Що саме таке напруга?

Трохи дивне запитання, але що це? Мій учитель фізики сказав, що це наче "поштовх", який штовхає електрони навколо ланцюга. Чи можу я мати більш складне пояснення? Будь-яка допомога дуже цінується.

Ваш вчитель мав рацію.

Струм - це електричні заряди (зазвичай електрони), що рухаються. Вони не роблять цього самостійно без будь-якої причини, не більше ніж кошик пересувається по підлозі магазину сам по собі. У фізиці ми називаємо силу, яка штовхає заряди електрорушійною силою, або "ЕРС". Він майже завжди виражається в одиницях вольт, тому ми зазвичай робимо невеликий ярлик і говоримо "напруга" більшу частину часу. Технічно ЕРС - фізична величина, а вольт - це одна одиниця, яку можна кількісно оцінити.

ЕРС можна створити декількома способами:

1. Електромагнітні. Коли провідник (як провід) буде переміщений набік через магнітне поле, буде виникати напруга по довжині проводу. Електричні генератори, як на електростанціях, і генератор у вашому автомобілі працюють за цим принципом.

2. Електрохімічний. Хімічна реакція може спричинити різницю напруги. Батареї працюють за цим принципом.

3. Фотоелектричні. Збийте фотони в напівпровідниковому діоді в потрібному місці, і ви отримаєте напругу. Так працюють сонячні батареї.

4. Електростатичний. Натирайте два потрібні матеріали разом і один проливає електрони на інший. Два матеріали, які добре проявляють це явище, - це пластиковий гребінець та кішка. Це те, що відбувається, коли ви переміщаєте по правильному виду килима, а потім отримуєте стук, коли торкаєтесь металевого предмета. Натираючи повітряну кулю об сорочку, це робить це, що дозволяє повітряній кулі «прилипати» до чогось іншого. У цьому випадку ЕРС не може змусити електрони рухатись, але він все одно тягне за собою, які потім по черзі тягнуть за собою балон, на який вони застрягають.

   Цей ефект можна збільшити, щоб зробити різні високі напруги і є основою для роботи генераторів Ван де Грааффа .

5. Термоелектричні. Градієнт температури вздовж більшості провідників викликає напругу. Це називається ефектом Зібека . На жаль, ви не можете використати це, тому що для використання цієї напруги, зрештою, є замкнутий цикл. Будь-яка напруга, отримана при підвищенні температури в частині петлі, потім компенсується зниженням температури в іншій частині контуру. Хитрість полягає у використанні двох різних матеріалів, які виявляють різну напругу в результаті одного і того ж градієнта температури (різний коефіцієнт Сібека). Використовуйте один матеріал, що надходить до джерела тепла, а інший повертається назад, і ви отримаєте мережеву напругу, яку можете використовувати при тій же температурі.

   Загальна напруга, яке ви отримуєте від виходу назад і назад, навіть при високій різниці температур, досить невелике. Склавши багато цих комбінованих та зворотних комбінацій, ви можете отримати корисну напругу. Вимикання ззаду і назад називається термопарою і може використовуватися для відчуття температури. Багато разом - це генератор термопари. Так, вони є насправді. На цьому принципі існували космічні апарати, що використовували джерело тепла від розпаду радіоізотопу.

6. Терміонічний . Якщо нагріти щось досить високе (100 ° С), то електрони на його поверхні рухаються так швидко, що іноді вони відлітають. Якщо у них є місце для посадки, яке холодніше (щоб вони звідти більше не злетіли), у вас є термоелектричний генератор. Це може здатися далеко не надуманим, але також існували космічні апарати, що працюють від цього принципу, і джерело тепла знову розкладається радіоізотопами.

   Електронні трубки частково використовують цей принцип. Замість того, щоб нагрівати щось, щоб електрони відлітали самостійно, ви можете нагріти його майже до тієї точки, щоб вони відлетіли при подачі трохи додаткової напруги. Це основа діода вакуумної трубки і важлива для більшості вакуумних труб. Ось чому ці трубки мали нагрівачі, і ви могли бачити, як вони світяться. Світлові температури потрібні, щоб дістатись до місця, де терміонічний ефект є значним.

7. П'єзо-електричний. Деякі матеріали (наприклад, кварцовий кристал) генерують напругу, коли ви стискаєте їх. Деякі мікрофони працюють за цим принципом. Різні хвилі тиску в повітрі, які ми називаємо звуковими шквалками, і по черзі розчавлюють кварцовий кристал, через що в результаті виникають крихітні хвилі напруги. Ми можемо підсилити їх, щоб в кінцевому підсумку видавати сигнали, які ви можете записувати, керувати гучномовцями, щоб ви могли їх чути тощо.

   Цей принцип застосовується також у багатьох розжарювачах гриль-барбекю. Пружинний механізм досить сильно вибиває кварцовий кристал, тому він робить достатньо напруги, щоб викликати іскру.

Використовуючи аналогію рідини, Напруга - це тиск, струм - витрата.

"Напруга" - це похідна величина. Важко зрозуміти його фізичний зміст без розуміння величин, з яких він походить.

$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$

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

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

Отже, це визначення потенційного поля. Точка завжди матиме потенціал, навіть якщо за неї немає плати. Подумайте це як "енергію, необхідну для того, щоб принести одиничний заряд туди з нескінченності". Потенційна різниця між двома балами аналогічна; це енергія, необхідна для перенесення одиничного заряду з однієї точки в іншу. Або подумайте про це на конкретнішому прикладі, як для небесних тіл. Різниця потенціалів між висотою 100 км і висотою 200 км над поверхнею Землі - це не що інше, як різниця потенційних енергій між двома об'єктами 1 кг на заданих висотах.

Коли ми приходимо до реального світу, потенціал точки - це якийсь із всіх індивідуальних потенціалів, викликаних зарядами навколо (застосовується теорія суперпозиції).

Напруга з’являється кожного разу, коли є дисбаланс електричного заряду (тобто електронів). Оскільки як відштовхування зарядів, так і протилежні заряди притягують, будь-яка колекція електрично заряджених частинок створює певну силу один на одного. Якщо є дисбаланс від негативного до позитивного, формується своєрідний «тиск» або «поштовх». Проводячи матеріали, електрони можуть вільно протікати через матеріал, на відміну від фіксованого в атомах, і тому будуть текти до точки найменшого «тиску».

Деякі складні міркування:

• Електрика та хімія тісно пов'язані. Наприклад, в акумуляторі хімічний дисбаланс створює електричний дисбаланс (напруга) через клеми, примушуючи заряджені частинки в одну сторону. Хімія також впливає на електричні умови іншими способами.
• Струм (I) - це потік електронів, однак електрони (оскільки вони негативні) протікають у протилежному напрямку «струму». Струм - це тоді концептуальний потік позитивного заряду, хоча фактичний потік є негативним, але в іншому напрямку. Це демонструє, що негативний «поштовх» точно такий же, як і позитивний «потяг».

Я чув, що я чув:

Напруга - це потенціал (зарядки) виконати роботу.

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

Швидкість, перше наближення, відповідь правилом: напруга - електричний тиск.

Але на цьому розширюється: Напруга не як тиск, не зовсім. Натомість це поняття математика / фізика, яке називається "потенціали". Напруга більше схожа на висоту в гравітаційному полі, де кожен електрон або протон - як валун. Висота не є тиском, вагою чи силою. Якщо валун знаходиться на вершині пагорба, валун знаходиться на високопотенційному місці. Це означає, що валун зберігає потенційну енергію (PE), і вивільнить цю енергію як кінетичну енергію (KE), якщо йому дозволяється рухатися вниз (переміщення в низькопотенційне місце). мав би вищий PE.

Точніше: напруга електрична Потенціал. Це не сила (вона не подібна до сили ваги валу чи ваги, не подібна до сили сили на електричний заряд в електричному полі.) Також напруга не є потенційною енергією, оскільки якщо ми відберемо валун, то сила тяжіння, висота та потенціал все ще існують. Потенціали - це частина самого поля. Шаблони напруги можуть висіти в порожньому просторі.

Напруга - це спосіб опису / візуалізації / вимірювання електричних полів.

Для опису електронних полів ми можемо провести потокові лінії між протилежними електричними зарядами. Або замість цього ми можемо намалювати схему напруги, ізопотенційні поверхні, намалювавши їх перпендикулярно лініям потоку. Де б ми не знаходили електричні силові лінії, ми також знаходимо напругу.

Що напруга немає? Які типові помилки? Ось великий: "напруга - це різновид потенційної енергії". Ні, неправильно. Натомість напруга - це математична концепція "Потенціали", яка не є енергією, а також не "потенціалом щось зробити". Ось ще одна помилка: "напруга - це потенційна енергія на одиницю заряду". Ні, неправильно. Це лише фізичне визначення одиниці Вольта, що пов'язує її з одиницями Джоула та Кулона. Насправді йде іншим шляхом: кількість енергії (кількість роботи, виконаної при переміщенні заряду через певну різницю напруги) виявляється шляхом множення заряду на зміну напруги! Електрична енергія визначається напругою! Але напруга сама по собі не потребує ні рухомого заряду, ні потенціальної енергії, оскільки напруга є способом описати поле в порожньому просторі. Тестові заряди, що використовуються для опису напруги, є уявними нескінченно малі заряди. Ще одна помилка: «напруга з’являється на поверхні проводів». Неправильно, напруга насправді поширюється на простір навколо проводів. На півдорозі між вашими клемами 9В акумулятора ви знайдете потенціал 4,5В, вішаючи наодинці в порожньому просторі! Але типові вольтметри не виявлять космічну напругу, оскільки для цього потрібен вольтметр з нескінченним Z (inp) або, принаймні, декількома сотнями гігом. Звичайні вольтметри ДММ 10 Мг витягують значний струм, не вистачає чистих електронних полів, тому їх потрібно торкатися до поверхонь провідника для вимірювання напруги. Ви знайдете потенціал 4,5 В, вішаючи наодинці на порожньому просторі! Але типові вольтметри не виявлять космічну напругу, оскільки для цього потрібен вольтметр з нескінченним Z (inp) або, принаймні, декількома сотнями гігом. Звичайні вольтметри ДММ 10 Мг витягують значний струм, не вистачає чистих електронних полів, тому їх потрібно торкатися до поверхонь провідника для вимірювання напруги. Ви знайдете потенціал 4,5 В, вішаючи наодинці на порожньому просторі! Але типові вольтметри не виявлять космічну напругу, оскільки для цього потрібен вольтметр з нескінченним Z (inp) або, принаймні, декількома сотнями гігом. Звичайні вольтметри ДММ 10 Мг витягують значний струм, не вистачає чистих електронних полів, тому їх потрібно торкатися до поверхонь провідника для вимірювання напруги.

Що таке напруга? Це купа невидимих ​​мембран, які заповнюють простір між зарядженими конденсаторними пластинами. Напруга - це схема концентричних шарів цибулі, які оточують будь-який заряджений об'єкт, при цьому шари цибулі проходять перпендикулярно потокам ліній електричного поля. Отже, «стеки напружених шарів» - це один із способів опису електричного поля. Іншим більш звичним способом є використання "силових ліній".

Насправді ми не можемо.

Електростатична сила пропорційна градієнту потенціалу, але не безпосередньо потенціалу. Сила на один кулон заряду пропорційна потенційному градієнту:

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

Власне, 1 В означає, що якщо у вас є 1 джоуль електричної енергії, вона буде передана в механічну енергію на заряд +1 кулона [так він прискориться, або збільшить його 1 / 2mV ^ 2 на 1 Дж]. Це насправді аналог енергії.

Додавши до сказаного Ганніш:

Напруга в точці А - це буквально вимір роботи, яку ви витратили, якби ви підштовхнули позитивний заряд від 0В (як правило, або визначений як нескінченно далекий від A, або земля) до A.

Напруга має важливе значення в електроніці, оскільки якщо ми починаємо з позитивного заряду в точці A, вона може виконати ту саму роботу, добираючись до 0В (наприклад, увімкнення світлодіода в процесі).

Те, що підштовхує вибори, - це різниця в потенційній енергії, як і те, як вас тяжко натискають на землю. Це породжує сприятливе, ймовірно, пересування електронів в одну сторону над іншим, це також частково пояснює, чому електрони рухаються "випадковим чином" в дроті.