Co přesně je “ volt ”?

Gravitace má blízkou analogii, snad jí pomůže se na ni podívat.

Mohu definovat veličinu $ X = gh $ (blízko povrchu Země), kde $ g $ je gravitační zrychlení a $ h $ je výška nad povrchem. Z tohoto množství je těžké dát intuitivní smysl. Ale když vynásobím hmotou objektu v této výšce, najdu $ U = mgh $, energii. Dalo by se tedy říci, že $ X $ představuje potenciál stát se energií v tomto bodě.

Podobně mohu definovat množství $ V $. Z této veličiny je těžké udělat intuitivní smysl. Pokud ale vynásobím náboj objektu v této pozici, najdu $ U = qV $, energii. Dalo by se tedy říci, že $ V $ představuje potenciál stát se v tom bodě energií.

Je jedna nešťastná věc, na kterou si musíte dát pozor. Slovo potenciál se používá ve dvou různých, ale úzce souvisejících pojmech: elektrický potenciál a elektrická potenciální energie . Podobně můžeme mít gravitační potenciál a gravitační potenciální energii . Vím, že když jsem začínal, způsobovalo mi to nějaký zmatek.

Uznávám, že to není přímá odpověď na „Co je volt?“, Ale volt je abstraktní veličina. Definujeme to jako vhodný záskok pro energii; zjednodušuje mnoho analýz. Není to přímo fyzikální veličina, jako je síla nebo vzdálenost.

Komentáře

• Proč nejen dát definici potenciální energie místo analogie? „Nikdy jsem nepochopil, jak by mohlo být srovnávání elektromagnetismu s jinými věcmi snadnější než poučné učení elektromagnetismu.
• @GennaroTedesco Myslím, že OP se pokouší naučit elektromagnetismu a dosáhl něčeho, co běžná úvaha neumí ‚ nevysvětlujte mu to. Možná by pomohla analogie. Snadno připouštím, že to nepomůže všem. OP je nováček , a ‚ nemyslíte stejně jako vy nebo já.

Nechť $ \ mathbf {E} (\ mathbf {r}) $ je elektrické pole: práce vykonaná polem na jednotkovém náboji $ q $ podél cesty $ \ gamma $ je podle definice , $$ W _ {\ gamma} = \ int _ {\ gamma} \ textrm {d} \ mathbf {r} \ cdot \ mathbf {E} (\ mathbf {r}).$$ Pokud práce prováděná polem nezávisí na cestě $ \ gamma $, ale pouze na jejích hranicích, říkáme, že pole je konzervativní a vyjadřujeme související práci jako rozdíl funkce vypočítané na hranicích, a to $$ W _ {\ gamma} = V (A) – V (B) = \ int _ {\ gamma} \ textrm {d} \ mathbf {r} \ cdot \ mathbf {E} _ {\ textrm {cons}} ( \ mathbf {r}) $$ pro konzervativní pole $ \ mathbf {E} _ {\ textrm {cons}} (\ mathbf {r}) $. Výpočet výše uvedeného po libovolné dráze $ \ gamma $ chůze jakýmkoli bodem v prostoru jeden definuje funkci $ V (x) $, označovanou jako potenciální energie pole.

Vezměme si konkrétní případ konzervativní konstanty elektrického pole. Související práce provedená podél cesty $ \ gamma $ je proto vyjádřena rozdílem potenciálu $$ V (A) – V (B) = | \ textrm {E} | \, \ Delta r. $$ Rozdíl potenciálu 1 voltu nazýváme prací provedenou výše uvedeným polem modulu 1 N / C $ k přesunu jednotkové nálože o 1 m.

Volty nebo napětí je množství potenciální energie, kterou mají elektrony, ve vztahu k jinému bodu, obvykle tomu, co se nazývá „země“, což je je definován jako potenciál 0 V. V některých zařízeních to souvisí s proudem tím, čemu se říká odpor (měřený v ohmech), což je poměr napětí k proudu v uvedeném zařízení. Konkrétně je napětí množství energie na coulomb náboje, takže volty mají rozměr Joulů na Coulomba. Pokud chcete analogii v reálném světě, jedno slušné (ne nejlepší, ale slušné) srovnání, které rád používám, je analogie vody v potrubí. Proud je doslova jen množství vody protékající potrubím. Více vody znamená, že proudí více molekul vody, což je analogické s elektřinou protékající drátem. Na druhou stranu lze o napětí uvažovat ve smyslu padající vody: voda, která padá z vysokého vodopádu, má více potenciální energie než voda, která padá přes řekněme okraj malé skály na úpatí vodopádu. Zde opět měříme potenciál vzhledem k zemi.

Takže volt je „tlak“ ve vodiči. Čím více voltů, tím větší potenciál pro pohyb. Takže pokud zvýšíte napětí něčeho, než se zvýší proud nebo rychlost pohybu energie, protože každá energie prochází stejným vodičem.

Bob má regulátor napětí a čím více stiskne tlačítko, tím více voltů bude proudit přes obvod do žárovky. Nejprve jemně zatlačí a žárovka je slabě osvětlena. Nakonec zatlačí silněji a protože v drátu je více voltů, proud se pohybuje rychleji, takže žárovka je jasnější. Poté přestane tlačit a protože obvodem neprochází žádné volty, není pod tlakem, světlo zhasne. Poté zabouchne knoflíkem kladivem a v cirkusu přejde tolik voltů, že jsou dráty přebité. Jako když připojíte obrovské vodní čerpadlo k malému potrubí, potrubí se zlomí, protože tlak vody je příliš vysoký.

Další analogie, kterou byste mohli použít (tato má vlastně smysl)

Napětí (V) je potenciál pro energii k pohybu a odpovídá tlaku vody. Proud (I) je rychlost toku a měří se v ampérech. Ohm (r) je míra odporu a odpovídá velikosti vodního potrubí. Tyto tři termíny spolu souvisejí pomocí jednoduchého vzorce, který zní: proud se rovná napětí dělenému odporem. I = V / r Představte si, že máte nádrž na vodu s hadicí připojenou ke spodní části této nádrže. Co se stane, když zvýšíte tlak uvnitř této nádrže? Rovněž se zvýší množství vody vytékající z hadice. Totéž platí, když zvyšujete napětí, protéká více proudu. Co se stane, když k této nádrži připojíte hadici o větším průměru? Průtok se také zvýší, protože odpor poklesl. Totéž platí, pokud použijete drát s velkým průřezem při pohybu proudu. Čím větší je vodič, tím více proudu jím můžete procházet a poškodit jej.

Doufám, že to má smysl, hodně štěstí v testu;)

Podle definice je volt joule na Coloumb:

$$ V \ equiv \ frac {J} {C} $$

Vyplývá to z definice elektrického potenciálu: množství potenciální energie na jednotku náboje v obvodu nebo systému. Analogicky, elektrický potenciál je pro elektřinu, protože výška / vzdálenost (v podstatě gravitační potenciál) je pro gravitaci.

Rozdíl elektrického potenciálu, běžněji známý jako napětí $ \ Delta V $, určuje aktuální $ I $ v obvodu s určitým odporem $ R $. Toto je známé jako Ohmův zákon a je dáno rovnicí $ \ Delta V = IR $.

Mnoho lidí říká, že je to „elektrický tlak“, ale osobně se mi tato analogie nelíbí. Dávám přednost analogii před gravitací. Přemýšlejte o kouli, která se valí z kopce. Proč se nevalí do kopce?

Míč se pohybuje tak, aby minimalizoval svou potenciální energii a byl urychlován konzervativní gravitační silou Země. Dno kopce je nejblíže středu Země, nejnižší možné výšce, a tedy nejnižší gravitační Potenciál.

Podobně to platí i pro elektrické náboje. Nejnižší elektrický potenciál je umístění minimální potenciální energie pro kladné náboje * a částice v konzervativním poli se pohybují do polohy s nejnižší potenciální energií. do této polohy máte proud v souladu s Ohmovým zákonem.

* U záporných nábojů je nejnižší potenciální energie při nejvyšším elektrickém potenciálu. Elektrony se pohybují ve směru zvyšování elektrického potenciálu.

Komentáře

• “ Míč chce být ve stavu s nejnižší energií “ – fuj …
• @AlfredCentauri Chcete to rozpracovat? Chci být přesnější, pokud můžete poskytnout více zpětné vazby – “ ugh “ není ‚ t velmi užitečné. Místo toho bych mohl říci, že koule “ se pohybuje, aby minimalizovala svou potenciální energii, tj. Směrem k základnímu stavu, kde je nejstabilnější. “ Je ‚ obtížné formulovat, nemluvě o mém “ uměleckém “ použití personifikace.
• zhutchens1, musím to opravdu propracovat? Je nejlepší odpověď na úrovni vážných studentů fyziky na otázku “ Proč se [míč] nevalí do kopce “ opravdu to, že ‚ míč ‚ nechce ‚? Z vašeho komentáře vidím, že si to pravděpodobně ‚ nemyslíte. Jednejte v souladu s tím.
• @AlfredCentauri Díky. Upravil jsem svou odpověď, abych byl trochu přesnější. I když bych mohl tvrdit, že “ seriózní student fyziky “ najde definici elektrického potenciálu a jeho jednotek jako základní / základní znalosti .

Zde máme spoustu pozitivně nabitých částic (černě zbarvených) a negativně nabitých částic ( bílé):

Nyní předpokládejme, že v bodě A spadneme do záporně nabité částice. Pokusí se to posunout doleva, protože ji přitahují všechny kladné náboje nalevo a odpuzují záporné náboje napravo. (Vlevo je také záporný náboj, ale to je více než vyváženo všemi pozitivy.)

Předpokládejme, že chcete tuto částici přesunout z bodu A do bodu B. Pak vy “ Budeme muset tlačit proti všem elektrickým silám, takže přesun energie z A do B bude vyžadovat určitou energii.

Napětí mezi body A a B je množství energie, které k tomu budete potřebovat – to znamená množství energie potřebné k přesunutí záporného náboje z bodu A do bodu B a překonání elektrických sil podél cesty.

Předpokládejme, že napětí je, řekněme, 3. Jedním ze způsobů, jak vyjádřit, že napětí na A je 1 a napětí na B je 4. Nebo můžete říci, že napětí na A je 6 a napětí na B je 9. Nebo že napětí na A je $ -2 $ a napětí na B je $ + 1 $. Můžete si vybrat naprosto libovolné číslo, které chcete přiřadit k bodu $ A $, pokud přiřadíte toto číslo plus 3 k bodu $ B $.

Pojďme tedy do toho a řekněte (libovolně), že napětí na $ A $ je $ 2 $ a napětí na $ B $ je $ 5 $. Tím opět myslíme jen to, že přesun jedné jednotky náboje z $ A $ na $ B $ vyžaduje 3 jednotky energie.

Předpokládejme, že existuje další bod $ C $ a předpokládejme, že přesun jednotky z $ A $ na $ C $ vyžaduje 7 jednotek energie. To znamená, že napětí od $ A $ do $ C $ je $ 7 $. Poté, co jsme se již rozhodli nazvat napětí $ 2 $ v bodě $ A $, musíme jej nazvat $ 9 $ v bodě $ C $.

Nyní: Kolik energie je potřeba k přesunutí jednotky poplatek od $ B $ do $ C $? Číslo, které jsme přiřadili $ B $ — napětí na $ B $ —, je $ 5 $. A napětí na $ C $ je $ 9 $. Proto předpovídáme, že přesun jednotky z $ B $ na $ C $ bude vyžadovat 9-5 = 4 $ jednotky energie. A empiricky se ukazuje, že pokud předpovídáte tímto způsobem, máte vždy pravdu.

Takže v souhrnu: Napětí mezi $ A $ a $ B $ je energie potřebná k přesunutí jednotkového poplatku z $ A $ na $ B $. Napětí at $ A $ je libovolné číslo, které chcete sestavit — můžete jej nazvat $ 2 $ nebo $ – 100 $ nebo 3,14159 $. Jakmile toto číslo dosáhnete, napětí na $ B $ nebo $ C $ nebo $ D $, mínus napětí na $ A $, je energie potřebná k přesunu jednotkového náboje z $ A $ až $ B $ nebo $ C $ nebo $ D $.A — zázračně — jakmile přiřadíte čísla tímto způsobem, můžete je také použít k určení, kolik energie je potřeba k přesunutí jednotkové nálože z $ B $ na $ C $ nebo z $ B $ na $ D $ nebo od $ D $ do $ C $, pouhým zohledněním rozdílů.

Pokud se vám nelíbí tlak analogie, myslím, že by se vám tato ilustrace nelíbila: Mohl by mi někdo intuitivně vysvětlit Ohm ‚ zákon? . Ale stojí za to se podívat.

Kromě toho je napětí $ V $ (s jednotkou voltů $ \ mathrm V $) pouze energie na jedno nabití; to znamená Joulů na Coulomb :

$$ \ mathrm {[V] = \ left [\ frac JC \ right]} $$

Jinými slovy, napětí je množství energie ( potenciální elektrická energie , jak se říká) uložené v bodě v obvodu na jednotku náboje .

Pokud jeden bod v obvodu uchovává více této energie než jiný, pak se náboje přesunou k druhému bodu. Charge bude vždy chtít být na místě s nejnižší možnou energií.

• Stejně jako pružina, která dokáže při roztažení ukládat energii, která se vždy pokusí vrátit k ní nenapnutá (nejnižší -energy) tvar.

A toto je důvod, proč lidé používají analogii „tlaku vody“. Protože rozdíl v energii mezi dvěma points is what makes the charge move from one point to the other – as if there is a greater „pressure“ on one point „clicking“ them to the other point.

Ve větší hloubce

Důvodem je to, že potenciální elektrická energie se „ukládá“, když se nashromáždí více nábojů (stejného znaménka).

• Jeden elektron sám o sobě nezpůsobuje žádnou potenciální energii,
• ale přidejte dva elektrony do stejného bodu v obvodu a budou se navzájem odpuzovat. Jako pružina, která je stlačená. Pokud je necháte jít, se od sebe vzdálí .

Tato „uložená energie“ vychází ze skutečnosti, že se navzájem odpuzují d mít v okruhu blízká místa, odkud jsou méně odpuzována – takže se tam přirozeně budou pohybovat. To sníží potenciální energii tohoto systému – dosažení konfigurace s nejnižší energií je z tohoto důvodu cílem jakéhokoli potenciálního energetického systému.

Takže vše ve všech je jednoduše energie na jeden náboj v daném bodě a lze ji porovnat s ostatními body v obvodu, abychom věděli, zda se tam chce náboj pohybovat nebo ne.

Komentáře

• Upozorňujeme, že koncept napětí je nezávislý na konceptu obvodu a proudu protékajícího obvodem.