Czym dokładnie jest “ volt ”?

Istnieje ścisła analogia do grawitacji, być może pomoże mi się przyjrzeć.

Mogę zdefiniować ilość $ X = gh $ (blisko powierzchni ziemi), gdzie $ g $ to przyspieszenie ziemskie, a $ h $ to wysokość nad powierzchnią. Trudno jest intuicyjnie określić tę wielkość. Ale jeśli pomnożę przez masę obiektu na tej wysokości, znajdę $ U = mgh $, energię. Więc możemy powiedzieć, że $ X $ reprezentuje potencjał , aby stać się w tym momencie energią.

Podobnie mogę zdefiniować ilość $ V $. Trudno jest zrozumieć jakąkolwiek intuicję z tej wielkości. Ale jeśli pomnożę przez ładunek obiektu w tej pozycji, znajdę $ U = qV $, energię. Możemy więc powiedzieć, że $ V $ reprezentuje potencjał stać się w tym momencie energią.

Jest jedna niefortunna rzecz, na którą trzeba uważać. Słowo potencjał jest używane w dwóch różnych, ale ściśle powiązanych ze sobą pojęciach: potencjał elektryczny i energia potencjalna elektryczna . Podobnie możemy mieć potencjał grawitacyjny i grawitacyjną energię potencjalną . Wiem, że kiedy zaczynałem, spowodowało to pewne zamieszanie.

Zdaję sobie sprawę, że nie jest to bezpośrednia odpowiedź na pytanie „Co to jest wolt?”, Ale wolt jest wielkością abstrakcyjną. Definiujemy to jako wygodną alternatywę dla energii; upraszcza wiele analiz. Nie jest to bezpośrednio wielkość fizyczna, taka jak siła czy odległość.

Komentarze

• Dlaczego nie podać po prostu definicji energii potencjalnej zamiast podać analogię? ? Nigdy nie rozumiałem, jak porównywanie elektromagnetyzmu do innych rzeczy mogłoby być łatwiejsze niż samo nauczenie się elektromagnetyzmu.
• @GennaroTedesco Myślę, że OP próbował nauczyć się elektromagnetyzmu i osiągnął coś, czego konwencjonalne rozumowanie nie daje ' nie wyjaśniać mu. Analogia może pomóc. Przyznaję, że nie pomogła wszystkim '. OP jest nowicjuszem i nie ' nie myśli w ten sam sposób, co ty lub ja.

Niech $ \ mathbf {E} (\ mathbf {r}) $ będzie polem elektrycznym: praca wykonana przez pole na ładunku jednostkowym $ q $ wzdłuż ścieżki $ \ gamma $ jest z definicji , $$ W _ {\ gamma} = \ int _ {\ gamma} \ textrm {d} \ mathbf {r} \ cdot \ mathbf {E} (\ mathbf {r}).$$ Jeśli zdarza się, że praca wykonana przez pole nie zależy od ścieżki $ \ gamma $, a jedynie od jej granic, mówimy, że pole jest konserwatywne i wyrażamy związaną z nim pracę wykonaną jako różnicę funkcji obliczonej na granicach, a mianowicie $$ W _ {\ gamma} = V (A) – V (B) = \ int _ {\ gamma} \ textrm {d} \ mathbf {r} \ cdot \ mathbf {E} _ {\ textrm {minusy}} ( \ mathbf {r}) $$ dla konserwatywnych pól $ \ mathbf {E} _ {\ textrm {przeciw}} (\ mathbf {r}) $. Obliczając powyższe wzdłuż dowolnej ścieżki $ \ gamma $ przechodząc przez dowolny punkt w przestrzeni, jeden definiuje funkcję $ V (x) $, nazywaną energią potencjalną pola.

Weźmy szczególny przypadek zachowawczego stałego pola elektrycznego. Związana z tym praca wykonana na ścieżce $ \ gamma $ jest zatem wyrażona przez różnicę potencjału $$ V (A) – V (B) = | \ textrm {E} | \, \ Delta r. $$ Pracę wykonaną przez powyższe pole modułu 1 N / C $ przy przenoszeniu ładunku jednostkowego o 1 m nazywamy różnicą potencjału 1 wolta.

Wolty lub napięcie to ilość energii potencjalnej, którą elektrony mają względem innego punktu, zwykle tak zwanego „uziemienia”, czyli definiowany jako posiadający potencjał 0 V. W niektórych urządzeniach jest to związane z prądem przez tak zwaną rezystancję (mierzoną w omach), która jest stosunkiem napięcia do prądu w tym urządzeniu. Mówiąc dokładniej, napięcie to ilość energii przypadająca na kulomb ładunku, więc wolty mają wymiar w dżulach na kulomb. Jeśli chcesz analogii do świata rzeczywistego, jednym przyzwoitym (nie najlepszym, ale przyzwoitym) porównaniem, które lubię, jest analogia do wody w rurach. Prąd to dosłownie ilość wody przepływającej przez rurę. Więcej wody oznacza więcej przepływających cząsteczek wody, co jest analogiczne do elektryczności przepływającej przez drut. Z drugiej strony o napięciu można myśleć w kategoriach spadającej wody: woda, która spada z wysokiego wodospadu, ma więcej energii potencjalnej niż woda, która spada, powiedzmy, na krawędź małej skały u podstawy wodospadu. Tutaj znowu mierzymy potencjał względem ziemi.

Zatem wolt to „ciśnienie” w przewodzie. Im więcej woltów, tym większy potencjał ruchu. Więc jeśli zwiększysz napięcie czegoś niż prąd lub prędkość ruchu energii, wzrośnie, ponieważ więcej energii przechodzi przez ten sam przewód.

Bob ma regulator napięcia i im mocniej naciska przycisk, tym więcej woltów przepływa przez obwód do żarówki. Najpierw delikatnie naciska i żarówka świeci słabo. W końcu naciska mocniej, a ponieważ w przewodzie jest więcej woltów, prąd płynie szybciej, więc żarówka świeci jaśniej. Następnie przestaje naciskać, a ponieważ nie ma woltów przechodzących przez obwód, nie ma ciśnienia, światło gaśnie. Następnie uderza młotkiem w przycisk i przez cyrk przepływa tak wiele woltów, że przewody są przeładowane. Na przykład, jeśli podłączysz ogromną pompę wodną do maleńkiej rury, rura pęknie, ponieważ ciśnienie wody jest zbyt wysokie.

Kolejna analogia, której możesz użyć (ta w rzeczywistości ma sens)

Napięcie (V) to potencjał energii do przemieszczania się i jest równoważne ciśnieniu wody. Prąd (I) to natężenie przepływu mierzone w amperach. Om (r) jest miarą rezystancji i odpowiada rozmiarowi rury wodnej. Te trzy terminy są powiązane ze sobą za pomocą prostego wzoru, który brzmi: prąd jest równy napięciu podzielonemu przez rezystancję. I = V / r Wyobraź sobie, że masz zbiornik z wodą z wężem podłączonym do dna tego zbiornika. Co się stanie, jeśli zwiększysz ciśnienie w tym zbiorniku? Zwiększy się również ilość wody wypływającej z węża. To samo jest prawdą, gdy zwiększysz napięcie, popłynie więcej prądu. Co się stanie, jeśli podłączysz wąż o większej średnicy do tego zbiornika? Szybkość przepływu również wzrośnie, ponieważ opór spadł. To samo dotyczy sytuacji, gdy podczas przesuwania prądu używasz przewodu o dużym przekroju. Im większy przewód, tym większy prąd można przez niego przepuścić, uszkadzając przewód.

Mam nadzieję, że to ma sens, powodzenia w teście;)

Z definicji wolt to dżul na kolor:

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

Wynika to z definicji potencjału elektrycznego: ilości energii potencjalnej na jednostkę ładunku w obwodzie lub systemie. Aby dać analogię, potencjał elektryczny jest taki sam, jak wysokość / odległość (zasadniczo potencjał grawitacyjny) względem grawitacji.

Różnica potencjałów elektrycznych, bardziej znana jako napięcie $ \ Delta V $, określa prąd $ I $ w obwodzie o pewnym oporze $ R $. Jest to znane jako prawo Ohma i jest określone równaniem $ \ Delta V = IR $.

Wiele osób twierdzi, że jest to „ciśnienie elektryczne”, ale osobiście nie lubię tej analogii. Wolę analogię do grawitacji. Pomyśl o piłce toczącej się ze wzgórza. Dlaczego nie stacza się pod górę?

Piłka porusza się, aby zminimalizować swoją energię potencjalną, przyspieszaną przez zachowawczą siłę grawitacji Ziemi. Dno wzgórza znajduje się najbliżej środka Ziemi, na najniższej możliwej wysokości, a zatem najniższej grawitacji Potencjał.

Podobnie jest z ładunkami elektrycznymi. Najniższy potencjał elektryczny to miejsce, w którym znajduje się minimalna energia potencjalna dla ładunków dodatnich *, a cząstki w konserwatywnym polu przemieszczają się do miejsca o najniższej potencjalnej energii. na to stanowisko masz prąd zgodny z prawem Ohma.

* W przypadku ładunków ujemnych najniższa energia potencjalna jest przy najwyższym potencjale elektrycznym. Elektrony poruszają się w kierunku rosnącego potencjału elektrycznego.

Komentarze

• ” Piłka chce być w najniższym stanie energii ” – ugh …
• @AlfredCentauri Chcesz to rozwinąć? Chcę być dokładniejszy, jeśli możesz przekazać więcej opinii – ” ugh ” to nie ' t bardzo pomocne. Zamiast tego mógłbym powiedzieć, że ” piłka porusza się, aby zminimalizować swoją energię potencjalną, tj. W kierunku stanu podstawowego, w którym jest najbardziej stabilna. ” Jest to ' trudne do wyrażenia, nie wspominając o moim ” artystycznym ” użyciu personifikacja.
• zhutchens1, czy naprawdę muszę się rozwodzić? To najlepsza odpowiedź, na poziomie poważnych studentów fizyki, na pytanie ” Dlaczego [kula] nie toczy się pod górę ” czy naprawdę ' piłka nie ' nie chce '? Z twojego komentarza wynika, że prawdopodobnie nie ' tak sądzisz. Postępuj zgodnie z tym.
• @AlfredCentauri Dzięki. Zredagowałem swoją odpowiedź, aby była nieco bardziej precyzyjna. Chociaż mogę twierdzić, że ” poważny student fizyki ” uzna definicję potencjału elektrycznego i jego jednostek za wiedzę podstawową / podstawową .

Mamy tutaj kilka dodatnio naładowanych cząstek (w kolorze czarnym) i ujemnie naładowanych ( w kolorze białym):

Teraz przypuśćmy, że w punkcie A. upuszczamy ujemnie naładowaną cząstkę. Będzie ona próbowała przesunąć się w lewo, ponieważ jest przyciągana przez wszystkie te dodatnie ładunki z lewej strony i odpychana przez ujemne ładunki z prawej. (Po lewej stronie jest również ładunek ujemny, ale jest to więcej niż równoważone przez wszystkie pozytywy).

Załóżmy, że chcesz przenieść tę cząstkę z punktu A do punktu B. Wtedy Będziesz musiał naciskać na całą tę siłę elektryczną, więc potrzeba trochę energii, aby przenieść ten ładunek z A do B.

Napięcie pomiędzy punktami A i B to ilość energii, jakiej będziesz do tego potrzebować – to znaczy ilość energii potrzebna do przeniesienia ładunku ujemnego z punktu A do B, pokonując po drodze siły elektryczne.

Załóżmy, że napięcie jest, powiedzmy, 3. Jednym ze sposobów wyrażenia tego jest stwierdzenie, że napięcie na A wynosi 1, a napięcie na B wynosi 4. Albo możesz powiedzieć, że napięcie na A wynosi 6, a napięcie na B wynosi 9. Lub że napięcie na A wynosi -2 $, a napięcie na B wynosi + 1 $. Możesz wybrać całkowicie dowolną liczbę do przypisania do punktu $ A $, o ile przypiszesz tę liczbę plus 3 do punktu $ B $.

A więc powiedzmy (arbitralnie), że napięcie przy $ A $ wynosi 2 $, a napięcie przy $ B $ 5 $. Ponownie, mamy na myśli tylko 3 jednostki energii, aby przenieść jedną jednostkę ładunku z $ A $ na $ B $.

Załóżmy teraz, że jest inny punkt $ C $ i przypuśćmy, że potrzeba 7 jednostek energii, aby przesunąć jednostkę ładunku z $ A $ na $ C $. Oznacza to, że napięcie od $ A $ do $ C $ wynosi 7 $. Skoro już zdecydowaliśmy się nazwać napięcie 2 $ w punkcie $ A $, musimy nazwać je 9 $ w punkcie $ C $.

Teraz: Ile energii potrzeba, aby przenieść jednostkę pobierać opłaty od $ B $ do $ C $? Cóż, liczba, którą przypisaliśmy do $ B $ — napięcie przy $ B $ — wynosi 5 $. A napięcie przy $ C $ wynosi 9 $. Dlatego przewidujemy, że potrzeba 9-5 $ = 4 $ jednostek energii, aby przesunąć jednostkę ładunku z $ B $ na $ C $. I okazuje się, empirycznie, że jeśli robisz przewidywania w ten sposób, zawsze masz rację.

Podsumowując: napięcie między $ A $ a $ B $ wynosi energia potrzebna do przeniesienia opłaty jednostkowej z $ A $ na $ B $. Napięcie na poziomie $ A $ to dowolna liczba, którą chcesz uzupełnić — możesz ją nazwać 2 $ lub $ – 100 $ lub 3,14159 $. Gdy już zwiększysz tę liczbę, napięcie przy $ B $, $ C $ lub $ D $ minus napięcie przy $ A $, to energia potrzebna do przeniesienia ładunku jednostkowego z $ A $ do $ B $ lub $ C $ lub $ D $.I – w cudowny sposób – kiedy przypiszesz liczby w ten sposób, możesz ich również użyć, aby dowiedzieć się, ile energii potrzeba, aby przenieść ładunek jednostkowy z $ B $ na $ C $ lub z $ B $ na $ D $ lub od $ D $ do $ C $, po prostu biorąc różnice.

Jeśli nie podoba ci się presja analogicznie, wydaje mi się, że ta ilustracja nie spodobałaby się: Czy ktoś mógłby mi intuicyjnie wyjaśnić prawo Ohm '? . Ale warto spróbować.

Poza tym napięcie $ V $ (z jednostką woltów $ \ mathrm V $) to po prostu energia na ładunek; co oznacza Dżule na kulomb :

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

Innymi słowy, napięcie to ilość energii ( potencjalnej energii elektrycznej , jak to się nazywa) zmagazynowana w punkcie obwodu na jednostkę .

Jeśli jeden punkt w obwodzie przechowuje więcej tej energii niż inny, wtedy ładunki przesuną się w kierunku drugiego punktu. Ładunek zawsze będzie chciał znajdować się w miejscu o najniższej możliwej energii.

• Podobnie jak sprężyna, która może magazynować energię po rozciągnięciu, która zawsze będzie próbowała powrócić do niej nierozciągnięta (najniższa -energy).

I to jest powód, dla którego ludzie używają analogii „ciśnienie wody”. Ponieważ różnica w energii między dwoma to właśnie punkty sprawiają, że ładunek przemieszcza się z jednego punktu do drugiego – tak jakby był na nich większy „nacisk” w jednym punkcie „wypychający” je w drugi punkt.

Głębiej

Powodem jest to, że potencjalna energia elektryczna jest „magazynowana”, gdy gromadzi się więcej ładunków (o tym samym znaku).

• Jeden elektron sam nie wytwarza energii potencjalnej,
• ale dodaj dwa elektrony do tego samego punktu w obwodzie, a będą się odpychać. Jak sprężyna, która jest ściśnięta. Jeśli pozwolisz im odejść, oddalą się od siebie .

Ta „zmagazynowana energia” wynika z faktu, że odpychają się one d mieć pobliskie punkty na obwodzie, z których są mniej odpychane – więc będą się tam naturalnie poruszać. To zmniejszy potencjalną energię tego systemu – osiągnięcie konfiguracji najniższej energii jest z tego powodu celem każdego potencjalnego systemu energetycznego.

Zatem w sumie wolt jest po prostu energię na ładunek w danym punkcie i można ją porównać z innymi punktami w obwodzie, dzięki czemu wiemy, czy ładunek chce się tam przenieść, czy nie.

Komentarze

• Proszę zauważyć, że pojęcie napięcia jest niezależne od pojęcia obwodu i prądu przepływającego przez obwód.