Wat is precies een “ volt ”?

Er is een grote analogie met zwaartekracht, misschien helpt het om ernaar te kijken.

Ik kan een hoeveelheid $ X = gh $ (nabij het aardoppervlak) definiëren waar $ g $ is de versnelling als gevolg van de zwaartekracht en $ h $ is de hoogte boven het oppervlak. Het is moeilijk om een intuïtieve betekenis uit die hoeveelheid te halen. Maar als ik vermenigvuldig met de massa van een object op die hoogte, vind ik $ U = mgh $, energie. Dus we zouden kunnen zeggen dat $ X $ een potentieel vertegenwoordigt om op dat punt energie te worden.

Op dezelfde manier kan ik een hoeveelheid $ V $ definiëren. Het is moeilijk om een intuïtieve betekenis uit die hoeveelheid te krijgen. Maar als ik vermenigvuldig met de lading van een object op die positie, vind ik $ U = qV $, energie. We zouden dus kunnen zeggen dat $ V $ een potentieel vertegenwoordigt om op dat moment energie te worden.

Er is één ongelukkig ding om op te letten. Het woord potentieel wordt gebruikt in twee verschillende maar nauw verwante concepten: elektrisch potentieel en elektrische potentiële energie . Evenzo kunnen we gravitatiepotentieel en gravitatiepotentiaal energie hebben. Ik weet dat toen ik begon dit mij enige verwarring veroorzaakte.

Ik erken dat dit geen direct antwoord is op “Wat is een volt?”, Maar de volt is een abstracte grootheid. We definiëren het als een handige vervanger voor energie; het vereenvoudigt veel analyse. Het is geen direct fysieke grootheid zoals kracht of afstand.

Opmerkingen

• Waarom niet alleen de definitie van potentiële energie geven in plaats van een analogie te geven ? Ik heb nooit begrepen hoe het vergelijken van elektromagnetisme met andere dingen mogelijk eenvoudiger zou kunnen zijn dan alleen het leren van elektromagnetisme.
• @GennaroTedesco Ik denk dat het OP heeft geprobeerd elektromagnetisme te leren, en iets heeft bereikt dat de conventionele redenering niet doet ‘ t uitleggen aan hem of haar. Een analogie zou kunnen helpen. Ik geef grif toe dat het ‘ niet iedereen heeft geholpen. Het OP is een beginneling , en denkt niet ‘ op dezelfde manier als jij of ik.

Laat $ \ mathbf {E} (\ mathbf {r}) $ het elektrische veld zijn: het werk dat door het veld wordt gedaan op een eenheidslading $ q $ langs het pad $ \ gamma $ is, per definitie , $$ W _ {\ gamma} = \ int _ {\ gamma} \ textrm {d} \ mathbf {r} \ cdot \ mathbf {E} (\ mathbf {r}).$$ Als het werk dat door het veld wordt gedaan niet afhangt van het pad $ \ gamma $ maar alleen van zijn grenzen, zeggen we dat het veld conservatief is en drukken we het bijbehorende werk uit als verschil van een functie berekend op de grenzen, namelijk $$ W _ {\ gamma} = V (A) – V (B) = \ int _ {\ gamma} \ textrm {d} \ mathbf {r} \ cdot \ mathbf {E} _ {\ textrm {nadelen}} ( \ mathbf {r}) $$ voor conservatieve velden $ \ mathbf {E} _ {\ textrm {cons}} (\ mathbf {r}) $. Door het bovenstaande te berekenen langs elk pad $ \ gamma $ lopend langs elk punt in de ruimte een definieert de functie $ V (x) $, de potentiële energie van het veld genoemd.

Laten we het specifieke geval van een conservatief constant elektrisch veld nemen. Het bijbehorende werk dat wordt gedaan langs een pad $ \ gamma $ wordt daarom uitgedrukt door het verschil van potentieel $$ V (A) – V (B) = | \ textrm {E} | \, \ Delta r. $$ We noemen een potentiaalverschil van 1 Volt het werk dat wordt gedaan door het bovenstaande veld van module 1 N / C $ om een eenheidslading van 1 m te verplaatsen.

Volt of spanning is de hoeveelheid potentiële energie die elektronen hebben ten opzichte van een ander punt, meestal wat “aarde” wordt genoemd. gedefinieerd als een potentiaal van 0 V. In sommige apparaten is dit gerelateerd aan de stroom door wat weerstand wordt genoemd (gemeten in ohm), wat de verhouding is tussen spanning en stroom in het apparaat. Specifiek is spanning de hoeveelheid energie per coulomb lading, dus volt heeft de afmeting van joules per coulomb. Als je een real-world analogie wilt, is een behoorlijke (niet de beste, maar fatsoenlijke) vergelijking die ik graag gebruik de analogie van water in leidingen. Stroom is letterlijk de hoeveelheid water die door de buis stroomt. Meer water betekent dat er meer watermoleculen stromen, wat vergelijkbaar is met elektriciteit die door een draad stroomt. Aan de andere kant kan spanning worden gezien in termen van vallend water: water dat van een hoge waterval valt, heeft meer potentiële energie dan water dat bijvoorbeeld over de rand van een kleine rots aan de voet van de waterval valt. Ook hier meten we het potentieel ten opzichte van de aarde.

Dus een volt is de “druk” in de draad. Hoe meer volt, hoe meer bewegingspotentieel. Dus als je de spanning van iets verhoogt, neemt de stroom of de snelheid van de energiebeweging toe omdat er meer energie door dezelfde draad gaat.

Bob heeft een spanningsregelaar en hoe harder hij op de knop drukt, hoe meer volt er vloeit door het circuit naar de gloeilamp. Eerst drukt hij zachtjes naar beneden en de lamp brandt zwak. Uiteindelijk drukt hij harder en omdat er meer volt in de draad zit, gaat de stroom sneller waardoor de lamp helderder wordt. Hij stopt dan met drukken en aangezien er geen volt door het circuit gaat, is er geen druk, gaat het licht uit. Hij slaat dan met een hamer op de knop en er gaat zoveel volt door het circus dat de draden overladen zijn. Alsof je een enorme waterpomp aansluit op een klein buisje, dan zal de buis breken omdat de waterdruk te hoog is.

Een andere analogie die u zou kunnen gebruiken (deze is eigenlijk logisch)

Voltage (V) is de mogelijkheid dat energie beweegt en is gelijk aan waterdruk. Stroom (I) is een stroomsnelheid en wordt gemeten in ampère. Ohm (r) is een maat voor weerstand en komt overeen met de maat van de waterleiding. Deze drie termen zijn aan elkaar gerelateerd met een eenvoudige formule die luidt: stroom is gelijk aan de spanning gedeeld door de weerstand. I = V / r Stel je voor dat je een tank met water hebt met een slang die is aangesloten op de bodem van deze tank. Wat gebeurt er als je de druk in deze tank verhoogt? De hoeveelheid water die uit de slang stroomt, zal ook toenemen. Hetzelfde geldt wanneer u de spanning verhoogt, er zal meer stroom vloeien. Wat gebeurt er als u een slang met een grotere diameter op deze tank aansluit? Het debiet zal ook toenemen doordat de weerstand afneemt. Hetzelfde geldt als u een draad met een grote dikte gebruikt bij het verplaatsen van stroom. Hoe groter de draad, des te meer stroom je er doorheen kunt bewegen met beschadiging van de draad.

Ik hoop dat dit logisch is, veel succes met de test;)

Per definitie is een volt een joule per kolom:

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

Dit komt voort uit de definitie van elektrisch potentieel: de hoeveelheid potentiële energie per eenheidslading in een circuit of systeem. Om een analogie te geven: elektrisch potentieel is voor elektriciteit, zoals hoogte / afstand (in wezen gravitatiepotentieel) is voor zwaartekracht.

Elektrisch potentiaalverschil, beter bekend als spanning $ \ Delta V $, bepaalt de huidige $ I $ in een circuit met enige weerstand $ R $. Dit staat bekend als de wet van Ohm en wordt gegeven door de vergelijking $ \ Delta V = IR $.

Veel mensen zeggen dat het “elektrische druk” is, maar persoonlijk vind ik die analogie niet prettig. Ik geef de voorkeur aan de analogie met de zwaartekracht. Denk aan een bal die van een heuvel af rolt. Waarom rolt het de heuvel niet op?

De bal beweegt om zijn potentiële energie te minimaliseren en wordt versneld door de conservatieve zwaartekracht van de aarde. De onderkant van de heuvel is het dichtst bij het middelpunt van de aarde, de laagst mogelijke hoogte en daarom de laagste zwaartekracht. potentieel.

Dit geldt ook voor elektrische ladingen. Het laagste elektrische potentieel is de locatie van de minimale potentiële energie voor positieve ladingen *, en deeltjes in een conservatief veld verplaatsen zich naar de locatie met de laagste potentiële energie. naar die positie heb je stroom in overeenstemming met de wet van Ohm.

* Bij negatieve ladingen is de laagste potentiële energie het hoogste elektrische potentieel. Elektronen bewegen in de richting van toenemend elektrisch potentieel.

Reacties

• ” De bal wil in zijn laagste energietoestand zijn ” – ugh …
• @AlfredCentauri Wil je het uitwerken? Ik wil nauwkeuriger zijn als je meer feedback kunt geven – ” ugh ” isn ‘ t erg behulpzaam. Ik zou in plaats daarvan kunnen zeggen dat de bal ” beweegt om zijn potentiële energie te minimaliseren, dwz naar de grondtoestand, waar hij het meest stabiel is. ” Het ‘ is een moeilijke zin, om nog maar te zwijgen van mijn ” artistiek ” gebruik van personificatie.
• zhutchens1, moet ik echt uitweiden? Is op het niveau van serieuze natuurkundestudenten het beste antwoord op de vraag ” Waarom rolt het [de bal] niet de heuvel op ” echt dat de ‘ de bal niet ‘ wil ‘? Uit uw opmerking zie ik dat u dit waarschijnlijk niet denkt ‘. Handel in overeenstemming daarmee.
• @AlfredCentauri Bedankt. Ik heb mijn antwoord aangepast om het wat nauwkeuriger te maken. Hoewel ik zou kunnen beweren dat een ” serieuze student natuurkunde ” de definitie van elektrisch potentieel en zijn eenheden als basis / fundamentele kennis zal vinden .

Hier hebben we een aantal positief geladen deeltjes (zwart gekleurd) en negatief geladen deeltjes ( wit gekleurd):

Stel nu dat we een negatief geladen deeltje in punt A laten vallen. Het zal proberen naar links te bewegen, omdat het wordt aangetrokken door al die positieve ladingen aan de linkerkant en afgestoten door de negatieve ladingen aan de rechterkant. (Er is ook een negatieve lading aan de linkerkant, maar dat wordt meer dan gecompenseerd door alle positieve punten.)

Stel dat je dat deeltje van punt A naar punt B wilt verplaatsen. we zullen tegen al die elektrische kracht moeten duwen, dus het kost wat energie om die lading van A naar B te verplaatsen.

De spanning tussen de punten A en B is de hoeveelheid energie die je daarvoor nodig hebt – dat wil zeggen, de hoeveelheid energie die nodig is om je negatieve lading van A naar B te verplaatsen en de elektrische krachten onderweg te overwinnen.

Stel dat de spanning bijvoorbeeld 3 is. Een manier om dat uit te drukken is door te zeggen dat de spanning bij A 1 is en de spanning bij B 4. Of je kunt zeggen dat de spanning bij A 6 is en de spanning op B is 9. Of dat de spanning op A $ -2 $ is en de spanning op B $ + 1 $ is. U kunt een volkomen willekeurig getal kiezen om aan punt $ A $ toe te wijzen, zolang u dat getal plus 3 aan punt $ B $ toewijst.

Laten we dus maar (willekeurig) zeggen dat de het voltage op $ A $ is $ 2 $ en het voltage op $ B $ is $ 5 $. Nogmaals, we bedoelen hiermee alleen dat er 3 eenheden energie nodig zijn om één eenheid van lading van $ A $ naar $ B $ te verplaatsen. / p>

Stel nu dat er nog een punt $ C $ is, en stel dat het 7 eenheden energie kost om een eenheid van lading van $ A $ naar $ C $ te verplaatsen. Dat wil zeggen, het voltage van $ A $ tot $ C $ is $ 7 $. Aangezien we al besloten hadden om het voltage $ 2 $ te noemen op punt $ A $, moeten we het $ 9 $ noemen op punt $ C $.

Nu: hoeveel energie kost het om een eenheid van kosten van $ B $ tot $ C $? Het nummer dat we hebben toegewezen aan $ B $ — het voltage op $ B $ — is $ 5 $. En het voltage bij $ C $ is $ 9 $. Daarom voorspellen we dat het $ 9-5 = 4 $ eenheden energie kost om een eenheid van lading van $ B $ naar $ C $ te verplaatsen. En empirisch blijkt dat als je op deze manier voorspellingen doet, je altijd gelijk hebt.

Samengevat: de spanning tussen $ A $ en $ B $ is de energie die nodig is om een eenheidslading te verplaatsen van $ A $ naar $ B $. Het voltage op $ A $ is elk getal dat je wilt verzinnen — je kunt het $ 2 $ of $ – noemen 100 $ of $ 3,14159 $. Zodra je dat getal hebt verzonnen, is het voltage van $ B $ of $ C $ of $ D $, minus het voltage van $ A $, de energie die nodig is om een eenheid van $ A $ tot $ B $ of $ C $ of $ D $.En — wonderbaarlijk — als je op deze manier getallen hebt toegewezen, kun je ze ook gebruiken om erachter te komen hoeveel energie het kost om een eenheidskost van $ B $ naar $ C $ of van $ B $ naar $ D $ te verplaatsen. of van $ D $ tot $ C $, gewoon door verschillen te nemen.

Als je de druk niet leuk vindt analogie, ik denk dat je deze illustratie niet leuk zou vinden: Kan iemand me intuïtief uitleggen Ohm ‘ s wet? . Maar het is het proberen waard om eens te kijken.

Afgezien daarvan is spanning $ V $ (met de eenheid van volt $ \ mathrm V $) slechts energie per lading; wat betekent Joules per Coulomb :

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

Met andere woorden, de spanning is de hoeveelheid energie ( potentiële elektrische energie , zoals het wordt genoemd) die is opgeslagen op een punt in het circuit per eenheid van lading .

Als een punt in het circuit meer van deze energie opslaat dan een ander, dan zullen de ladingen naar het andere punt bewegen. De lading zal altijd op een plek willen zijn met de laagst mogelijke energie.

• Net als een veer, die energie kan opslaan wanneer hij wordt uitgerekt, die altijd zal proberen terug te keren naar zijn ongestrekte (laagste -energie) vorm.

En dit is waarom mensen de “waterdruk” -analogie gebruiken. Omdat het verschil in energie tussen twee punten zorgt ervoor dat de lading van het ene punt naar het andere gaat – alsof er op het ene punt een grotere “druk” op hen staat en ze naar het andere punt “duwt”.

Dieper

De reden is dat potentiële elektrische energie wordt “opgeslagen” wanneer er meer ladingen (van hetzelfde teken) worden verzameld.

• Alleen één elektron veroorzaakt geen potentiële energie,
• maar voeg twee elektronen toe aan hetzelfde punt in het circuit, en ze zullen elkaar afstoten. Als een veer die wordt samengedrukt. Als je ze loslaat, zullen ze van elkaar af bewegen .

Deze “opgeslagen energie” komt voort uit het feit dat ze elkaar afstoten en d hebben plekken in het circuit in de buurt waar ze minder van worden afgestoten – dus zullen ze daar vanzelfsprekend naartoe gaan. Dit zal de potentiële energie van dit systeem verminderen – het bereiken van een configuratie met de laagste energie is daarom het doel van elk potentieel energiesysteem.

Dus al met al is de volt gewoon de energie per lading op een punt, en het kan worden vergeleken met andere punten in het circuit, zodat we weten of de lading daar naartoe wil gaan of niet.

Opmerkingen

• Merk op dat het concept van spanning onafhankelijk is van het concept van circuit en stroom die door een circuit vloeit.