (в этом случае мы будем называть это положительным током) из узла, идентична и противоположна (отрицательная) комбинаторная сумма токов должен войти в тот же узел.

Если вы сделаете логический вывод, все узлы должны быть соединены в один или несколько циклов, чтобы сумма в цепи была равна нулю. Все негативы и позитивы должны точно отменяться.

Джейсон Морган
источник
Это слишком упрощено. Например, радиопередатчик определенно имеет «ток», протекающий к антенне - вы можете измерить его с помощью обычного измерителя - но сама антенна не является «замкнутой цепью». Физически это просто набор кусочков проводящего материала, построенный в определенной геометрической конфигурации. Если вы измеряете сопротивление постоянному току между «клеммами» антенны, это разомкнутая цепь!
alephzero
Антенна - это замкнутая цепь. Обычная антенна имеет две «пластины» с чередующимся коллапсирующим зарядом, перемещающимся между ними. Из-за эффекта плоскости земли даже у упрощенной антенны есть один реальный проводник и воображаемый, см. En.wikipedia.org/wiki/Monopole_antenna .
Джейсон Морган,
Простое это хорошо. Упрощение Кирхгофа / Максвелла верно. Возможно, вы рассматривали излучаемый РЧ как часть схемы с текущей точки зрения? Это не более верно, чем тепло, выделяемое резистором, являющимся частью. Помните, что уравнения Максвелла являются общими и не просто описывают свободные волны в пространстве.
Джейсон Морган
1

Вы отчасти правы в том, что электроны перейдут от потенциала к более высокому потенциалу. Таким образом, вы можете подумать, что если у меня есть напряжение в точке в пространстве A с проводом, идущим в другую точку в пространстве B, то электроны будут течь через провод.

схематический

смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab

Однако напряжение само по себе ничего не значит. Напряжение - это разность потенциалов между двумя точками.

схематический

смоделировать эту схему

То есть вам нужна общая контрольная точка для того, чтобы фактически утверждать напряжения в первую очередь. Поэтому вы в конечном итоге получаете петлю с некоторым сопротивлением, нравится вам это или нет.

Однако это также поднимает другой вопрос. В приведенной выше схеме, даже без опорной проволоки, есть еще некоторое сопротивление между отрицательными сторонами источников напряжения, хотя и огромны. Таким образом, у вас есть петля, и в проводе будет течь крошечный ток, хотя он может быть слишком мал, чтобы вы могли его измерить.

Также важно отделить понятие тока от понятия движения электронов. Ток является абстрактным представлением, тогда как движение электронов является физическим явлением. Мы говорим, что ток проходит через батарею или конденсатор, но на самом деле электроны этого не делают. Скорее, равное количество электронов покидает их, как и на другой стороне. Эта разница тонкая, но важная.

Trevor_G
источник
Понимаю. Да, понимаю, что ток! = Движение электронов, это мне ясно. Спасибо за то, что выложили это на меня :)
dudewad
1
@dudewad ха .. Я думал, что я потряс это для себя :)
Trevor_G
0

Ток представляет собой поток носителей электрического заряда, обычно электронов или электронодефицитных атомов.

если мы возьмем батарею: ток течет в замкнутом контуре, который является электрическим током

введите описание изображения здесь

но кто-то скажет мне хорошо, но что произойдет, когда вы дотронетесь до положительного источника сыворотки, мы задохнулись,

введите описание изображения здесь

Ну, ответ очень прост: человек делает замкнутую петлю с землей, чтобы заставить электроны течь в его теле, но птица не шокирована, потому что она не делает замкнутую петлю

м салим
источник
1
Диаграмма батареи неверна. Он не показывает ток через центр батареи. Если в проводе есть один ампер, то через электролит проходит один ампер. Электрические цепи замкнуты. (Батарея - это зарядная помпа, и путь тока проходит через батарею и обратно, как и с любым
другим
0

схема, которая включает в себя батарею, ... выглядит как петля

Это IS петля. Электролит батареи является хорошим проводником , коротким замыканием.

Возможно, у вас неправильное представление о том, что батареи «заряжают» или что ток через электролит равен нулю? Нет, не работает так. Батареи ведут себя как короткие замыкания, очень низкое внутреннее сопротивление, а простая цепь с батарейкой представляет собой замкнутый контур.

Аккумуляторы не обеспечивают заряд в цепях. Текущий заряд происходит из самой меди, из электронного моря металла.

wbeaty
источник
Вы имеете в виду хороший проводник ионов, верно? Если бы это был хороший проводник электронов, батарея замкнулась бы и загорелась. chemistry.stackexchange.com/questions/2644/...
Орта
> проводник ионов Хороший проводник, период (проводит высокие амперы). Электролит является «перемычкой» между пластинами. Вот так все батарейки на самом деле работают
wbeaty
Правда. Это короткий ион, а не короткий металлический провод, но вы правы, что ионный проводник все еще остается проводником. Я чувствую, что это сбивает с толку, если ты не проводишь такое различие.
Орта
Менее запутанно: просто не упоминайте электроны вообще. Также не упоминайте ионы. Электрический ток принимает форму замкнутого контура без начала и конца. Путь для тока проходит через середину батареи, так же как и для лампочек, путь для тока проходит через нить накала. Или с динамо, путь для тока ведет через катушку. Распространенное заблуждение: одна пластина батареи является источником заряда, а другая пластина собирает «использованный заряд». Это неправильно, поскольку заряд протекает через электролит, а батарея в целом функционирует как зарядный насос.
wbeaty