Hvad er en “ volt ”?

Der er en tæt analogi med tyngdekraften, måske hjælper det at se på det.

Jeg kan definere en mængde $ X = gh $ (nær jordens overflade) hvor $ g $ er accelerationen på grund af tyngdekraften og $ h $ er højden over overfladen. Det er svært at give nogen intuitiv mening ud af den mængde. Men hvis jeg multiplicerer med massen af et objekt i den højde, finder jeg $ U = mgh $, energi. Så vi kan sige $ X $ repræsenterer et potentiale til at blive energi på det tidspunkt.

Tilsvarende kan jeg definere en mængde $ V $. Det er svært at give nogen intuitiv mening ud af den mængde. Men hvis jeg multiplicerer med ladningen af et objekt i den position, finder jeg $ U = qV $, energi. Så vi kan sige $ V $ repræsenterer et potentiale for at blive energi på det tidspunkt.

Der er en uheldig ting at passe på. Ordet potential bliver brugt i to forskellige, men nært beslægtede begreber: elektrisk potential og elektrisk potentiel energi . På samme måde kan vi have tyngdepotentiale og tyngdepotentiale energi . Jeg ved, at da jeg startede, forårsagede dette mig en vis forvirring.

Jeg erkender, at dette ikke er et direkte svar på “Hvad er en volt?”, Men volt er en abstrakt størrelse. Vi definerer det som en praktisk stand-in for energi; det forenkler en masse analyser. Det er ikke en direkte fysisk størrelse som kraft eller afstand.

Kommentarer

• Hvorfor ikke bare give definitionen af potentiel energi i stedet for at give en analogi ? Jeg forstod aldrig, hvordan sammenligning af elektromagnetisme med andre ting muligvis kunne være lettere end bare at lære elektromagnetisme.
• @GennaroTedesco Jeg tror, at OP har forsøgt at lære elektromagnetisme og har nået noget, som den konventionelle tankegang ikke gør ‘ t forklarer ham eller hende. En analogi kan måske hjælpe. Jeg indrømmer let at det ikke vil ‘ t hjælper alle. OPen er en novice , og tænker ikke ‘ på samme måde som dig eller jeg.

Volt eller spænding er mængden af potentiel energi, som elektroner har i forhold til et andet punkt, normalt hvad der kaldes “jord”, hvilket er defineret som at have et potentiale på 0 volt. I nogle enheder er dette relateret til strøm ved hvad der kaldes modstand (målt i ohm), som er forholdet mellem spænding og strøm i nævnte enhed. Specifikt er spænding mængden af energi pr. Coulomb af opladning, så volt har dimensionen Joule pr. Coulomb. Hvis du vil have en reel analogi, er en anstændig (ikke den bedste, men anstændige) sammenligning, jeg kan lide at bruge, analogien med vand i rør. Strøm er bogstaveligt talt bare den mængde vand, der strømmer gennem røret. Mere vand betyder flere vandmolekyler, der svarer til elektricitet, der strømmer gennem en ledning. På den anden side kan spænding tænkes i form af faldende vand: vand, der falder fra et højt vandfald, har mere potentiel energi end vand, der falder over f.eks. Kanten af en lille klippe ved foden af vandfaldet. Her måler vi igen potentialet i forhold til jorden.

Så en volt er “trykket” i ledningen. Jo mere volt jo større potentiale for bevægelse. Så hvis du øger spændingen på noget, end strømmen eller energibevægelsens hastighed stiger, fordi mere energi går gennem den samme ledning.

Bob har en spændingsregulator, og jo hårdere han trykker på knappen, jo mere strøm strømmer gennem kredsløbet ind i pæren. Først trykker han forsigtigt ned, og pæren lyser svagt. Til sidst presser han hårdere, og da der er flere volt i ledningen, bevæger strømmen sig hurtigere, så pæren bliver lysere. Han holder derefter op med at trykke, og da der ikke er nogen volt, der går gennem kredsløbet, er der intet tryk, lyset slukkes. Han smækker derefter knappen med en hammer, og så mange volt går gennem cirkusen, at ledningerne er overopladede. Som hvis du tilslutter en enorm vandpumpe til et lille rør, vil røret bryde, fordi vandtrykket er for højt.

En anden analogi, du kunne bruge (denne giver faktisk mening)

Spænding (V) er potentialet for energi til at bevæge sig og svarer til vandtryk. Strøm (I) er en strømningshastighed og måles i ampere. Ohm (r) er et mål for modstand og svarer til vandrørets størrelse. Disse tre udtryk er relateret til hinanden med en simpel formel, der læser, strømmen er lig med spændingen divideret med modstanden. I = V / r Forestil dig, at du har en vandtank med en slange forbundet til bunden af denne tank .. Hvad sker der, hvis du øger trykket inde i denne tank? Mængden af vand, der strømmer ud af slangen, øges også. Det samme gælder, når du øger spændingen, strømmer mere strøm. Hvad sker der, hvis du tilslutter en slange med større diameter til denne tank? Strømningshastigheden stiger også, fordi modstanden faldt. Det samme gælder, hvis du bruger en stor ledning, når du flytter strøm. Jo større ledningen er, jo mere strøm kan du bevæge dig gennem den med at beskadige ledningen.

Jeg håber, det giver mening, held og lykke med testen;)

Per definition er en volt en joule pr. coloumb:

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

Dette stammer fra definitionen af elektrisk potentiale: mængden af potentiel energi pr. enhedsenhed i et kredsløb eller system. For at give en analogi er elektrisk potentiale elektricitet, da højde / afstand (i det væsentlige tyngdepotentiale) er for tyngdekraften.

Elektrisk potentialforskel, mere almindeligt kendt som spænding $ \ Delta V $, bestemmer den aktuelle $ I $ i et kredsløb givet en vis modstand $ R $. Dette er kendt som Ohms lov og er givet ved ligningen $ \ Delta V = IR $.

Mange siger, at det er “elektrisk tryk”, men jeg kan ikke lide den analogi personligt. Jeg foretrækker analogien frem for tyngdekraften. Tænk på en kugle, der ruller ned ad en bakke. Hvorfor ruller den ikke op ad bakken?

Bolden bevæger sig for at minimere sin potentielle energi, accelereret af Jordens konservative tyngdekraft. Bunden af bakken er tættest på centrum af jorden, den lavest mulige højde og derfor den laveste tyngdekraft potentiale.

Tilsvarende gælder dette for elektriske ladninger. Det laveste elektriske potentiale er placeringen af minimal potentiel energi til positive ladninger *, og partikler i et konservativt felt bevæger sig til placeringen af den laveste potentielle energi. til denne position har du strøm i overensstemmelse med Ohms lov.

* For negative ladninger er den laveste potentielle energi ved det højeste elektriske potentiale. Elektroner bevæger sig i retning af stigende elektrisk potentiale.

Kommentarer

• ” Bolden ønsker at være i sin laveste energitilstand ” – uhh …
• @AlfredCentauri Vil du uddybe? Jeg vil være mere præcis, hvis du kan give mere feedback – ” ugh ” isn ‘ t meget nyttigt. Jeg kunne i stedet sige, at ” kuglen bevæger sig for at minimere dens potentielle energi, dvs. mod jordtilstanden, hvor den er mest stabil. ” Det ‘ er et vanskeligt punkt at sætte, for ikke at nævne min ” kunstnerisk ” brug af personificering.
• zhutchens1, skal jeg virkelig uddybe det? Er det bedste svar på niveauet med seriøse fysikstuderende på spørgsmålet ” Hvorfor ruller det [bolden] ikke op ad bakken ” virkelig, at ‘ bolden ikke ‘ ikke vil ‘? Fra din kommentar ser jeg, at du sandsynligvis ikke ‘ ikke tror det. Handle i overensstemmelse med det.
• @ AlfredCentauri Tak. Jeg redigerede mit svar for at være lidt mere præcist. Selvom jeg måske hævder, at en ” seriøs fysikstuderende ” finder definitionen af elektrisk potentiale og dens enheder som grundlæggende / grundlæggende viden .

Her har vi en masse positivt ladede partikler (farvet sort) og negativt ladede partikler ( farvet hvid):

Antag nu, at vi falder i en negativt ladet partikel ved punkt A. Det vil prøve at bevæge sig til venstre, fordi det er tiltrukket af alle de positive ladninger til venstre og frastødt af de negative ladninger til højre. (Der er også en negativ ladning til venstre, men det er mere end afbalanceret af alle de positive.)

Antag at du vil flytte partiklen fra punkt A til punkt B. Så ” bliver nødt til at skubbe mod al den elektriske kraft, så det tager lidt energi at flytte opladningen fra A til B.

Spændingen mellem punkterne A og B er den mængde energi, du skal bruge til det – det vil sige den mængde energi, der kræves for at flytte din negative ladning fra A til B og overvinde de elektriske kræfter undervejs.

Antag, at spændingen tilfældigvis er, siger, 3. En måde at udtrykke det på er at sige, at spændingen ved A er 1, og spændingen ved B er 4. Eller du kan sige, at spændingen ved A er 6, og spænding ved B er 9. Eller at spændingen ved A er $ -2 $ og spændingen ved B er $ + 1 $. Du kan vælge et perfekt vilkårligt nummer, der skal tildeles til punkt $ A $, så længe du tildeler dette nummer plus 3 til punkt $ B $.

Så lad os fortsætte og sige (vilkårligt) at spænding ved $ A $ er $ 2 $, og spændingen ved $ B $ er $ 5 $. Igen, alt hvad vi mener med dette er, at det tager 3 enheder energi at flytte en enhed fra $ A $ til $ B $.

Antag nu, at der er et andet punkt $ C $, og antag at det tager 7 enheder energi at flytte en enhed fra $ A $ til $ C $. Det vil sige, spændingen fra $ A $ til $ C $ er $ 7 $. Da vi allerede har besluttet at kalde spændingen $ 2 $ på punktet $ A $, er vi nødt til at kalde det $ 9 $ på punktet $ C $.

Nu: Hvor meget energi tager det at flytte en enhed af opkræve fra $ B $ til $ C $? Nå, det nummer, vi tildelte $ B $ — spændingen ved $ B $ — er $ 5 $. Og spændingen ved $ C $ er $ 9 $. Derfor forudsiger vi, at det vil kræve $ 9-5 = 4 $ energienheder at flytte en enhed fra $ B $ til $ C $. Og det viser sig, empirisk, at hvis du forudsiger denne måde, har du altid ret.

Så opsummeret: Spændingen mellem $ A $ og $ B $ er den nødvendige energi til at flytte en enhedsafgift fra $ A $ til $ B $. Spændingen ved $ A $ er et hvilket som helst nummer, du gerne vil kompensere for — du kan kalde det $ 2 $ eller $ – 100 $ eller $ 3.14159 $. Når du først har lavet dette tal, er spændingen ved $ B $ eller $ C $ eller $ D $ minus spændingen ved $ A $ den nødvendige energi til at flytte en enhedsafgift fra $ A $ til $ B $ eller $ C $ eller $ D $.Og — mirakuløst — når du først har tildelt tal på denne måde, kan du også bruge dem til at finde ud af, hvor meget energi det tager at flytte en enhedsafgift fra $ B $ til $ C $ eller fra $ B $ til $ D $ eller fra $ D $ til $ C $, bare ved at tage forskelle.

Hvis du ikke kan lide trykket analogi, jeg antager, at du ikke kunne lide denne illustration: Kunne nogen intuitivt forklare mig Ohm ‘ s lov? . Men det er værd at prøve at kigge.

Bortset fra det er spænding $ V $ (med volt-enheden $ \ mathrm V $) bare energi pr. Opladning, hvilket betyder Joule pr. Coulomb :

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

Med andre ord er spændingen den mængde energi ( potentiel elektrisk energi som den kaldes) lagret på et punkt i kredsløbet pr. enhed af ladning .

Hvis et punkt i kredsløbet lagrer mere af denne energi end et andet, bevæger ladningerne sig mod det andet punkt. Opladning vil altid være på et sted med den lavest mulige energi.

• Ligesom en fjeder, der kan gemme energi, når den strækkes, som altid vil forsøge at vende tilbage til den er ikke strakt (lavest -energi).

Og dette er hvorfor folk bruger “vandtryk” -analogen. Fordi forskellen i energi mellem to point er, hvad der får ladningen til at bevæge sig fra det ene punkt til det andet – som om der er et større “tryk” på dem på et tidspunkt, der “skubber” dem til det andet punkt.

Mere dybt

Årsagen er, at potentiel elektrisk energi “lagres”, når flere ladninger (af samme tegn) samles.

• En elektron alene forårsager ingen potentiel energi,
• men tilføj to elektroner til det samme punkt i kredsløbet, og de vil afvise hinanden. Som en fjeder, der er komprimeret. Hvis du lader dem gå, bevæger de sig væk fra hinanden .

Denne “lagrede energi” stammer fra det faktum, at de frastøder hinanden en d har steder i nærheden i kredsløbet, hvor de frastødes mindre fra – så de bevæger sig naturligvis derhen. Dette vil reducere dette systems potentielle energi – at nå en konfiguration af den laveste energi er af denne grund målet for ethvert potentielt energisystem.

Så alt i alt er volt simpelthen energien pr. ladning på et punkt, og den kan sammenlignes med andre punkter i kredsløbet, så vi ved, om ladning vil bevæge sig derhen eller ej.

Kommentarer

• Bemærk, at spændingsbegrebet er uafhængigt af begrebet kredsløb og strøm, der strømmer gennem et kredsløb.