Was genau ist ein “ Volt ”?

Es gibt eine enge Analogie zur Schwerkraft, vielleicht hilft es, sie sich anzusehen.

Ich kann eine Größe $ X = gh $ (nahe der Erdoberfläche) definieren, wobei $ g $ ist die Erdbeschleunigung und $ h $ ist die Höhe über der Oberfläche. Es ist schwierig, aus dieser Größe einen intuitiven Sinn zu machen. Wenn ich aber mit der Masse eines Objekts in dieser Höhe multipliziere, finde ich $ U = mgh $, Energie. Wir könnten also sagen, dass $ X $ ein Potenzial darstellt, an diesem Punkt Energie zu werden.

Ebenso kann ich eine Größe $ V $ definieren. Es ist schwer, aus dieser Menge einen intuitiven Sinn zu machen. Wenn ich jedoch mit der Ladung eines Objekts an dieser Position multipliziere, finde ich $ U = qV $, Energie. Wir könnten also sagen, dass $ V $ ein -Potential darstellt um an diesem Punkt Energie zu werden.

Es gibt eine unglückliche Sache, auf die man achten muss. Das Wort Potential wird in zwei verschiedenen, aber eng verwandten Konzepten verwendet: elektrisches Potential und elektrische potentielle Energie . In ähnlicher Weise können wir Gravitationspotential und Gravitationspotentialenergie haben. Ich weiß, dass ich zu Beginn einige Verwirrung stiftete.

Ich erkenne, dass dies keine direkte Antwort auf „Was ist ein Volt?“ Ist, aber das Volt ist eine abstrakte Größe. Wir definieren es als einen bequemen Ersatz für Energie; es vereinfacht viele Analysen. Es ist keine direkt physikalische Größe wie Kraft oder Entfernung.

Kommentare

• Warum nicht einfach die Definition der potentiellen Energie geben, anstatt eine Analogie zu geben? Ich habe nie verstanden, wie der Vergleich von Elektromagnetismus mit anderen Dingen möglicherweise einfacher sein kann, als nur Elektromagnetismus zu lernen.
• @GennaroTedesco Ich denke, das OP hat versucht, Elektromagnetismus zu lernen, und hat etwas erreicht, was die konventionelle Argumentation nicht tut ‚ erklärt es ihm oder ihr nicht. Eine Analogie könnte helfen. Ich gebe gerne zu, dass ‚ nicht jedem hilft. Das OP ist ein Anfänger und ‚ denkt nicht so wie Sie oder ich.

Volt oder Spannung ist die Menge an potentieller Energie, die Elektronen relativ zu einem anderen Punkt haben, normalerweise dem, was „Masse“ genannt wird definiert als mit einem Potential von 0 Volt. In einigen Geräten hängt dies mit dem Strom durch den sogenannten Widerstand (gemessen in Ohm) zusammen, der das Verhältnis von Spannung zu Strom in dem Gerät ist. Insbesondere ist Spannung die Energiemenge pro Coulomb Ladung, sodass Volt die Dimension Joule pro Coulomb hat. Wenn Sie eine reale Analogie wollen, ist ein anständiger (nicht der beste, aber anständige) Vergleich, den ich gerne verwende, die Analogie von Wasser in Rohren. Strom ist buchstäblich nur die Menge an Wasser, die durch das Rohr fließt. Mehr Wasser bedeutet, dass mehr Wassermoleküle fließen, was analog zu Elektrizität ist, die durch einen Draht fließt. Die Spannung hingegen kann als fallendes Wasser betrachtet werden: Wasser, das aus einem hohen Wasserfall fällt, hat mehr potentielle Energie als Wasser, das beispielsweise über den Rand eines kleinen Felsens am Grund des Wasserfalls fällt. Auch hier messen wir das Potential relativ zur Erde.

Ein Volt ist also der „Druck“ im Draht. Je höher die Volt, desto größer das Bewegungspotential. Wenn Sie also die Spannung von etwas erhöhen, steigt der Strom oder die Geschwindigkeit der Energiebewegung, weil mehr Energie durch denselben Draht fließt.

Bob hat einen Spannungsregler und je stärker er den Knopf drückt, desto mehr Volt fließen durch den Stromkreis in die Glühbirne. Zuerst drückt er leicht nach unten und die Glühbirne leuchtet schwach. Schließlich drückt er stärker und da mehr Volt im Draht sind, bewegt sich der Strom schneller, so dass die Glühbirne heller wird. Dann hört er auf zu drücken und da keine Volt durch den Stromkreis gehen, gibt es keinen Druck, das Licht geht aus. Dann schlägt er mit einem Hammer auf den Knopf und so viele Volt gehen durch den Zirkus, dass die Drähte überladen sind. Wenn Sie beispielsweise eine große Wasserpumpe an ein winziges Rohr anschließen, bricht das Rohr, weil der Wasserdruck zu hoch ist.

Eine andere Analogie, die Sie verwenden könnten (diese ist tatsächlich sinnvoll).

Spannung (V) ist das Potenzial für Energie, sich zu bewegen und entspricht dem Wasserdruck. Strom (I) ist eine Durchflussrate und wird in Ampere gemessen. Ohm (r) ist ein Maß für den Widerstand und entspricht der Größe der Wasserleitung. Diese drei Begriffe sind mit einer einfachen Formel miteinander verbunden, die lautet: Strom ist gleich der Spannung geteilt durch den Widerstand. I = V / r Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Wassertank mit einem Schlauch am Boden dieses Tanks. Was passiert, wenn Sie den Druck in diesem Tank erhöhen? Die Menge an Wasser, die aus dem Schlauch fließt, nimmt ebenfalls zu. Das gleiche gilt, wenn Sie die Spannung erhöhen, fließt mehr Strom. Was passiert, wenn Sie einen Schlauch mit größerem Durchmesser an diesen Tank anschließen? Die Durchflussrate erhöht sich ebenfalls, da der Widerstand abfällt. Gleiches gilt, wenn Sie beim Bewegen von Strom einen Draht mit großer Stärke verwenden. Je größer der Draht ist, desto mehr Strom kann durch den Draht fließen, wenn der Draht beschädigt wird.

Ich hoffe, das macht Sinn, viel Glück beim Test;)

Per Definition ist ein Volt ein Joule pro Spalte:

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

Dies ergibt sich aus der Definition des elektrischen Potentials: der Menge der potentiellen Energie pro Ladungseinheit in einem Stromkreis oder System. Um eine Analogie zu geben, bezieht sich das elektrische Potential auf Elektrizität wie die Höhe / Entfernung (im Wesentlichen das Gravitationspotential) auf die Schwerkraft. Die elektrische Potentialdifferenz, besser bekannt als Spannung $ \ Delta V $, bestimmt den Strom $ I. $ in einer Schaltung mit einem gewissen Widerstand $ R $. Dies ist als Ohmsches Gesetz bekannt und wird durch die Gleichung $ \ Delta V = IR $ gegeben.

Viele Leute sagen, es sei „elektrischer Druck“, aber ich persönlich mag diese Analogie nicht. Ich ziehe die Analogie der Schwerkraft vor. Denken Sie an einen Ball, der einen Hügel hinunter rollt. Warum rollt es nicht den Hügel hinauf?

Der Ball bewegt sich, um seine potentielle Energie zu minimieren, und wird durch die konservative Gravitationskraft der Erde beschleunigt. Der Boden des Hügels ist dem Erdmittelpunkt am nächsten, der niedrigstmöglichen Höhe und daher der niedrigsten Gravitation Potential.

Ähnlich gilt dies für elektrische Ladungen. Das niedrigste elektrische Potential ist der Ort minimaler potentieller Energie für positive Ladungen *, und Teilchen in einem konservativen Feld bewegen sich zum Ort niedrigster potentieller Energie zu dieser Position haben Sie Strom gemäß dem Ohmschen Gesetz.

* Bei negativen Ladungen liegt die niedrigste potentielle Energie auf dem höchsten elektrischen Potential. Elektronen bewegen sich in Richtung steigenden elektrischen Potentials.

Kommentare

• “ Der Ball möchte sich in seinem niedrigsten Energiezustand befinden. “ – ugh …
• @AlfredCentauri Möchten Sie näher darauf eingehen? Ich möchte genauer sein, wenn Sie mehr Feedback geben können – “ ugh “ isn ‚ t sehr hilfreich. Ich könnte stattdessen sagen, dass sich der “ Ball bewegt, um seine potentielle Energie zu minimieren, dh in Richtung des Grundzustands, in dem er am stabilsten ist. “ ‚ ist ein schwieriger Punkt, ganz zu schweigen von meiner “ künstlerischen “ Verwendung von Personifizierung.
• zhutchens1, muss ich wirklich näher darauf eingehen? Ist die beste Antwort auf der Ebene ernsthafter Physikstudenten auf die Frage “ Warum rollt es [der Ball] nicht den Hügel hinauf “ wirklich, dass die ‚ der Ball ‚ nicht ‚? Aus Ihrem Kommentar geht hervor, dass Sie dies wahrscheinlich nicht ‚ glauben. Handle dementsprechend.
• @AlfredCentauri Danke. Ich habe meine Antwort etwas präziser bearbeitet. Obwohl ich behaupten könnte, dass ein “ ernsthafter Physikstudent “ die Definition des elektrischen Potentials und seiner Einheiten als Grund- / Grundwissen ansieht .

Hier haben wir eine Reihe positiv geladener Teilchen (schwarz gefärbt) und negativ geladener Teilchen ( weiß gefärbt):

Nehmen wir nun an, wir lassen an Punkt A ein negativ geladenes Teilchen fallen. Es wird versuchen, sich nach links zu bewegen, weil es von all diesen positiven Ladungen links angezogen und von den negativen Ladungen rechts abgestoßen wird. (Es gibt auch eine negative Ladung auf der linken Seite, aber das wird durch alle positiven mehr als ausgeglichen.)

Angenommen, Sie möchten dieses Teilchen von Punkt A nach Punkt B bewegen. Dann Sie “ Sie müssen gegen all diese elektrische Kraft drücken, daher wird etwas Energie benötigt, um diese Ladung von A nach B zu bewegen.

Die Spannung Zwischen den Punkten A und B befindet sich die Energiemenge, die Sie dafür benötigen – dh die Energiemenge, die erforderlich ist, um Ihre negative Ladung von A nach B zu bewegen und die elektrischen Kräfte auf dem Weg zu überwinden.

Angenommen, die Spannung ist beispielsweise 3. Eine Möglichkeit, dies auszudrücken, besteht darin, zu sagen, dass die Spannung an A 1 und die Spannung an B 4 beträgt. Oder Sie können sagen, dass die Spannung an A 6 beträgt und die Die Spannung an B beträgt 9. Oder die Spannung an A beträgt $ -2 $ und die Spannung an B beträgt $ + 1 $. Sie können eine vollkommen willkürliche Zahl auswählen, die dem Punkt $ A $ zugewiesen werden soll, solange Sie diese Zahl plus 3 dem Punkt $ B $ zuweisen.

Lassen Sie uns also (willkürlich) sagen, dass die Die Spannung bei $ A $ beträgt $ 2 $ und die Spannung bei $ B $ beträgt $ 5 $. Wiederum meinen wir damit, dass 3 Energieeinheiten erforderlich sind, um eine Ladungseinheit von $ A $ auf $ B $ zu bewegen.

Nehmen wir nun an, es gibt einen weiteren Punkt $ C $, und es werden 7 Energieeinheiten benötigt, um eine Ladungseinheit von $ A $ auf $ C $ zu verschieben. Das heißt, die Spannung von $ A $ bis $ C $ beträgt $ 7 $. Da wir uns dann bereits entschlossen haben, die Spannung $ 2 $ am Punkt $ A $ zu nennen, müssen wir sie am Punkt $ C $ $ 9 $ nennen.

Nun: Wie viel Energie wird benötigt, um eine Einheit von zu bewegen Gebühr von $ B $ bis $ C $? Nun, die Zahl, die wir $ B $ zugewiesen haben – die Spannung bei $ B $ – beträgt $ 5 $. Und die Spannung bei $ C $ beträgt $ 9 $. Wir gehen daher davon aus, dass 9-5 = 4 $ Energieeinheiten erforderlich sind, um eine Ladungseinheit von $ B $ auf $ C $ zu verschieben. Und es stellt sich empirisch heraus, dass Sie immer Recht haben, wenn Sie Vorhersagen auf diese Weise treffen.

Zusammenfassend: Die Spannung zwischen $ A $ und $ B $ beträgt Die Energie, die benötigt wird, um eine Einheitsladung von $ A $ auf $ B $ zu verschieben. Die Spannung bei $ A $ ist eine beliebige Zahl, die Sie zusammenstellen möchten – Sie können sie $ 2 $ oder $ – nennen. 100 $ oder $ 3.14159 $. Sobald Sie diese Zahl ermittelt haben, ist die Spannung bei $ B $ oder $ C $ oder $ D $ abzüglich der Spannung bei $ A $ die Energie, die benötigt wird, um eine Einheitsladung von $ A zu bewegen $ bis $ B $ oder $ C $ oder $ D $.Und – auf wundersame Weise – wenn Sie auf diese Weise Zahlen vergeben, können Sie damit auch herausfinden, wie viel Energie erforderlich ist, um eine Einheitsladung von $ B $ auf $ C $ oder von $ B $ auf $ D $ zu verschieben oder von $ D $ nach $ C $, indem Sie einfach Unterschiede nehmen.

Wenn Ihnen der Druck nicht gefällt Analogie, ich denke, diese Illustration würde Ihnen nicht gefallen: Könnte mir jemand intuitiv das Gesetz von Ohm ‚ erklären? . Aber es ist einen Versuch wert, einen Blick darauf zu werfen.

Abgesehen davon ist die Spannung $ V $ (mit der Einheit der Volt $ \ mathrm V $) nur Energie pro Ladung, was Joule per Coulomb :

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

Mit anderen Worten, die Spannung ist die Energiemenge ( potentielle elektrische Energie , wie sie genannt wird), die an einem Punkt in der Schaltung pro Einheit gespeichert ist der Ladung .

Wenn ein Punkt in der Schaltung mehr dieser Energie speichert als ein anderer, bewegen sich die Ladungen zum anderen Punkt. Die Ladung möchte immer an einem Ort mit der niedrigstmöglichen Energie sein.

• Genau wie eine Feder, die beim Dehnen Energie speichern kann und immer versucht, zu ihr zurückzukehren, wenn sie nicht gedehnt ist (niedrigste) -energie) Form.

Und dies ist der Grund, warum Menschen die Analogie „Wasserdruck“ verwenden. Weil der Unterschied in der Energie zwischen zwei Punkte bewegen die Ladung von einem Punkt zum anderen – als ob an einem Punkt ein größerer „Druck“ auf sie ausgeübt wird, der sie zum anderen Punkt „drückt“.

In größerer Tiefe

Der Grund ist, dass potentielle elektrische Energie „gespeichert“ wird, wenn mehr Ladungen (mit demselben Vorzeichen) gesammelt werden.

• Ein Elektron allein verursacht keine potentielle Energie,

ügen Sie jedoch zwei Elektronen zum gleichen Punkt im Stromkreis hinzu, und sie stoßen sich gegenseitig ab. Wie eine Feder, die zusammengedrückt wird. Wenn Sie sie loslassen, bewegen sie sich voneinander weg .

Diese „gespeicherte Energie“ entsteht aus der Tatsache, dass sie sich gegenseitig abstoßen d haben in der Nähe Stellen in der Rennstrecke, von denen sie weniger abgestoßen werden – so bewegen sie sich natürlich dorthin. Dies wird die potentielle Energie dieses Systems reduzieren – das Erreichen einer Konfiguration mit der niedrigsten Energie ist aus diesem Grund das Ziel für jedes potentielle Energiesystem.

Alles in allem ist also das Volt Einfach die Energie pro Ladung an einem Punkt, und sie kann mit anderen Punkten in der Schaltung verglichen werden, damit wir wissen, ob sich die Ladung dorthin bewegen möchte oder nicht.

Kommentare

• Bitte beachten Sie, dass das Konzept der Spannung unabhängig vom Konzept des Stromkreises und des durch einen Stromkreis fließenden Stroms ist.