Что именно напряжение?

Немного странный вопрос, но что это? Мой учитель физики сказал, что это своего рода «толчок», который толкает электроны по кругу. Могу ли я получить более сложное объяснение? Буду признателен за любую оказанную помощь.

Ваш учитель был прав.

Ток - это движущиеся электрические заряды (обычно электроны). Они не делают это самостоятельно без причины, не более того, как тележка с покупками движется по полу магазина самостоятельно. В физике мы называем силу, которая толкает заряды электродвижущей силой, или «ЭДС». Это почти всегда выражается в единицах вольт, поэтому мы обычно берем небольшой ярлык и большую часть времени говорим «напряжение». Технически ЭДС - это физическая величина, а вольт - это единица измерения, в которой она может быть измерена.

ЭДС можно генерировать несколькими способами:

1. Электромагнитное. Когда проводник (например, провод) перемещается вбок через магнитное поле, вдоль длины провода будет создаваться напряжение. Электрогенераторы, как на электростанциях, и генератор в вашем автомобиле работают по этому принципу.

2. Электрохимический. Химическая реакция может вызвать перепад напряжения. Аккумуляторы работают по этому принципу.

3. Фотоэлектрические. Врежьте фотоны в полупроводниковый диод в нужном месте, и вы получите напряжение. Так работают солнечные батареи.

4. Электростатический. Потрите два правильных вида материалов вместе, и один проливает электроны на другой. Два материала, которые хорошо демонстрируют это явление - это пластиковая расческа и кошка. Это то, что происходит, когда вы перетасовываетесь по правильному виду ковра, а затем получаете удар при прикосновении к металлическому предмету. Это натирает воздушный шар на вашей рубашке, что позволяет шарику «прилипать» к чему-то другому. В этом случае ЭДС не может заставить электроны двигаться, но он все еще тянет их, что, в свою очередь, натягивает шар, на котором они застряли.

   Этот эффект может быть увеличен, чтобы создавать различные высокие напряжения, и является основой для работы генераторов Ван де Граафа .

5. Термо-электрический. Градиент температуры вдоль большинства проводников вызывает напряжение. Это называется эффектом Зибека . К сожалению, вы не можете использовать это, потому что для использования этого напряжения в конечном итоге есть замкнутый контур. Любое напряжение, полученное в результате повышения температуры в части контура, затем компенсируется снижением температуры в другой части контура. Хитрость заключается в том, чтобы использовать два разных материала, которые показывают разное напряжение в результате одного и того же градиента температуры (разный коэффициент Зибека). Используйте один материал, выходящий к источнику тепла, а другой - обратно, и вы получите чистое напряжение, которое вы можете использовать при той же температуре.

   Общее напряжение, которое вы получаете от одного и обратно, даже при большой разнице температур, довольно мало. Соединяя вместе многие из этих комбинаций, вы можете получить полезное напряжение. Единственный выход и обратно называется термопарой и может использоваться для измерения температуры. Многие вместе это генератор термопар. Да, они действительно существуют. Там были космические корабли, работающие по этому принципу с источником тепла, возникающим в результате распада радиоизотопа.

6. Термическая . Если вы нагреваете что-то достаточно высоко (100 с ° C), то электроны на его поверхности движутся так быстро, что иногда они вылетают. Если у них есть место для приземления, которое холоднее (чтобы они больше не отлетали оттуда), у вас есть термоэлектронный генератор. Это может показаться надуманным, но также были космические корабли, работающие по этому принципу, причем источником тепла снова стал радиоизотопный распад.

   Электронные трубки частично используют этот принцип. Вместо того, чтобы нагревать что-то, чтобы электроны разлетались самостоятельно, вы можете нагреть это почти до той точки, чтобы они разлетались при приложении небольшого дополнительного напряжения. Это основа вакуумного лампового диода и важна для большинства вакуумных ламп. Вот почему у этих трубок были нагреватели, и вы могли видеть их свечение. Требуются светящиеся температуры, чтобы добраться до того места, где эффект термоэлектроники является значительным.

7. Пьезо-электрический. Определенные материалы (например, кристалл кварца) генерируют напряжение, когда вы их сжимаете. Некоторые микрофоны работают по этому принципу. Изменяющиеся волны давления в воздухе, которые мы называем звуком, раздавливают и раздавливают кварцевый кристалл попеременно, что в результате приводит к образованию крошечных волн напряжения. Мы можем усилить их, чтобы в конечном итоге издавать сигналы, которые вы можете записывать, управлять громкоговорителями, чтобы вы могли их слышать и т. Д.

   Этот принцип также используется во многих воспламенителях гриля для барбекю. Пружинный механизм сильно ударяет кристалл кварца так, что он создает достаточное напряжение, чтобы вызвать искру.

Используя аналогию с жидкостью, напряжение - это давление, ток - скорость потока.

«Напряжение» является производной величиной. Трудно понять его физический смысл без понимания количеств, из которых он получен.

$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$

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

$q_1$

$\bar{E}$

$P_2$

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

$P_2$$P_3$$\bar{E}$$q_1$

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

$\bar{E} = - \bar{\nabla} V$

Итак, это определение потенциального поля. Точка всегда будет иметь потенциал, даже если на ней нет заряда. Думайте об этом как о «энергии, необходимой для доставки туда единичного заряда из бесконечности». Потенциальная разница между двумя точками одинакова; это энергия, необходимая для переноса единичного заряда из одной точки в другую. Или подумайте об этом на более конкретном примере, например, о небесных телах. Разница потенциалов между высотой 100 км и высотой 200 км над поверхностью Земли - не что иное, как разность потенциальных энергий между двумя объектами весом 1 кг на данных высотах.

Когда мы приходим в реальный мир, потенциал точки является одним из всех индивидуальных потенциалов, вызванных окружающими зарядами (применима теория суперпозиции).

Напряжение появляется всякий раз, когда есть дисбаланс электрического заряда (то есть электронов). Так как заряды отталкивают и притягивают противоположные заряды, любая совокупность электрически заряженных частиц создает некую силу друг на друга. Если существует дисбаланс между отрицательным и положительным, образуется своего рода «давление» или «толчок». В проводящих материалах электроны могут свободно проходить через материал, а не фиксироваться в атомах, и поэтому будут течь до точки наименьшего «давления».

Некоторые усложняющие соображения:

• Электричество и химия тесно связаны. Например, в батарее химический дисбаланс создает электрический дисбаланс (напряжение) на клеммах, заставляя заряженные частицы отклоняться в одну сторону. Химия также влияет на электрические условия другими способами.
• Ток (I) - это поток электронов, однако электроны (поскольку они отрицательные) текут в направлении, противоположном «току». Тогда ток - это концептуальный поток положительного заряда, хотя фактический поток отрицательный, но в другом направлении. Это демонстрирует, что отрицательный «толчок» точно такой же, как и положительный «толчок».

Я слышал определение:

Напряжение является потенциалом (для заряда), чтобы сделать работу.

$V = {dE \over dQ}$$E$$Q$

Быстрый ответ, первое приближение, эмпирический ответ: напряжение - это электрическое давление.

Но более подробно об этом: напряжение не похоже на напряжение, не совсем так. Вместо этого это математическая / физическая концепция, которая называется «потенциалы». Напряжение больше похоже на высоту в гравитационном поле, где каждый электрон или протон похож на валун. Высота не давление или вес или сила. Если валун находится на вершине холма, валун находится в месте с высоким потенциалом. Это означает, что валун хранит потенциальную энергию (PE) и будет высвобождать эту энергию в виде кинетической энергии (KE), если ему будет позволено двигаться вниз (перемещаться в место с низким потенциалом). Поднятый на такое же напряжение (высоту), большие валуны будет иметь более высокий PE.

Точнее: напряжение - электрический потенциал. Это не сила (это не похоже на прижимную силу или вес валуна, и это не похоже на величину силы, воздействующей на электрический заряд в электрическом поле.) Кроме того, напряжение не является потенциальной энергией, так как если мы уберем валун, тогда гравитация, высота и потенциал все еще существуют. Потенциалы являются частью самого поля. Образцы напряжения могут висеть в пустом пространстве.

Напряжение - это способ описания / визуализации / измерения электрических полей.

Чтобы описать электронные поля, мы можем нарисовать линии потока между противоположными электрическими зарядами. Или вместо этого мы можем нарисовать диаграмму напряжения, изопотенциальные поверхности, перпендикулярно линиям потока. Где бы мы ни находили электрические силовые линии, мы также найдем напряжение.

Что нет напряжения? Каковы типичные заблуждения? Вот один из них: «Напряжение - это потенциальная энергия». Нет, неправильно. Напротив, напряжение - это математическая концепция «Потенциалы», которые не являются энергией, и при этом они «не способны что-то делать». Вот еще одна ошибка: «напряжение - это потенциальная энергия на единицу заряда». Нет, неправильно. Это просто физическое определение единицы Вольт, связывающее ее с единицами Джоуля и Кулона. На самом деле все идет иначе: количество энергии (объем работы, проделанной при перемещении заряда через определенную разность напряжений) определяется путем умножения заряда на изменение напряжения! Электрическая энергия определяется напряжением! Но самому напряжению не нужны ни движущийся заряд, ни запас потенциальной энергии, поскольку напряжение - это способ описания поля в пустом пространстве. Тестовые заряды, используемые для описания напряжения, представляют собой мнимые бесконечно малые заряды. Еще одна ошибка: «На поверхности проводов появляется напряжение». Неправильно, напряжение на самом деле распространяется в пространство вокруг проводов. На полпути между вашими 9-вольтовыми клеммами батареи вы найдете потенциал 4,5 В, который висит один в пустом пространстве! Но типичные вольтметры не будут определять пространственное напряжение, поскольку для этого требуется вольтметр с бесконечным Z (inp) или, по крайней мере, несколько сотен гигаом. Нормальные вольтметры 10Meg DMM потребляют значительный ток, закорачивают любые чистые электронные поля, поэтому они должны касаться поверхности проводника для измерения напряжения. Вы найдете потенциал 4,5 В, висящий один в пустом пространстве! Но типичные вольтметры не будут определять пространственное напряжение, поскольку для этого требуется вольтметр с бесконечным Z (inp) или, по крайней мере, несколько сотен гигаом. Нормальные вольтметры 10Meg DMM потребляют значительный ток, закорачивают любые чистые электронные поля, поэтому они должны касаться поверхности проводника для измерения напряжения. Вы найдете потенциал 4,5 В, висящий один в пустом пространстве! Но типичные вольтметры не будут определять пространственное напряжение, поскольку для этого требуется вольтметр с бесконечным Z (inp) или, по крайней мере, несколько сотен гигаом. Нормальные вольтметры 10Meg DMM потребляют значительный ток, закорачивают любые чистые электронные поля, поэтому они должны касаться поверхности проводника для измерения напряжения.

Что такое напряжение? Это стопка невидимых мембран, которые заполняют пространство между заряженными конденсаторными пластинами. Напряжение - это структура концентрических луковых слоев, которые окружают любой заряженный объект, причем луковые слои проходят перпендикулярно линиям потока электрического поля. Итак, «стопки слоев напряжения» - это один из способов описания электрического поля. Другой, более знакомый способ - использовать «силовые линии».

На самом деле мы не можем.

Электростатическая сила пропорциональна градиенту потенциала, но не напрямую потенциалу. Сила на один кулон заряда пропорциональна градиенту потенциала:

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

На самом деле, 1 В означает, что если у вас есть 1 джоуль электрической энергии, она будет переведена в механическую энергию с зарядом +1 кулона [поэтому она будет ускоряться или увеличивать ее на 1/2 мВ ^ 2 на 1 Дж]. На самом деле это аналог энергии.

Добавление к тому, что Ганниш сказал:

Напряжение в точке A буквально является мерой работы, которую вы бы потратили, если бы выдвинули положительный заряд от 0 В (обычно это либо бесконечно большое расстояние от А, либо заземление) до А.

Напряжение важно в электронике, потому что, если мы начнем с положительного заряда в точке A, он сможет выполнить ту же самую работу, достигнув 0 В (например, включив светодиод в процессе).

То, что подталкивает выборы, - это разница в потенциальной энергии, очень похожая на то, как вас притягивает / притягивает к земле гравитация. Это создает благоприятные условия для перемещения электронов в одну сторону, это также отчасти объясняет, почему электроны движутся «случайно» в проводе.